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国标ETC中非接触IC卡部分的设计和实现

来源:一卡通世界      作者:胡望城,张卫      2010/9/15 10:44:37

    摘要:随着世界各国电子收费技术的日益成熟以及应用的普及,人们也体验到引入电子收费对交通运输的巨大影响。我国也提出了相应的国家标准。IC卡作为人们日常生活的一个支付手段,同样可以作为电子收费中的储值载体。由于非接触IC更适合车辆环境,所以采用了非接触IC卡以及相应的读卡器。为了适合国标的要求,对其的设计和实现也是整个电子收费系统的一个重要部分。本文从多个方面考虑和设计了结构,并最终实现了这个部分。

  1:背景

  ETC 的全称是Electric Toll Collection,意思就是电子收费,通常被称为称不停车收 费。与ETC 对应的是MTC(Manual Toll Collection),即人工收费。人工收费在我国的高 速公路收费占有很大的比重,也比较符合我国的当前国情。当然,我国在人工收费中已经 引入了利用仪器来辨别车型,引入IC 卡来代替原来的现金支付。在计费、打印、汇总和统 计的业务上也利用了计算机管理系统,从而在效率上已经有了一定的提高。随着我国经济 的不断发展和生活水平的提高,交通的流量持续增长,使得交通堵塞和交通事故等负面效 应日趋严重。在这个时候引入ETC 的收费方式,可以使得车辆在通过收费站的时候不用停 车或只需减速通过即可自动完成费用的收取。ETC 不仅使得在收费站的单位时间的车辆通 行量大大提高,而且使得收费站工作人员的工作负担大大降低。由于基于电子设备的自动 操作,收费错误以及漏收和逃费的现象也得以减少。ETC 的研究可以追溯到七八十年代。 在九十年代,ETC 已经成为了世界各国交通部门优先发展和应用的先进技术之一。我国在 1995 年从美国引入了一套ETC 系统硬件,并在广东佛山投入使用,此后又在多个省市的 高速公路投入使用。

  2:国标ETC 系统概述

  中国国家质量监督检验检疫总局和中国国家标准化管理委员会于2007 年3 月发布了电子收费--专用短程通信标准,标准号为GB/T 20851-2007。包括5 个部分:物理层、数据链 路层、应用层、设备应用层、物理层主要参数测试方法。在国标中,ETC 系统可以大体分 为前端系统和后台数据库系统。前端系统包括车道计算机控制系统、RSU( RoadSide Unit 即路侧设备)、OBU (On Board Unit 即车载设备)、以及IC 读卡器。后台数据库则是具有中 心数据库的分级的数据库系统。

  3:储值IC 卡方案

  3.1 车载设备OBU 的组成

  国标中的OBU采用的是双片式设计,既实现与RSU的信令交互,又具有读卡器的硬件功能,能够实现IC卡的读写计费功能。本文的主要研究和设计对象是OBU的IC卡操作。 OBU和RSU之间的无线通信采用的是DSRC(专用短距离通信)标准。1998年5月,我国交 通部ITS中心向交通部无线电管理委员会提出将5。8Ghz频段分配给智能运输系统技术领域的 短程通信(包括ETC收费系统)。由于国标中的OBU采用了双片式设计,所以OBU在硬件 上就包括了主CPU芯片和读卡器芯片。除此之外,还有和RSU以及ICC交互的两套射频天 线系统和电池供电电路。

图1 双片式OBU结构

图1 双片式OBU结构

  3.2 非接触IC 卡和读卡器芯片

  在 ETC 的应用中,IC 卡是交易信息的重要载体。所以在构建ETC 硬件系统特别是车载 硬件部分的时候,IC 卡的采用显得格外的重要。车辆应用环境有以下特性:如车辆在行驶 的时候会有显著的震动;车辆内会有油污和灰尘的污染。除此之外,还要考虑到IC 卡还可 以应用在汽车相关的其他服务行业,如加油收费、车辆清洗维护,所以不可避免地会有IC 卡的不断插拔的操作。所以在国标ETC 中我们选择了非接触IC 卡。在实现国标ETC 的时 候,我们采用的射频IC 卡的芯片是由复旦微电子股份有限公司制造的FM11RF08SH 芯 片。该芯片采用CMOS EEPROM 工艺,容量为 1K*8Bits EEPROM,是多用途非接触式射 频IC 卡芯片,内含加密控制和通讯逻辑电路,具有极高的保密性能。现在世界上采用的读 卡器芯片主要是飞利浦的RC5XX 系列芯片。读卡器硬件上我们选用了兼容RC5XX 的国产 芯片FM1735。该芯片工作在13.56MHz 的频率下,完全支持ISO14443 的Type A 和Type B 协议,并有灵活的微处理器接口,特别是SPI 串行的接口形式可以大大节省OBU 上CPU 的引脚资源。

