复合通行卡的复位技术

2019-11-16覃毅艺陈圣颖刘咏平

电子技术与软件工程 2019年20期

文/覃毅艺陈圣颖刘咏平

1 引言

智能交通领域，多义性路径识别CPC卡(复合通行卡)用来标识和还原车辆的行驶轨迹，是一种具备5.8GHz与13.56MHz双频无线通信功能的车辆现金缴费电子通行券，车辆在高速公路收费站入口领取CPC卡，CPC卡通过RFID刷卡器激活，车辆经过路径标识单元（RSU）的通讯区域时，RSU将站点信息自动写入CPC卡内，并最终作为车辆缴费凭证在收费站出口车道回收。CPC卡在路上使用年限较长，通常在数年以上，在一般的设计中，基于低功耗的考虑,CPC卡激活后,核心处理器芯片处于低功耗待机状态，受外界微波信号唤醒后进入正常程序,交易流程完成后再重新进入低功耗待机状态,整体的运行过程都是基于软件的控制,一旦受某些外界因素影响，使得卡片程序处于异常状态，将会使得卡片失效，并且无法自修复。所以需要引入一种可靠的外部复位机制，实现硬件自动复位功能，以保证CPC在实际使用过程中的稳定性和可靠性。

2 技术方案内容

2.1 基础原理分析

复位电路是一种用来使微机系统恢复到起始状态的电路设计，是微机电路稳定可靠工作的重要保证。它实现的手段有多种方式：一是在给电路通电时马上进行复位操作，二是在必要时手动操作物理开关，三是根据程序或者电路运行的需要自动地进行。

图1：CPC应用流程

图2：CPC与IC卡读卡器的交互示意图

图3：CPC卡自复位电路设计

CPC卡是一种全密闭结构设计的产品，具备IP7等级防护，产品外壳出厂时就已通过超声焊工艺密闭，无法再正常打开。并且基于低成本的考虑，无法从结构上施加任何物理电子开关，所以通过常规的方式无法实现电路复位的功能，需要结合其特殊的应用场景，巧妙利用RFID信号整流输出中断信号，并通过RC延时效应，对系统电路进行复位。

2.2 CPC卡的典型应用场景分析

CPC是一种支持双频通讯的电子产品，应用于高速公路MTC车辆的收费场景，分别是支持13.56MHz和5.8GHz两种频段的通讯，在收费站内，通过13.56MHZ通讯进行卡片状态配置和路径信息读取，在路段上，通过5.8GHz通讯，进行路径标识。

现金收费车辆在高速公路MTC车道入口时领取CPC卡，车道IC卡读写器同时将入口信息写入CPC卡内。当车辆通过5.8GHz自由流多义性路径识别标识点时，标识RSU向CPC卡内写入路径信息。在车辆到达出口MTC车道时，车主归还CPC卡，车道IC卡读写器读取CPC卡内的入口信息、路径信息和收费信息，收费系统还原车辆行驶路径，并计算通行费，车主缴费后予以放行。

CPC整体应用流程如图1所示。

CPC卡在收费车道入口或出口刷卡激活/休眠的过程中，会通过IC卡读卡器对其进行操作，IC卡读卡器会发射13.56MHz射频信号，操作员将CPC卡放置在读卡器上，CPC卡内部电感线圈通过近场耦合电磁转换的方式，从IC卡读卡器的射频信号中感应电流获取能量，进而完成信息传递的工作。

CPC卡在读卡器上的交互示意图如图2所示。

CPC卡片的线圈在13.56MHZ的频点发生谐振，读卡器的变化磁感线会引起CPC卡电感线圈的磁通发生变化，从而在电感线圈上感生电流，CPC卡获取通讯能量，从而向读卡器传递信息。

2.3 复位电路设计及工作原理

图4：U与uR的时序关系图

图5：实际电路测试信号展示

通过以上分析，并根据CPC的使用场景，我们可以利用用户使用CPC卡激活或者休眠的间隙,当用户每次使用IC卡读卡器操作CPC卡时，在13.56M信号触发的瞬间，通过电路处理，产生一个低电平的复位脉冲，使得MCU复位一次，整体电路设计如图3所示。

