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高集成度國(guó)標(biāo)ETC射頻收發(fā)器應(yīng)用系統(tǒng)分析

  中國(guó)的公路不停車收費(fèi)(ETC)系統(tǒng)應(yīng)用市場(chǎng)越來(lái)越大,為了促進(jìn)ETC應(yīng)用的快速發(fā)展和成熟,國(guó)家相關(guān)部門開(kāi)展了高速公路聯(lián)網(wǎng)不停車收費(fèi)的試點(diǎn)工程,比如,京津翼地區(qū)和長(zhǎng)三角地區(qū),所以對(duì)車載單元(OBU)的需求量也隨之大幅增加。

  目前市場(chǎng)上應(yīng)用的OBU多數(shù)是通過(guò)分立元器件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的,存在一致性、穩(wěn)定性和可靠性的問(wèn)題。博通(BEKEN)集成電路于2010年年初推出用于ETC系統(tǒng)的射頻收發(fā)器芯片BK5822,是目前世界上唯一一款集成了包括接收、發(fā)射和喚醒在內(nèi)的全部射頻功能的國(guó)標(biāo)ETC收發(fā)器,其性能指標(biāo)完全符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20851.1-2007和GB/T 20851.2-2007。BK5822設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的OBU完全解決了上述問(wèn)題,批量生產(chǎn)的OBU具有一致性以及穩(wěn)定可靠性。

  與應(yīng)用分立元器件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的OBU方案相比,BK5822僅需少量外部器件,最大程度上節(jié)約了PCB面積和外圍器件的成本,縮短了研發(fā)周期,提高產(chǎn)品生產(chǎn)的成品率,BK5822集成了OBU所需的全部射頻功能模塊,使設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)單,研發(fā)調(diào)試更容易,量產(chǎn)的OBU產(chǎn)品性能更穩(wěn)定。

  基本技術(shù)特性

  BK5822射頻收發(fā)器內(nèi)部集成了完整的射頻收發(fā)和調(diào)制解調(diào)功能,并嵌入了數(shù)據(jù)幀處理功能,進(jìn)行FM0的編解碼。同時(shí)BK5822還集成了喚醒電路,能夠在電流很低的睡眠狀態(tài)被喚醒,滿足了ETC OBU在睡眠狀態(tài)超低功耗的要求。BK5822采用了常用的小尺寸28pin 5mm×5mm QFN封裝(圖1),加上簡(jiǎn)單的外圍應(yīng)用電路,大大減小了在PCB上所占用的空間,從而節(jié)省了成本。


圖1: BK5822 5mm×5mm QFN封裝芯片

  BK5822射頻收發(fā)器的基本特性如下:工作頻段5.7GHz~5.85GHz;能夠同時(shí)接收5.83GHz和5.84GHz兩個(gè)信道的信號(hào);數(shù)據(jù)速率:上行512kbps,下行256kbps;輸出功率為2dBm(傳導(dǎo));接收鏈路集成了AGC功能,能動(dòng)態(tài)調(diào)整接收鏈路的增益;接收靈敏度達(dá)-60dBm;ASK調(diào)制方式,F(xiàn)M0編解碼;內(nèi)置喚醒電路,喚醒靈敏度為-42dBm;發(fā)射功耗為40mA;接收功耗為35mA;支持2.6V到3.6V的電源電壓;睡眠狀態(tài)的電流為13μA;最高8MHz的4線SPI接口。

  
主要功能模塊

  BK5822全部集成了ETC OBU的各射頻功能模塊,圖2為BK5822射頻收發(fā)器內(nèi)部的系統(tǒng)框圖,下面結(jié)合圖2對(duì)各功能模塊進(jìn)行簡(jiǎn)要的描述。


圖2: BK5822射頻收發(fā)器內(nèi)部的系統(tǒng)框圖

  發(fā)射模塊(請(qǐng)做粗宋):對(duì)于發(fā)射有四種常用的工作模式,分別為發(fā)射單載波信號(hào)、發(fā)射正常burst信號(hào)、發(fā)射PN9連續(xù)信號(hào)、發(fā)射全“0”數(shù)據(jù)信號(hào)。發(fā)射正常Burst信號(hào),用戶只需向發(fā)射的FIFO中直接寫入所需要發(fā)射的數(shù)據(jù),BK5822檢測(cè)到FIFO中有數(shù)據(jù)后,打開(kāi)發(fā)射相關(guān)電路,將數(shù)據(jù)調(diào)制到載波上,發(fā)送出去,數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束后,發(fā)射相關(guān)電路關(guān)閉,進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。其它三種工作模式用于測(cè)試模式,完成射頻性能的測(cè)試。發(fā)射的調(diào)制深度是可調(diào)的,由數(shù)據(jù)調(diào)制前的Ramp決定;發(fā)射功率也是可調(diào)控的,通過(guò)相應(yīng)寄存器的設(shè)置來(lái)實(shí)現(xiàn),功率的調(diào)節(jié)范圍可達(dá)到22dB。

