一种复合通行卡及其通信方法与流程

本发明涉及智能交通领域，具体涉及对通信优化的一种复合通行卡及其通信方法。

背景技术：

多义路径识别系统是高速公路联网收费的一个子系统。高速公路网错综复杂，高速入口和出口之间往往具有不同的路径选择，CPC(Compound Pass Card，复合通行卡)的目的就是判断出车辆的具体形式路径，以实现精确收费，方便高速管理。

它的实现方法是，在存在二异性的道路上架设标识点系统，基于5.8GHzDSRC技术实现ETC车辆和MTC车辆的多义性路径识别。MTC车辆在高速公路入口处领取路径识别卡，即复合通行卡(简称CPC卡)，车辆经过架设在路上的标识点时，标识点天线把路径信息写入到放在车里的CPC上。车辆驶离高速时，在收费站交还CPC卡，系统可读出CPC卡内的入口信息和路径信息，并计算费用。

高速上的车辆具有速度快的特点，经过标识点天线的时间极短，这就对CPC卡与天线的通信距离和通信时间提出了较高的要求。而且车主在领到CPC卡后，有可能会把卡片放在车内任意地方，在座位下方等距前挡风玻璃较远的位置上，对天线信号的衰减较大，并且CPC卡的放置角度是随意的。有鉴于此，CPC卡的微波唤醒和接收需要达到较高的灵敏度，同时CPC卡微波天线的方向图应该做到全向。

目前，集成芯片的技术可以保证CPC的唤醒灵敏度和接收灵敏度，但是微波天线的角度很难做到全向性特别好。

CPC卡属于电池供电设备，平时的休眠功耗很低，在低电流消耗的情况下，集成芯片的唤醒灵敏度(-60dbm)比正常工作时的接收灵敏度(-80dbm左右)差很多。CPC卡上的微波天线是封装在卡片内的，其存在增益优势方向和增益劣势方向，如图4所示为一个封装在CPC卡上的微波唤醒天线示意图，X轴为垂直于天线振子的方向，Y轴为平行于天线振子的方向，该天线在图示的X轴方向以及垂直天线所在平面的Z轴方向接收微波信号的增益较好，为增益优势方向，而在图示的Y轴方向接收微波信号的增益较差，为增益劣势方向(同一天线的增益优势方向和增益劣势方向的灵敏度差值能够达到10dbm以上)。因此，在CPC卡休眠时若存在天线微波信号的衰减较大并且天线微波信号沿着CPC卡增益劣势方向被接收的情况，则可能导致休眠的CPC卡不被唤醒，无法正常进行路径信息通信。因此，相比接收灵敏度而言，如果解决提高CPC卡的唤醒灵敏度，和优化唤醒天线的方向图，更为重要，也更有难度。

为解决上述唤醒灵敏度不高的问题，现有技术方案一是基于集成芯片的接收灵敏度可以达到较高水平设计的。由于接收灵敏度-80db左右的范围，正常工作状态下，即使微波天线的某一面增益较小，也可以满足CPC卡的接收微波信号的要求。因此产生了定时唤醒的方案，即在车主领到CPC卡后，卡上的微波收发芯片便开始每隔一段时间自主唤醒一次，使CPC卡处于正常工作状态，以接收灵敏度去接收微波信号，如果收到微波信号，微波芯片再去唤醒MCU，开启通信的交互。这样，CPC卡以接收灵敏度代替唤醒灵敏度，即使微波天线的增益劣势方向，也可以满足CPC卡高唤醒灵敏度的要求。

该方案的平均功耗较大，且与标识点天线的信号发送间隔有较大关系。因为微波芯片定时唤醒后保持接收的时间必须大于标识点天线的信号发送间隔，才能保证每次定时唤醒都能收到一帧标识点天线的下发数据帧。这样，如果标识点天线的信号发送间隔较大，则CPC卡的功耗会更大。实际测试数据显示，当定时唤醒的间隔是1s，唤醒后保持接收的时间是20ms时，CPC卡的平均功耗大于40uA。又因为电池容量的限制，这样的待机功耗，很难保证CPC卡5年的使用时间。

现有技术方案二则是在唤醒天线经过检波后输出的信号上增加运算放大器电路，使信号增强，再送入微波集成芯片，这样可以提高CPC卡的唤醒灵敏度，保证增益劣势方向也能满足高灵敏度的要求。但这种方法成本高，功耗大，而且CPC卡所有方向的灵敏度都得到了提高，本来满足要求的那个方向上的灵敏度也提高了很多，容易造成误唤醒。

技术实现要素：

针对现有技术中所存在的问题，本发明的目的在于提供一种成本较低、功耗增加较少、PCB布板面积增加较少的复合通行卡及其通信方法，以解决因微波天线接收收益劣势方向和微波信号衰减造成唤醒灵敏度低、全向性差，休眠状态无法正常唤醒进行路径信息通信的问题。

