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MSP430F5xxx 在高速公路不停車收費系統(tǒng)（ETC）中的應用

摘要： 本文探討了使用MSP430F5xxx實現(xiàn)ETC系統(tǒng)中實時HDLC編解碼的方法,。MSP430F5xxx是TI公司MSP430家族最新產品序列,，采用先進的0.18工藝,，1MIPS消耗的電流低到了驚人的160uA。同時,，F(xiàn)5xx產品都配備了高效靈活的DMA模塊，對16bit數(shù)據(jù)進行搬移只需要2個時鐘周期,。本文給出了結合F5xx的DMA,，TimerA，CRC16及SPI,，實現(xiàn)幾乎實時的HDLC FM0軟解碼辦法和利用SPI的便捷的FM0編碼方法,。本文包括相關的兩個實例代碼,。

關鍵詞： ETC 功耗 ADC 電源管理

Abstract：

Key words :

摘要

本文探討了使用MSP430F5xxx實現(xiàn)ETC系統(tǒng)中實時HDLC編解碼的方法。MSP430F5xxx是TI公司MSP430家族最新產品序列,，采用先進的0.18工藝,，1MIPS消耗的電流低到了驚人的160uA。同時,，F(xiàn)5xx產品都配備了高效靈活的DMA模塊,，對16bit數(shù)據(jù)進行搬移只需要2個時鐘周期。本文給出了結合F5xx的DMA,，TimerA,，CRC16及SPI，實現(xiàn)幾乎實時的HDLC FM0軟解碼辦法和利用SPI的便捷的FM0編碼方法,。本文包括相關的兩個實例代碼,。

MSP430介紹

TI公司的MSP430 單片機產品系列具備16-bit RSIC架構，超低功耗,。作為MSP430最新產品序列,，F(xiàn)5xxx首次采用0.18um工藝，1MIPs消耗的電流低到了驚人的160uA,，主頻達到 25MIPs ,。同時，MSP430F5xxx提供了豐富的片上功能模塊,，例如,，硬件的RTC，12-bit ADC,，靈活的時鐘系統(tǒng),，硬件CRC16，電源管理模塊和多通道的靈活強大的DMA,，支持待機模式下的數(shù)據(jù)交換,。

高速公路不停車收費系統(tǒng)（ETC）介紹

不停車收費系統(tǒng)(又稱電子收費系統(tǒng)Electronic Toll Collection System，簡稱ETC系統(tǒng))是利用RFID技術,，實現(xiàn)車輛不停車自動收費的智能交通子系統(tǒng),。該系統(tǒng)通過路側單元RSU（Road Side Unit）與車載電子標簽之間OBU（On Board Unit）的專用短程通信，在不需要司機停車和收費人員操作的情況下,，自動完成收費處理過程,。

ETC車載單元結構

圖 1. ETC OBU結構圖

如圖一所示，OBU由電池系統(tǒng),，MCU,，射頻，顯示和讀卡部分（ESAM卡，CPU卡,，射頻卡）組成,。MCU作為整個系統(tǒng)的中心，負責管理顯示,，讀卡以及與射頻部分的數(shù)據(jù)處理及交換,。

FM0編碼方式介紹

在車輛通過收費站時，OBU和RSU通過5.8G的載波調制,，進行高速的數(shù)據(jù)交換,。數(shù)據(jù)采用HDLC FM0調制。FM0編碼遵循以下三個規(guī)則：

A.一個周期內有電平跳變表示”0” ;
B.一個周期內沒有電平跳變表示”1”;
C．相鄰兩個周期電平相反,。

數(shù)據(jù)形式請參考圖2

圖 2. FM0編碼方式

車載電子標簽（OBU）對MCU的挑戰(zhàn)

車載電子標簽系統(tǒng)對MCU有兩個挑戰(zhàn) ,。一是低功耗；二是高速數(shù)據(jù)通信能力,。
車載電子標簽的電池要求有5年以上壽命或者能夠支持1萬次以上交易,。整個系統(tǒng)的低功耗設計成為工程師們的首要任務。其次,，RSU對OBU下行數(shù)據(jù)波特率達到了256Kbps,，上行數(shù)據(jù)波特率512Kbps。由于車輛通行時間非常短,，需要OBU對RSU的數(shù)據(jù)和命令快速響應,。而數(shù)據(jù)包最長能夠達到 1Kbits，不允許OBU收下整個數(shù)據(jù)包之后再解碼,，這要求MCU有實時編解碼的能力,。
一般情況下，對FM0的軟解碼需要得到數(shù)據(jù)的電平寬度,，從而實現(xiàn)解碼,。通常有兩種方式，一種是Timer捕獲數(shù)據(jù)沿,，然后軟件在中斷中判斷數(shù)據(jù)沿之間的寬度,。另外一種是定時采樣數(shù)據(jù)口線的電平，通過計數(shù)方式得到電平寬度,。ETC下行數(shù)據(jù)速率達到256Kbps，對數(shù)據(jù)“0”來講,，數(shù)據(jù)跳變沿之間的寬度只有 2uS,。對數(shù)據(jù)“1”來講，數(shù)據(jù)沿寬度只有4uS,。以第一種方式為例,，傳統(tǒng)的軟解碼方式過程如下：

