國標(biāo)ETC中非接觸IC卡部分的設(shè)計和實現(xiàn)

文章出處：http://xianjuhong.com 作者：中國一卡通網(wǎng) 收編   人氣： 發(fā)表時間：2011年10月09日

    1  背景

    ETC 的全稱是Electric Toll Collection，意思就是電子收費(fèi)，通常被稱為稱不停車收 費(fèi)。與ETC 對應(yīng)的是MTC（Manual Toll Collection），即人工收費(fèi)。人工收費(fèi)在我國的高 速公路收費(fèi)占有很大的比重，也比較符合我國的當(dāng)前國情。當(dāng)然，我國在人工收費(fèi)中已經(jīng) 引入了利用儀器來辨別車型，引入IC 卡來代替原來的現(xiàn)金支付。在計費(fèi)、打印、匯總和統(tǒng) 計的業(yè)務(wù)上也利用了計算機(jī)管理系統(tǒng)，從而在效率上已經(jīng)有了一定的提高。隨著我國經(jīng)濟(jì) 的不斷發(fā)展和生活水平的提高，交通的流量持續(xù)增長，使得交通堵塞和交通事故等負(fù)面效 應(yīng)日趨嚴(yán)重。在這個時候引入ETC 的收費(fèi)方式，可以使得車輛在通過收費(fèi)站的時候不用停 車或只需減速通過即可自動完成費(fèi)用的收取。ETC 不僅使得在收費(fèi)站的單位時間的車輛通 行量大大提高，而且使得收費(fèi)站工作人員的工作負(fù)擔(dān)大大降低。由于基于電子設(shè)備的自動 操作，收費(fèi)錯誤以及漏收和逃費(fèi)的現(xiàn)象也得以減少。ETC 的研究可以追溯到七八十年代。 在九十年代，ETC 已經(jīng)成為了世界各國交通部門優(yōu)先發(fā)展和應(yīng)用的先進(jìn)技術(shù)之一。我國在 1995 年從美國引入了一套ETC 系統(tǒng)硬件，并在廣東佛山投入使用，此后又在多個省市的 高速公路投入使用。

    2  國標(biāo)ETC 系統(tǒng)概述

    中國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局和中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會于2007 年3 月發(fā)布了電 子收費(fèi)--專用短程通信標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)號為GB/T 20851-2007。包括5 個部分：物理層、數(shù)據(jù)鏈 路層、應(yīng)用層、設(shè)備應(yīng)用層、物理層主要參數(shù)測試方法。在國標(biāo)中，ETC 系統(tǒng)可以大體分 為前端系統(tǒng)和后臺數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。前端系統(tǒng)包括車道計算機(jī)控制系統(tǒng)、RSU( RoadSide Unit 即路側(cè)設(shè)備)、OBU (On Board Unit 即車載設(shè)備)、以及IC 讀卡器。后臺數(shù)據(jù)庫則是具有中 心數(shù)據(jù)庫的分級的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

    3  儲值IC 卡方案

    3.1 車載設(shè)備OBU 的組成

    國標(biāo)中的OBU采用的是雙片式設(shè)計，既實現(xiàn)與RSU的信令交互，又具有讀卡器的硬件 功能，能夠?qū)崿F(xiàn)IC卡的讀寫計費(fèi)功能。本文的主要研究和設(shè)計對象是OBU的IC卡操作。 OBU和RSU之間的無線通信采用的是DSRC（專用短距離通信）標(biāo)準(zhǔn)。1998年5月，我國交 通部ITS中心向交通部無線電管理委員會提出將5.8Ghz頻段分配給智能運(yùn)輸系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域的 短程通信（包括ETC收費(fèi)系統(tǒng)）。由于國標(biāo)中的OBU采用了雙片式設(shè)計，所以O(shè)BU在硬件 上就包括了主CPU芯片和讀卡器芯片。除此之外，還有和RSU以及ICC交互的兩套射頻天 線系統(tǒng)和電池供電電路。

