摘要：高性能和低功耗是電子系統發展的必然趨勢，嵌入式系統的功耗越來越受到人們的關注，這一點對于電池供電的便攜式嵌入式系統尤為明顯，在大多數嵌入式系統設計中，性能的提高總是伴隨著系統功耗的增加，解決好二者之間的矛盾，探索低功耗的電源管理技術，提供切實可行的解決方案，將是全球相關行業共同面臨的機遇和挑戰。本文以電子不停車收費系統為基礎，對系統中車載單元提出了一種有效的智能電源管理解決方案。
智能交通系統（IntelligentTransportSystem，簡稱ITS） 研究領域，是未來交通系統的發展方向，其是將先進的信息技術、數據通訊傳輸技術、電子傳感技術、控制技術及計算機技術等有效地集成運用于整個地面交通管理系統而建立的一種在大范圍內、全方位發揮作用的，實時、準確、高效的綜合交通運輸管理系統。
1 ETC系統介紹
電子不停車收費（ElectronicTollCollection，ETC）設計成由路邊讀寫設備（Road Side Unit，簡稱RSU）、車載單元（OnBoardUnit，簡稱OBU）、IC卡、計算機安全控管技術、網絡及賬務等幾大部分組成。
其組成由圖1.1 所示：
圖1. 1 ETC系統組成圖
OBU 中存有車輛的識別信息，如車牌號、汽車ID號，一般安裝于車輛前面的擋風玻璃上，RSU安裝于收費站旁邊，環路感應器安裝于車道地面下。中心管理系統有大型的數據庫，存儲大量注冊車輛和用戶的信息。當車輛通過收費站口時，環路感應器感知車輛，路邊單元發出詢問信號，車載單元做出響應。并進行雙向通信和數據交換，中心管理系統獲取車輛識別、車型等信息并和數據庫中相應信息進行比較判斷，根據不同情況來控制管理系統產生不同的動作。通過路邊單元與車載單元進行相互通信和信息交換，以達到對車輛的自動識別，并自動從該用戶的專用帳戶中扣除通行費，從而實現自動收費。
因為OBU在整個ETC 系統中起著非常重要的作用，而電源模塊的性能直接關系著OBU能否正常工作。現有的OBU供電方式一般有兩種，但各有缺憾。據此，新的低功耗電源設計方法應該產生。
2 低功耗智能電源在電子不停車收費系統中應用設計方案
如OBU這種以嵌入式處理器為核心的系統，其功耗主要由處理器功耗和外圍電路功耗組成。考慮實際的運行情況，汽車在公路上行駛的整個過程中，經過收費站的時間是非常短的，OBU只需要在汽車經過收費站時工作，而且工作時間不到一秒鐘，其他絕大部分時間都不需要工作。OBU智能電源管理采用電池供電的方法，控制OBU 工作在兩種模式，睡眠模式和激活模式；當車進入收費站時，OBU被激活，開始工作，處于激活模式；當交易完成，車離開收費站后，OBU馬上停止工作進入睡眠模式。根據這種特點，對電源采用分級管理的策略，即分為待機電源與工作電源，如圖2.1。
圖2. 1 OBU電源管理分級模塊結構圖
同時，為實現進一步的分時供電控制，工作電源模塊又按功能模塊劃分獨立電源回路，各個模塊電源獨立可控，由主控制器統一協調。
激活的MCU，使用中斷編寫方式，對各個I/O 進行判斷后分時控制，輸出各個耗電模塊的DC/DC使能高電平信號，分時為射頻接收、射頻發送、基帶電路、IC卡讀寫、賬戶管理及人機接口供電；在任一時刻，系統除主控制器外最多只為2 個模塊供電，大大減少了系統的功耗。
摘要：高性能和低功耗是電子系統發展的必然趨勢，嵌入式系統的功耗越來越受到人們的關注，這一點對于電池供電的便攜式嵌入式系統尤為明顯，在大多數嵌入式系統設計中，性能的提高總是伴隨著系統功耗的增加，解決好二者之間的矛盾，探索低功耗的電源管理技術，提供切實可行的解決方案，將是全球相關行業共同面臨的機遇和挑戰。本文以電子不停車收費系統為基礎，對系統中車載單元提出了一種有效的智能電源管理解決方案。
智能交通系統（IntelligentTransportSystem，簡稱ITS） 研究領域，是未來交通系統的發展方向，其是將先進的信息技術、數據通訊傳輸技術、電子傳感技術、控制技術及計算機技術等有效地集成運用于整個地面交通管理系統而建立的一種在大范圍內、全方位發揮作用的，實時、準確、高效的綜合交通運輸管理系統。
1 ETC系統介紹
電子不停車收費（ElectronicTollCollection，ETC）設計成由路邊讀寫設備（Road Side Unit，簡稱RSU）、車載單元（OnBoardUnit，簡稱OBU）、IC卡、計算機安全控管技術、網絡及賬務等幾大部分組成。
其組成由圖1.1 所示：
圖1. 1 ETC系統組成圖