D1模组是桥式整流器，是利用二极管的单向导通特性进行全波整流，首先电感线圈从读卡器感应到13.56MHz载波信号，桥式整流器再将13.56MHz载波信号转变为直流电平。即当用户使用读卡器操作CPC卡时，卡片接收到读卡器发出的13.56M信号,该交流信号经过D1整流桥的整流,在INT-1就会输出一个直流电平U。根据CPC卡应用的特性，D1的参数选型要求反向耐压要达到10V以上，并且支持13.56MHz的频率特性。

在直流电平触发的瞬间，电容器C1充电，充电完成后,电容器通过电阻器R4缓慢放电,这样电阻R4的电压uR就形成一个脉冲电平信号。图4是信号模拟时序图，标示了U与uR之间的对应关系。通过调整电容C1容值和R4电阻值的大小,可以调整uR脉冲的最大值和脉冲宽度。

电路设计原理分析如下：

（1）电容器C1充电过程计算：

Vt=V0+（Vu-V0）*[1-exp(-t/RC)]

其中，

V0为电容上的初始电压值；

Vu为电容充满终止电压值；

Vt为任意时刻t，电容上的电压值。

如果，电压为U的电源通过电阻R向初值为0的电容C充电

V0=0，充电极限Vu=U，

故，任意时刻t，电容上的电压为：

Vt=U*[1-exp(-t/RC)]

（2）电阻R的电压uR为：

uR=U-Vt=U-U*[1-exp(-t/RC)]

其中t与U的斜率，也就是与CPC卡靠近读卡器的速度有关，假设收费员手持CPC卡按照一定速度放置在读卡器上，电阻R和电容C的值越大，uR的最大值越接近于U，脉冲的最大值越大。

（3）电容器C1放电过程计算：

如果，初始电压为U的电容C通过R放电

V0=U，Vu=0，任意时刻t，电容上的电压为：

Vt=E*exp(-t/RC)

所以，t=RCLn[E/Vt]

电阻R和电容C的值越大，电容放电时间越长,脉冲宽度越大。

以上exp()表示以e为底的指数；Ln()是e为底的对数。

在调试好电路后，会得到稳定的uR信号值，将uR接到Q1管子（NMOS管）的栅极，根据NMOS管的导通特性，栅极电压大于阈值电压VGS时，NMOS管就会导通。脉冲信号uR每次产生时，都会控制NMOS管Q1完成一次导通过程,NMOS管导通时，把MCU的复位信号Reset拉至低电平0V,从而完成一次微处理器的复位过程。Q1的选型要求VGS低于1.8V，以保证各种条件下的复位功能都可实现。

为了使得NMOS管导通,需要脉冲的最大电平必须高于阈值电压VGS,同时为了保证卡片在读卡器的操作流畅性,必须适当控制微处理器的复位时间,也就是控制脉冲的宽度,因此需要选用合适的C1和R4的值。

2.4 测试及验证

图5是C1选为1uF,R4选为1MΩ的情况下，对设计电路进行实际测试的信号图。将CPC卡放置到读卡器上，通过示波器检测整流输出的信号、NMOS管的栅极信号、微处理器复位信号的电平变化过程。通过图5所示，可以看到实际值与理论分析的情况相近，CPC卡触发的瞬间，整流信号的上升沿会在NMOS的栅极触发一个脉冲信号，脉冲信号控制NMOS管导通，把复位信号下拉至0V，VCC线的下降脉冲就是我们所希望用到的复位信号。

微处理器的复位管脚在收到低电平的下拉信号之后，会强制内部掉电重启软件系统，使得CPC卡在每次进行激活或者休眠操作的时候，都能够对应用程序进行一次复位，从而保证了CPC卡在长期运行使用过程中的稳定性和可靠性。