  3.3 IC卡存储结构的方案

  FM11RF08SH 芯片EEPROM 容量为1KB,在存储结构上分为16 个独立的扇区,编号 从0 到15。每个扇区又划分为4 个块,块就是最小的读写操作单位。这种芯片之所以会有 极高的保密性能,是因为它采取了每个扇区拥有两套密钥的方法,即IC 卡的扇区读写认证 是相互独立的。此射频卡芯片的EEPROM 的存储结构如图2 所示。

图 2 16 扇区划分示意图

图 2 16 扇区划分示意图

  在射频卡中,由于必须使 IC 卡的每一张都具有唯一性,通常射频卡的类型标识(Type ID)和序列号存储在第一个扇区,且被设置为只读。其次,单位区间的收费标准取决于车 辆的类型以及用户的身份,所以IC 卡要有一个空间来存储这些信息。在车辆驶入收费区间 入口处的时候,必须在IC 卡内存储入口信息,在这里称之为写标记站。在车辆驶出收费区 间的时候通过读取标记站来计算车辆的行驶里程。此外还需要一定的空间来保存IC 卡的余 额数据。依据国标ETC 的设备应用文档中数据结构规范,除了零号扇区是IC 卡的自身信息外,我们将车辆信息、标识站信息,电子钱包信息分别用一个扇区来存储。这样就有了 一个只读扇区和三个读写扇区。如果以后引入其它应用或此IC 卡在其他场合使用的时候需 要新的存储空间。可以利用新的EEPROM 扇区扩展。而且由于扇区间的密钥独立性,不同 的应用之间不会相互影响。

  4:使用环境和实用分析

  4.1:ETC 服务步骤

  ETC 收费站前端系统的建设可以参照国标ETC 设备应用文档中的规范。在文档中,为 了防止不同车道的干扰,RSU 的通信区域的宽度为3。3m,吊装在车道正中,挂装高度不得 低于5。5m。根据DSRC 的有效通信范围,交易区间的长度约为2×6=12m。用户将所持储值 IC 卡插入OBU 的读卡器设备,在车辆减速通过ETC 站的入口和出口车道的时候,记录和 付费操作都回在OBU 和RSU 的无线通信中完成,无须停车。为了使得用户在过ETC 收费 站的时候有不停车的感觉,即减速通过不能降低到太大速度,车辆的减速通过的速度为 60km/h,即每秒16。7m。与其它一些射频卡应用不同,ETC 的交易流程有很强的时间要求。 例如当射频卡用在地铁或一些门禁系统时,用户可以容忍服务的用时达到数秒之多,但是 在ETC 中,RSU 的通信范围有限,而车辆是以一定的速度行驶的,交易必须在车辆进入通 信范围到离开通信范围的这个有限的时间内完成。从上述数据我们可以得出整个收费服务 的持续时间必须控制在700ms 内,根据车流量和车距的一些统计,电子收费的时间控制在 200ms 内是比较理想的。

图 3 RSU 的通信范围

图 3 RSU 的通信范围

  在国标 ETC 中,电子收费分为入口站和出口站两个流程。其中入口站的流程比较简单,需 要完成的主要步骤是设备间的验证以及向IC 卡中写入入口标识站信息,所需要的时间也比 出口站交易时间短。以下是储值式交易出口处流程步骤概要:(1)RSU 和OBU 通信,并 唤醒休眠中的OBU 及读卡器电路(2)RSU 读取OBU 信息文件(3)RSU 读取OBU 上IC 卡的基本信息和入口标识站信息(4)通过后台计算机计算资费(5)在IC 卡中扣除金额并 抹除标识站信息。(6)OBU 存储交易记录以及休眠。

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