    3.2 非接觸IC 卡和讀卡器芯片

    在 ETC 的應(yīng)用中，IC 卡是交易信息的重要載體。所以在構(gòu)建ETC 硬件系統(tǒng)特別是車載 硬件部分的時候，IC 卡的采用顯得格外的重要。車輛應(yīng)用環(huán)境有以下特性：如車輛在行駛 的時候會有顯著的震動；車輛內(nèi)會有油污和灰塵的污染。除此之外，還要考慮到IC 卡還可 以應(yīng)用在汽車相關(guān)的其他服務(wù)行業(yè)，如加油收費(fèi)、車輛清洗維護(hù)，所以不可避免地會有IC 卡的不斷插拔的操作。所以在國標(biāo)ETC 中我們選擇了非接觸IC 卡。在實現(xiàn)國標(biāo)ETC 的時 候，我們采用的射頻IC 卡的芯片是由復(fù)旦微電子股份有限公司制造的FM11RF08SH 芯 片。該芯片采用CMOS EEPROM 工藝，容量為 1K*8Bits EEPROM，是多用途非接觸式射 頻IC 卡芯片，內(nèi)含加密控制和通訊邏輯電路，具有極高的保密性能?，F(xiàn)在世界上采用的讀 卡器芯片主要是飛利浦的RC5XX 系列芯片。讀卡器硬件上我們選用了兼容RC5XX 的國產(chǎn) 芯片F(xiàn)M1735。該芯片工作在13.56MHz 的頻率下，完全支持ISO14443 的Type A 和Type B 協(xié)議，并有靈活的微處理器接口，特別是SPI 串行的接口形式可以大大節(jié)省OBU 上CPU 的引腳資源。 

    3.3 IC 卡存儲結(jié)構(gòu)的方案

    FM11RF08SH 芯片EEPROM 容量為1KB，在存儲結(jié)構(gòu)上分為16 個獨(dú)立的扇區(qū)，編號 從0 到15。每個扇區(qū)又劃分為4 個塊，塊就是最小的讀寫操作單位。這種芯片之所以會有 極高的保密性能，是因為它采取了每個扇區(qū)擁有兩套密鑰的方法，即IC 卡的扇區(qū)讀寫認(rèn)證 是相互獨(dú)立的。此射頻卡芯片的EEPROM 的存儲結(jié)構(gòu)如圖2 所示。 

    在射頻卡中，由于必須使 IC 卡的每一張都具有唯一性，通常射頻卡的類型標(biāo)識（Type ID）和序列號存儲在第一個扇區(qū)，且被設(shè)置為只讀。其次，單位區(qū)間的收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)取決于車 輛的類型以及用戶的身份，所以IC 卡要有一個空間來存儲這些信息。在車輛駛?cè)胧召M(fèi)區(qū)間 入口處的時候，必須在IC 卡內(nèi)存儲入口信息，在這里稱之為寫標(biāo)記站。在車輛駛出收費(fèi)區(qū) 間的時候通過讀取標(biāo)記站來計算車輛的行駛里程。此外還需要一定的空間來保存IC 卡的余 額數(shù)據(jù)。依據(jù)國標(biāo)ETC 的設(shè)備應(yīng)用文檔中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)規(guī)范，除了零號扇區(qū)是IC 卡的自身信息外，我們將車輛信息、標(biāo)識站信息，電子錢包信息分別用一個扇區(qū)來存儲。這樣就有了 一個只讀扇區(qū)和三個讀寫扇區(qū)。如果以后引入其它應(yīng)用或此IC 卡在其他場合使用的時候需 要新的存儲空間?？梢岳眯碌腅EPROM 扇區(qū)擴(kuò)展。而且由于扇區(qū)間的密鑰獨(dú)立性，不同 的應(yīng)用之間不會相互影響。