  接收模塊(請(qǐng)做粗宋):接收機(jī)采用低中頻結(jié)構(gòu),在下變頻后的Rx Filter是一個(gè)中間頻率在5MHz的帶通濾波器。當(dāng)使BK5822進(jìn)入接收狀態(tài),并且BK5822接收到數(shù)據(jù)包結(jié)束標(biāo)志后,便自動(dòng)將Rx關(guān)閉,同時(shí)中斷引腳發(fā)出接收中斷,BK5822進(jìn)入待機(jī)狀態(tài),直到FIFO里面的數(shù)據(jù)被讀空,或者清除接收中斷后,接收才重新打開(kāi)以等待接收數(shù)據(jù)。如果BK5822沒(méi)有接收到數(shù)據(jù)包結(jié)束標(biāo)志,將一直處于接收狀態(tài),此時(shí)如果要退出接收狀態(tài)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài),需要通過(guò)相應(yīng)寄存器設(shè)置強(qiáng)制關(guān)閉接收模塊。為了對(duì)BK5822接收的信號(hào)進(jìn)行更好的解調(diào)和解碼,BK5822內(nèi)部集成了一個(gè)AGC(自動(dòng)增益控制),實(shí)現(xiàn)接收鏈路增益的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

  喚醒模塊(請(qǐng)做粗宋):對(duì)14KHz方波進(jìn)行檢測(cè),檢測(cè)到N個(gè)方波后,BK5822給出喚醒中斷信號(hào)。這里的N可由用戶設(shè)定,范圍是1~16。BK5822內(nèi)部集成了帶通的鑒頻器,實(shí)現(xiàn)10KHz~20KHz范圍內(nèi)的方波能夠產(chǎn)生喚醒中斷,大大減小了誤喚醒的概率。

  系統(tǒng)應(yīng)用分析

  應(yīng)用BK5822設(shè)計(jì)ETC OBU,電路實(shí)現(xiàn)方面十分簡(jiǎn)單,圖3是應(yīng)用BK5822設(shè)計(jì)ETC OBU的系統(tǒng)框圖。從圖可看出,整個(gè)OBU系統(tǒng)主要有兩顆芯片,一個(gè)是主控芯片MCU,另一個(gè)是射頻收發(fā)器BK5822。BK5822的外圍應(yīng)用器件很少,一顆是32.768MHz的晶振,其它主要是匹配電路應(yīng)用的無(wú)源器件。發(fā)射、接收和喚醒部分的匹配電路均采用單端輸出和輸入的結(jié)構(gòu),便于研發(fā)調(diào)試和外圍器件的成本控制。接收和發(fā)射共用一個(gè)微波天線,通過(guò)一個(gè)PIN微波二極管來(lái)控制收發(fā)的切換。微波天線具有圓極化的特性,方向性較強(qiáng),應(yīng)用普通PCB板材實(shí)現(xiàn)的PCB板上印制微波天線,大幅降低了成本。


圖3: 應(yīng)用BK5822實(shí)現(xiàn)的ETC OBU系統(tǒng)框圖 

  主控MCU通過(guò)SPI來(lái)控制射頻收發(fā)器BK5822,從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)OBU的功能。BK5822提供一個(gè)最高速率可達(dá)8MHz的SPI接口,它由四根信號(hào)線組成,分別為MOSI、MISO、CLK和CSN。通過(guò)SPI接口,用戶通過(guò)讀寫寄存器的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和控制。

  實(shí)際應(yīng)用BK5822實(shí)現(xiàn)的OBU,在程序初始化后,一般來(lái)說(shuō),只是通過(guò)兩個(gè)中斷信號(hào)觸發(fā)MCU之后,才與BK5822進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。一個(gè)中斷信號(hào)為喚醒中斷,另一個(gè)為IRQ中斷。IRQ的中斷信號(hào)在接收到數(shù)據(jù)或發(fā)射完數(shù)據(jù)后產(chǎn)生。具體MCU和BK5822的交互流程圖如圖4所示。


圖4: MCU和BK5822交互流程圖