圖 3. Timer 捕獲中斷方式

如圖2所示，數(shù)據(jù)接收過程中，Timer會每2uS或者4uS捕獲到一個數(shù)據(jù)沿,，并把數(shù)據(jù)沿保存到對應寄存器,。所以，Timer捕獲寄存器里的數(shù)據(jù)會最快每2uS更新一次,。這就需要CPU速度足夠快,，能夠在至少2uS之內完成解碼過程。否則,，Timer捕獲寄存器的數(shù)據(jù)就會被新的數(shù)據(jù)覆蓋掉,，造成解碼錯誤。假設MCU完成1個bit解碼的時間需要50個cycle,，那么至少需要MCU主頻達到25MIPS以上才能實現(xiàn)實時解碼,。通常，我們會選取主頻超過40MIPs的MCU,，而這些高速MCU功耗往往難以滿足ETC系統(tǒng)的要求,。所以，很多ETC生產商采用雙MCU的方式,，由一顆高速MCU實現(xiàn)FM0 實時編解碼,，另外還有一顆低功耗MCU，通常是MSP430來管理整個系統(tǒng)的功耗,。這增加了系統(tǒng)的成本和復雜度,。MSP430F5xxx的問世，能夠同時滿足ETC系統(tǒng)對MCU所有的挑戰(zhàn),，解決了客戶的困擾,。

用F5xxx 片上DMA和TimerA捕獲功能實現(xiàn)FM0實時解碼的方法

MSP430F5xxx卓越的低功耗特性能夠滿足ETC OBU的低功耗要求。作為MSP430最新產品序列,，F(xiàn)5xxx首次采用0.18um工藝,，1MIPs消耗的電流低到了驚人的160uA，片上PMM（電源管理模塊）讓用戶能夠根據(jù)MCU負荷靈活調節(jié)核電壓,，確保功耗最低,。另外，具備多種低功耗狀態(tài),。在典型的LPM3模式下,，打開RTC，RAM數(shù)據(jù)保持的情況下功耗僅為2uA,。

除了卓越的低功耗特性外,，MSP430F5xx主頻雖然最高只能達到25MIPS，但由于有靈活的多通道DMA,，能夠與Timer聯(lián)動,，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動搬移而不干擾到CPU,這極大的增強了MCU的數(shù)據(jù)吞吐能力,，使主頻不再成為瓶頸，而完成對FM0近乎實時的解碼,。另外,，硬件的CRC16模塊讓 MCU只需要操作寄存器就可以完成數(shù)據(jù)校驗。利用DMA和CRC16的實時解碼過程如圖4所示：

圖 4. DMA自動數(shù)據(jù)搬移的解碼方式

數(shù)據(jù)接收過程中,，Timer每2uS或者4uS捕獲到一個數(shù)據(jù)沿,，這時會自動觸發(fā)DMA，DMA自動將Timer寄存器的數(shù)據(jù)搬移到RAM區(qū)的指定數(shù)組當中,。整個數(shù)據(jù)接收過程不需要CPU的參與,。有了DMA的存在，CPU就不需要頻繁的進出中斷去取數(shù)據(jù),，也不用擔心Timer捕獲寄存器數(shù)據(jù)的丟失,，只需專注于解碼過程。

圖 5. FM0 DMA方式解碼圖示

解碼過程說明：

1. 待機狀態(tài)：TimerA配置成捕獲模式,，使能TimerA中斷,，等待數(shù)據(jù)到來
2. 捕獲到第一個數(shù)據(jù)沿：在TimerA中斷中使能DMA，使能TimerB及TimerB中斷
3. 數(shù)據(jù)接收：DMA自動將后續(xù)的數(shù)據(jù)沿搬移到內存數(shù)組中,；同時MCU解碼
4. 數(shù)據(jù)結束：TimerB判斷數(shù)據(jù)接收結束
5. 解碼結束