    4  使用環(huán)境和實用分析

    4.1：ETC 服務(wù)步驟

    ETC 收費(fèi)站前端系統(tǒng)的建設(shè)可以參照國標(biāo)ETC 設(shè)備應(yīng)用文檔中的規(guī)范。在文檔中，為 了防止不同車道的干擾，RSU 的通信區(qū)域的寬度為3.3m，吊裝在車道正中，掛裝高度不得 低于5.5m。根據(jù)DSRC 的有效通信范圍，交易區(qū)間的長度約為2×6=12m。用戶將所持儲值 IC 卡插入OBU 的讀卡器設(shè)備，在車輛減速通過ETC 站的入口和出口車道的時候，記錄和 付費(fèi)操作都回在OBU 和RSU 的無線通信中完成，無須停車。為了使得用戶在過ETC 收費(fèi) 站的時候有不停車的感覺，即減速通過不能降低到太大速度，車輛的減速通過的速度為 60km/h,即每秒16.7m。與其它一些射頻卡應(yīng)用不同，ETC 的交易流程有很強(qiáng)的時間要求。 例如當(dāng)射頻卡用在地鐵或一些門禁系統(tǒng)時，用戶可以容忍服務(wù)的用時達(dá)到數(shù)秒之多，但是 在ETC 中，RSU 的通信范圍有限，而車輛是以一定的速度行駛的，交易必須在車輛進(jìn)入通 信范圍到離開通信范圍的這個有限的時間內(nèi)完成。從上述數(shù)據(jù)我們可以得出整個收費(fèi)服務(wù) 的持續(xù)時間必須控制在700ms 內(nèi)，根據(jù)車流量和車距的一些統(tǒng)計，電子收費(fèi)的時間控制在 200ms 內(nèi)是比較理想的。

    在國標(biāo) ETC 中，電子收費(fèi)分為入口站和出口站兩個流程。其中入口站的流程比較簡單，需 要完成的主要步驟是設(shè)備間的驗證以及向IC 卡中寫入入口標(biāo)識站信息，所需要的時間也比 出口站交易時間短。以下是儲值式交易出口處流程步驟概要：（1）RSU 和OBU 通信，并 喚醒休眠中的OBU 及讀卡器電路（2）RSU 讀取OBU 信息文件（3）RSU 讀取OBU 上IC 卡的基本信息和入口標(biāo)識站信息（4）通過后臺計算機(jī)計算資費(fèi)（5）在IC 卡中扣除金額并 抹除標(biāo)識站信息。（6）OBU 存儲交易記錄以及休眠。

    4.2 IC 卡操作分析

    交易的時間開銷必須控制在一個精確的范圍內(nèi)，越短越好。采用高速的欄桿機(jī)是一個 方面。除了機(jī)械設(shè)備的時間開銷，在交易流程中電子設(shè)備的時間開銷有三類，一個是通信 時間開銷，第二是芯片計算和Flash 讀寫開銷，第三是IC 卡的讀寫開銷。在國標(biāo)文檔中可 以計算出第一類開銷中，每次通信是幾十到幾百微妙的時間，這個流程加起來是毫秒的數(shù) 量級，例如在國標(biāo)中定義OBU 的喚醒時間不超過5ms，即使發(fā)生重傳的情況，這類時間開 銷也不會大于10ms。第二類的時間開銷與第一類差不多。而IC 卡的讀寫是以塊為單位 的，每次對塊的讀寫都要一定的時間，以下是一些IC 卡操作時間的典型值：識別卡狀態(tài) 為3ms，包括復(fù)位應(yīng)答和防沖突；讀取一個塊為2.5ms ；認(rèn)證扇區(qū)為2ms ；寫一個塊并讀 取寫入確認(rèn)為12ms。我們可以看到IC 卡的讀寫操作時間的數(shù)量級是最高的，所以IC 卡的 操作時間在整個流程時間開銷中占了絕大部分。接下來可以計算出IC 卡的所有操作時間開 銷總和。從上面描述的IC 卡存儲結(jié)構(gòu)可以統(tǒng)計出各個操作所需要的時間：（1）卡狀態(tài)的 識別花費(fèi)3ms。（2）讀取卡信息，不需認(rèn)證，需要2.5ms。（3）在國標(biāo)的交易數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 部分規(guī)定，標(biāo)志站為40 字節(jié)，需要認(rèn)證并讀取3 個塊，需要3×2.5+2=9.5ms。（4）讀取車輛類型信息需要2.5ms（5）認(rèn)證并讀取卡內(nèi)余額需要2.5+2=4.5ms。（6）扣除金額后的寫 入為12ms。（7）抹除入口標(biāo)識站信息需要3×12 =36ms。加上前兩類時間開銷可以計算交 易時間在90ms 到110ms 之間。這樣的交易時間可以保證機(jī)械欄桿按時打開，并且可以在 用戶余額不足的時候，在很短的時間內(nèi)通過OBU 人機(jī)界面提示駕駛員立即轉(zhuǎn)移到旁邊的 人工收費(fèi)通道，從而避免了車輛撞壞欄桿設(shè)施。 

