MSP430F5xxx 实现高速公路不停车收费系统实时HDLC编解码

本文探讨了使用MSP430F5xxx实现ETC系统中实时HDLC编解码的方法。MSP430F5xxx是TI公司MSP430家族最新产品序列，采用先进的0.18工艺，1MIPS消耗的电流低到了惊人的160uA。同时，F5xx产品都配备了高效灵活的DMA模块，对16bit数据进行搬移只需要2个时钟周期。本文给出了结合F5xx的DMA，TimerA，CRC16及SPI，实现几乎实时的HDLC FM0软解码办法和利用SPI的便捷的FM0编码方法。本文包括相关的两个实例代码。

MSP430介绍

TI公司的MSP430 单片机产品系列具备16-bit RSIC架构，超低功耗。作为MSP430最新产品序列，F5xxx首次采用0.18um工艺，1MIPs消耗的电流低到了惊人的160uA，主频达到25MIPs 。同时，MSP430F5xxx提供了丰富的片上功能模块，例如，硬件的RTC，12-bit ADC，灵活的时钟系统，硬件CRC16，电源管理模块和多通道的灵活强大的DMA，支持待机模式下的数据交换。

高速公路不停车收费系统（ETC）介绍

不停车收费系统(又称电子收费系统Electronic Toll Collection System，简称ETC系统)是利用RFID技术，实现车辆不停车自动收费的智能交通子系统。该系统通过路侧单元RSU（Road Side Unit）与车载电子标签之间OBU（On Board Unit）的专用短程通信，在不需要司机停车和收费人员操作的情况下，自动完成收费处理过程。

ETC车载单元结构

 

 

图 1. ETC OBU结构图

如图一所示，OBU由电池系统，MCU，射频，显示和读卡部分（ESAM卡，CPU卡，射频卡）组成。MCU作为整个系统的中心，负责管理显示，读卡以及与射频部分的数据处理及交换。

FM0编码方式介绍

在车辆通过收费站时，OBU和RSU通过5.8G的载波调制，进行高速的数据交换。数据采用HDLC FM0调制。FM0编码遵循以下三个规则：

A.一个周期内有电平跳变表示”0” ;
B.一个周期内没有电平跳变表示”1”;
C．相邻两个周期电平相反。

数据形式请参考图2

 

 

图 2. FM0编码方式

车载电子标签（OBU）对MCU的挑战

车载电子标签系统对MCU有两个挑战 。一是低功耗；二是高速数据通信能力。
车载电子标签的电池要求有5年以上寿命或者能够支持1万次以上交易。整个系统的低功耗设计成为工程师们的首要任务。其次，RSU对OBU下行数据波特率达到了256Kbps，上行数据波特率512Kbps。由于车辆通行时间非常短，需要OBU对RSU的数据和命令快速响应。而数据包最长能够达到1Kbits，不允许OBU收下整个数据包之后再解码，这要求MCU有实时编解码的能力。
一般情况下，对FM0的软解码需要得到数据的电平宽度，从而实现解码。通常有两种方式，一种是Timer捕获数据沿，然后软件在中断中判断数据沿之间的宽度。另外一种是定时采样数据口线的电平，通过计数方式得到电平宽度。ETC下行数据速率达到256Kbps，对数据“0”来讲，数据跳变沿之间的宽度只有2uS。对数据“1”来讲，数据沿宽度只有4uS。以第一种方式为例，传统的软解码方式过程如下：

 

 

图 3. Timer 捕获中断方式

如图2所示，数据接收过程中，Timer会每2uS或者4uS捕获到一个数据沿，并把数据沿保存到对应寄存器。所以，Timer捕获寄存器里的数据会最快每2uS更新一次。这就需要CPU速度足够快，能够在至少2uS之内完成解码过程。否则，Timer捕获寄存器的数据就会被新的数据覆盖掉，造成解码错误。假设MCU完成1个bit解码的时间需要50个cycle，那么至少需要MCU主频达到25MIPS以上才能实现实时解码。通常，我们会选取主频超过40MIPs的MCU，而这些高速MCU功耗往往难以满足ETC系统的要求。所以，很多ETC生产商采用双MCU的方式，由一颗高速MCU实现FM0实时编解码，另外还有一颗低功耗MCU，通常是MSP430来管理整个系统的功耗。这增加了系统的成本和复杂度。MSP430F5xxx的问世，能够同时满足ETC系统对MCU所有的挑战，解决了客户的困扰。

用F5xxx 片上DMA和TimerA捕获功能实现FM0实时解码的方法

MSP430F5xxx卓越的低功耗特性能够满足ETC OBU的低功耗要求。作为MSP430最新产品序列，F5xxx首次采用0.18um工艺，1MIPs消耗的电流低到了惊人的160uA，片上PMM（电源管理模块）让用户能够根据MCU负荷灵活调节核电压，确保功耗最低。另外，具备多种低功耗状态。在典型的LPM3模式下，打开RTC，RAM数据保持的情况下功耗仅为2uA。