國標ETC中非接觸IC卡部分的設計和實現

文章出處：http://www.nyfzw.net 作者：中國一卡通網 收編   人氣： 發表時間：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，通常被稱為稱不停車收 費。與ETC 對應的是MTC（Manual Toll Collection），即人工收費。人工收費在我國的高 速公路收費占有很大的比重，也比較符合我國的當前國情。當然，我國在人工收費中已經 引入了利用儀器來辨別車型，引入IC 卡來代替原來的現金支付。在計費、打印、匯總和統 計的業務上也利用了計算機管理系統，從而在效率上已經有了一定的提高。隨著我國經濟 的不斷發展和生活水平的提高，交通的流量持續增長，使得交通堵塞和交通事故等負面效 應日趨嚴重。在這個時候引入ETC 的收費方式，可以使得車輛在通過收費站的時候不用停 車或只需減速通過即可自動完成費用的收取。ETC 不僅使得在收費站的單位時間的車輛通 行量大大提高，而且使得收費站工作人員的工作負擔大大降低。由于基于電子設備的自動 操作，收費錯誤以及漏收和逃費的現象也得以減少。ETC 的研究可以追溯到七八十年代。 在九十年代，ETC 已經成為了世界各國交通部門優先發展和應用的先進技術之一。我國在 1995 年從美國引入了一套ETC 系統硬件，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ETC 系統概述

    中國國家質量監督檢驗檢疫總局和中國國家標準化管理委員會于2007 年3 月發布了電 子收費--專用短程通信標準，標準號為GB/T 20851-2007。包括5 個部分：物理層、數據鏈 路層、應用層、設備應用層、物理層主要參數測試方法。在國標中，ETC 系統可以大體分 為前端系統和后臺數據庫系統。前端系統包括車道計算機控制系統、RSU( RoadSide Unit 即路側設備)、OBU (On Board Unit 即車載設備)、以及IC 讀卡器。后臺數據庫則是具有中 心數據庫的分級的數據庫系統。

    3  儲值IC 卡方案

    3.1 車載設備OBU 的組成

    國標中的OBU采用的是雙片式設計，既實現與RSU的信令交互，又具有讀卡器的硬件 功能，能夠實現IC卡的讀寫計費功能。本文的主要研究和設計對象是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）標準。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頻段分配給智能運輸系統技術領域的 短程通信（包括ETC收費系統）。由于國標中的OBU采用了雙片式設計，所以OBU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 線系統和電池供電電路。

    3.2 非接觸IC 卡和讀卡器芯片

    在 ETC 的應用中，IC 卡是交易信息的重要載體。所以在構建ETC 硬件系統特別是車載 硬件部分的時候，IC 卡的采用顯得格外的重要。車輛應用環境有以下特性：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 以應用在汽車相關的其他服務行業，如加油收費、車輛清洗維護，所以不可避免地會有IC 卡的不斷插拔的操作。所以在國標ETC 中我們選擇了非接觸IC 卡。在實現國標ETC 的時 候，我們采用的射頻IC 卡的芯片是由復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，內含加密控制和通訊邏輯電路，具有極高的保密性能?，F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 芯片FM1735。該芯片工作在13.56MHz 的頻率下，完全支持ISO14443 的Type A 和Type B 協議，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省OBU 上CPU 的引腳資源。 

    3.3 IC 卡存儲結構的方案

    FM11RF08SH 芯片EEPROM 容量為1KB，在存儲結構上分為16 個獨立的扇區，編號 從0 到15。每個扇區又劃分為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擁有兩套密鑰的方法，即IC 卡的扇區讀寫認證 是相互獨立的。此射頻卡芯片的EEPROM 的存儲結構如圖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識（Type ID）和序列號存儲在第一個扇區，且被設置為只讀。其次，單位區間的收費標準取決于車 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。在車輛駛入收費區間 入口處的時候，必須在IC 卡內存儲入口信息，在這里稱之為寫標記站。在車輛駛出收費區 間的時候通過讀取標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 額數據。依據國標ETC 的設備應用文檔中數據結構規范，除了零號扇區是IC 卡的自身信息外，我們將車輛信息、標識站信息，電子錢包信息分別用一個扇區來存儲。這樣就有了 一個只讀扇區和三個讀寫扇區。如果以后引入其它應用或此IC 卡在其他場合使用的時候需 要新的存儲空間。可以利用新的EEPROM 扇區擴展。而且由于扇區間的密鑰獨立性，不同 的應用之間不會相互影響。