    在ETC 實際開發(fā)中，IC 卡部分設(shè)計和實現(xiàn)重要的目標(biāo)是為系統(tǒng)判定交易成敗提供反饋 信息。首先是如何確定收費(fèi)成功的時間點(diǎn)，這個點(diǎn)由非接觸IC 卡的讀寫原理決定。非接觸 IC 卡的能源來至讀卡器天線發(fā)出的載波信號，當(dāng)IC 卡蓄能達(dá)到一定的時候開始工作。IC 卡內(nèi)余額的扣除有兩個步驟，讀卡器將扣除的金額值發(fā)送到IC 卡內(nèi)的緩存，然后IC 卡計 算余額后將結(jié)果寫入EEPROM 相應(yīng)區(qū)域。對于第二步的操作還有十幾毫秒的時間，IC 卡 可以利用自身的能源完成寫入，所以在第一步完成后，即使IC 卡被拔出，也可以認(rèn)為扣費(fèi) 完成。其次，通過IC 卡操作設(shè)計和分析可以得出理論的最短交易時間。在ETC 工作時， 可能會有DSRC 通信故障或存在其他干擾導(dǎo)致車輛進(jìn)入通信范圍后沒有立即進(jìn)入交易流 程。這時可以根據(jù)前面的時間開銷和車速計算出一個臨界點(diǎn)，當(dāng)車輛在臨界點(diǎn)時仍然沒有 進(jìn)入正常交易流程，交易肯定沒有足夠的時間完成了。所以在車輛駛過臨界點(diǎn)的時候，車 道設(shè)備應(yīng)立即提示駕駛員轉(zhuǎn)入人工收費(fèi)（MTC）通道。圖4 顯示的是一個電子交易流程 圖。 

    5  小結(jié)和展望

    在最終的實現(xiàn)中，加上程序控制的開銷以及一些其他的外界可能的干擾，整個IC 卡的 流程沒有超過150ms 的時間。意味著在200ms 的時間許可范圍內(nèi)，該解決方案不僅可以很 好的運(yùn)行，還可以為以后擴(kuò)展一些服務(wù)提供一定的時間開銷余地。

    本文創(chuàng)新點(diǎn)：基于最新發(fā)布的國家標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合ETC 這個特殊的應(yīng)用來設(shè)計結(jié)構(gòu)，從實 時性、時間開銷以及保證正確性等角度來研究和指導(dǎo)最后的實現(xiàn)。

    展望：在這里，本文概述了電子收費(fèi)的研究發(fā)展現(xiàn)狀以及我國國標(biāo)ETC 的系統(tǒng)框架， 重點(diǎn)研究了其前端系統(tǒng)中儲值IC 卡及相應(yīng)的讀卡器。通過分析電子收費(fèi)的應(yīng)用特性以及與 其他IC 卡應(yīng)用場合的對比，結(jié)合相關(guān)硬件的選用和組合，在細(xì)節(jié)上設(shè)計和實現(xiàn)了非接觸 IC 卡部分的解決方案。當(dāng)然，ETC 的關(guān)鍵技術(shù)還有很多，例如自動車輛識別、自動車型分 類、逃費(fèi)抓拍系統(tǒng)、收費(fèi)站管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、安全系統(tǒng)等技術(shù)，所以一個完整的 ETC 系統(tǒng)還需要方方面面的研究分析和實現(xiàn)。