OBU 中存有車輛的識別信息，如車牌號、汽車ID號，一般安裝于車輛前面的擋風玻璃上，RSU安裝于收費站旁邊，環路感應器安裝于車道地面下。中心管理系統有大型的數據庫，存儲大量注冊車輛和用戶的信息。當車輛通過收費站口時，環路感應器感知車輛，路邊單元發出詢問信號，車載單元做出響應。并進行雙向通信和數據交換，中心管理系統獲取車輛識別、車型等信息并和數據庫中相應信息進行比較判斷，根據不同情況來控制管理系統產生不同的動作。通過路邊單元與車載單元進行相互通信和信息交換，以達到對車輛的自動識別，并自動從該用戶的專用帳戶中扣除通行費，從而實現自動收費。
因為OBU在整個ETC 系統中起著非常重要的作用，而電源模塊的性能直接關系著OBU能否正常工作。現有的OBU供電方式一般有兩種，但各有缺憾。據此，新的低功耗電源設計方法應該產生。
2 低功耗智能電源在電子不停車收費系統中應用設計方案
如OBU這種以嵌入式處理器為核心的系統，其功耗主要由處理器功耗和外圍電路功耗組成。考慮實際的運行情況，汽車在公路上行駛的整個過程中，經過收費站的時間是非常短的，OBU只需要在汽車經過收費站時工作，而且工作時間不到一秒鐘，其他絕大部分時間都不需要工作。OBU智能電源管理采用電池供電的方法，控制OBU 工作在兩種模式，睡眠模式和激活模式；當車進入收費站時，OBU被激活，開始工作，處于激活模式；當交易完成，車離開收費站后，OBU馬上停止工作進入睡眠模式。根據這種特點，對電源采用分級管理的策略，即分為待機電源與工作電源，如圖2.1。
圖2. 1 OBU電源管理分級模塊結構圖
同時，為實現進一步的分時供電控制，工作電源模塊又按功能模塊劃分獨立電源回路，各個模塊電源獨立可控，由主控制器統一協調。
激活的MCU，使用中斷編寫方式，對各個I/O 進行判斷后分時控制，輸出各個耗電模塊的DC/DC使能高電平信號，分時為射頻接收、射頻發送、基帶電路、IC卡讀寫、賬戶管理及人機接口供電；在任一時刻，系統除主控制器外最多只為2 個模塊供電，大大減少了系統的功耗。
3 智能電源電路設計及器件選擇
3.1 放大電路設計
從檢波器檢測出來的信號是非常微弱的，可能是幾毫安甚至是微安級的，這么小的信號一般是不能滿足后級各種電路對信號幅度的要求，所以必須要進行放大。運算放大器的靜態電流與帶寬是成正比的，帶寬越大，靜態電流也越大，這一點在各大半導體生產商的選型表中可以明顯的看出；通過比對，為了設計出增益大、噪聲小、又具有一定帶寬的放大器，本設計選擇TLV2382 最為喚醒信號放大器。
圖3. 1 運算放大器單電源供電電路
3.2 低功耗M C U 軟硬件設計
為了實現低功耗，MCU應該選擇自身能耗低的型號，一款超低功耗MCU，主要從以下幾方面綜合考慮：系統平均電流、時鐘系統、中斷、片內外設、BOR 保護、管腳漏電流、處理效率。根據這一特點，本設計選擇了美國德州儀器（TI ） 1996 年開始推向市場的一種16 位超低功耗的混合信號處理器（Mixed SignalProcessor） MSP430 系列單片機。
3.3 系統時鐘的設計
對于一個帶有低電壓睡眠喚醒的系統，晶振的選擇非常重要。這是因為低供電電壓使提供給晶體的激勵功率減少，特別在睡眠喚醒時，造成晶振啟振很慢或根本就不能啟振，而啟動時間過長將會明顯地增加系統的功耗。MSP430F2001 設計的系統可以很好地解決這個問題。
低速時鐘選用12kHz 的VLOCLK，高頻由內部集成的DCO振蕩器產生，可以通過調整的控制參數選擇合適的輸出頻率。
3.4 電源供電的設計
本系統采用2 節干電池作為測試供電，通過電源芯片產生+3.3V的電壓。由于TPS79633 的輸入電壓范圍是2.7~5.5V，使能信號高電平，而且低電平，因而可以直接使用單片機的I/O 管腳作為使能信號。
MCU的工作與否完全由總開關的輸出POW所決定，單片機只在工作與斷電之間轉換。其他I/O 接口作為控制其余模塊的輸出，進行分時控制。
3.5 軟件設計
在降低功耗上必須軟硬件結合才能達到理想的效果。軟件設計主要注意以下方面：
系統采用中斷編寫方式，對各個I/O 進行判斷，分時控制，對每個模塊分時供電，從而降低功耗。其次輸出一個反饋信號，對總開關進行控制，達到斷電的功能。
系統的功耗會隨著系統的頻率升高而增加，在系統開始工作后使用12kHz 的主時鐘可以降低工作時的功耗。
4 結論
嵌入式系統的低功耗設計是嵌入式系統設計中必須考慮的設計原則，一個成功的低功耗設計應該是硬件設計和軟件設計的結合，從硬件設計開始，就應該充分意識到一個低功耗應用的特性，選擇一款合適MCU，通過對其特性的了解，設計系統方案；在軟件設計上，要考慮到低功耗編程的特殊性，并盡量使用單片機的低功耗模式。