    4  使用環境和實用分析

    4.1：ETC 服務步驟

    ETC 收費站前端系統的建設可以參照國標ETC 設備應用文檔中的規范。在文檔中，為 了防止不同車道的干擾，RSU 的通信區域的寬度為3.3m，吊裝在車道正中，掛裝高度不得 低于5.5m。根據DSRC 的有效通信范圍，交易區間的長度約為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 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用不同，ETC 的交易流程有很強的時間要求。 例如當射頻卡用在地鐵或一些門禁系統時，用戶可以容忍服務的用時達到數秒之多，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，交易必須在車輛進入通 信范圍到離開通信范圍的這個有限的時間內完成。從上述數據我們可以得出整個收費服務 的持續時間必須控制在700ms 內，根據車流量和車距的一些統計，電子收費的時間控制在 200ms 內是比較理想的。

    在國標 ETC 中，電子收費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備間的驗證以及向IC 卡中寫入入口標識站信息，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識站信息（4）通過后臺計算機計算資費（5）在IC 卡中扣除金額并 抹除標識站信息。（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，越短越好。采用高速的欄桿機是一個 方面。除了機械設備的時間開銷，在交易流程中電子設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 量級，例如在國標中定義OBU 的喚醒時間不超過5ms，即使發生重傳的情況，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 為3ms，包括復位應答和防沖突；讀取一個塊為2.5ms ；認證扇區為2ms ；寫一個塊并讀 取寫入確認為12ms。我們可以看到IC 卡的讀寫操作時間的數量級是最高的，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 卡存儲結構可以統計出各個操作所需要的時間：（1）卡狀態的 識別花費3ms。（2）讀取卡信息，不需認證，需要2.5ms。（3）在國標的交易數據結構 部分規定，標志站為40 字節，需要認證并讀取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）認證并讀取卡內余額需要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，在很短的時間內通過OBU 人機界面提示駕駛員立即轉移到旁邊的 人工收費通道，從而避免了車輛撞壞欄桿設施。 

    在ETC 實際開發中，IC 卡部分設計和實現重要的目標是為系統判定交易成敗提供反饋 信息。首先是如何確定收費成功的時間點，這個點由非接觸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出的載波信號，當IC 卡蓄能達到一定的時候開始工作。IC 卡內余額的扣除有兩個步驟，讀卡器將扣除的金額值發送到IC 卡內的緩存，然后IC 卡計 算余額后將結果寫入EEPROM 相應區域。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，也可以認為扣費 完成。其次，通過IC 卡操作設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致車輛進入通信范圍后沒有立即進入交易流 程。這時可以根據前面的時間開銷和車速計算出一個臨界點，當車輛在臨界點時仍然沒有 進入正常交易流程，交易肯定沒有足夠的時間完成了。所以在車輛駛過臨界點的時候，車 道設備應立即提示駕駛員轉入人工收費（MTC）通道。圖4 顯示的是一個電子交易流程 圖。 

    5  小結和展望

    在最終的實現中，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，該解決方案不僅可以很 好的運行，還可以為以后擴展一些服務提供一定的時間開銷余地。

    本文創新點：基于最新發布的國家標準，結合ETC 這個特殊的應用來設計結構，從實 時性、時間開銷以及保證正確性等角度來研究和指導最后的實現。

    展望：在這里，本文概述了電子收費的研究發展現狀以及我國國標ETC 的系統框架， 重點研究了其前端系統中儲值IC 卡及相應的讀卡器。通過分析電子收費的應用特性以及與 其他IC 卡應用場合的對比，結合相關硬件的選用和組合，在細節上設計和實現了非接觸 IC 卡部分的解決方案。當然，ETC 的關鍵技術還有很多，例如自動車輛識別、自動車型分 類、逃費抓拍系統、收費站管理系統、數據庫系統、安全系統等技術，所以一個完整的 ETC 系統還需要方方面面的研究分析和實現。