为达到上述发明目的，本发明的技术方案如下：

一种复合通行卡，包括：

第一微波接收唤醒天线，用于以第一角度接收微波信号；

第二微波接收唤醒天线，用于以第二角度接收同一微波信号；

第一检波电路，用于对第一微波接收唤醒天线以第一角度接收的微波信号进行检波；

第二检波电路，用于对第二微波接收唤醒天线以第二角度接收的微波信号进行检波；

微波收发芯片，接收检波后的微波信号，根据微波信号唤醒MCU模块进行通信；

微波收发天线，用于MCU模块进行通信时根据微波收发芯片的信号接收/发送微波信号；

MCU模块，用于在微波收发模块接收到微波信号时进行通信；

所述第一角度的接收增益优势方向弥补所述第二角度的接收增益劣势方向。

进一步地，上述复合通行卡，所述第一检波电路包括第一检波二极管，所述第一检波二极管与所述第一微波接收唤醒天线集成设置；

所述第二检波电路包括第二检波二极管，所述第二检波二极管与所述第二微波接收唤醒天线集成设置。

进一步地，上述复合通行卡，所述第一检波二极管集成在所述第一微波接收唤醒天线的阻抗匹配点上，该阻抗匹配点的阻抗与所述第一检波二极管的输入阻抗共轭匹配；

所述第二检波二极管集成在所述第二微波接收唤醒天线的阻抗匹配点上，该阻抗匹配点的阻抗与所述第二检波二极管的输入阻抗共轭匹配。

进一步地，上述复合通行卡，第一检波电路的输出和第二检波电路的输出直接合为一路后与微波收发芯片的输入连接。

进一步地，上述复合通行卡，第一检波电路的输出和第二检波电路的输出经过运算放大器合路后与微波收发芯片的输入连接。

进一步地，上述复合通行卡，以第一角度接收微波信号的第一微波接收唤醒天线，和以第二角度接收同一微波信号的第二微波接收唤醒天线之间的夹角为60°至120°。

进一步地，上述复合通行卡，以第一角度接收微波信号的第一微波接收唤醒天线，和以第二角度接收同一微波信号的第二微波接收唤醒天线之间的夹角为90°。

进一步地，上述复合通行卡，还包括：

非接线圈，用于驱动MCU检波电路，还用于非接芯片的通信；

非接芯片，用于存储入口信息文件；

MCU检波电路，用于非接线圈离开磁场时唤醒MCU模块，还用于在非接线圈处于磁场中时给电池充电；

MCU模块，还用于被MCU检波电路唤醒时读取非接芯片的入口信息文件，开启/关闭微波收发芯片；

微波收发芯片，还用于响应MCU模块的信号开启或关闭，在开启的状态下根据微波信号唤醒的MCU模块进行通信；

电池模块，用于给MCU模块供电和微波收发芯片供电。

同时，本发明的技术方案还提供了一种复合通行卡的通信方法，用于路径信息的通信，包括以下步骤：

(1)在复合通行卡中设置两个不同角度的微波接收唤醒天线，分别以第一角度和第二角度接收同一微波信号；

(2)第一角度接收的微波信号和第二角度接收的微波信号分别波检后，发送至微波收发芯片；

(3)微波收发芯片根据收到的微波信号唤醒MCU进行通信；

所述第一角度的接收增益优势方向弥补所述第二角度的接收增益劣势方向。

进一步地，第一微波接收唤醒天线和第二微波接收唤醒天线之间的夹角为60°-120°。

更进一步，第一微波接收唤醒天线和第二微波接收唤醒天线之间的夹角为90°。

进一步地，上述复合通行卡的通信方法，第一角度接收的微波信号和第二角度接收的微波信号分别波检后经过运算放大电路整合成一路发送给微波收发芯片。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明通过两个微波接收唤醒天线以不同角度接收标记点天线发送的微波信号，通过相互以信号接收收益优势方向弥补信号接收收益劣势方向的不足，实现唤醒灵敏度的全向性满足；

2、检波二极管与微波接收唤醒天线集成设置，简化了天线和检波二极管匹配电路的设计；

3、检波二极管集成在微波接收唤醒天线的阻抗匹配点，保证天线的阻抗与二极管的输入阻抗共轭匹配，以保证二极管检波效率最大，唤醒灵敏度也最高；

4、两路微波信号直接合路发送给微波收发芯片，输出信号较高者，成本更低，相比背景技术方案的功耗增加较少，PCB布板面积增加较小；

5、通过运算放大器合路的方案能够获得更好的波形输出。

附图说明

图1为本发明复合通行卡一个具体实施例的器件布局图。

图2为本发明复合通行卡一个具体实施例的结构框图。

图3为本发明复合通行卡通信方法的流程图。

图4为复合通行卡的微波接收唤醒天线的结构示意图。

上述附图中，1、第一微波接收唤醒天线；2、第二微波接收唤醒天线；3、第一检波管；4、第二检波管；5、微波收发芯片；6、微波收发天线；7、MCU模块；8、非接线圈；9、非接芯片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

实施例1

如图1和图2所示，本发明提供了一种复合通行卡，适用于高速公路网的多义路径识别系统，其中包括：

第一微波接收唤醒天线1，用于以第一角度接收微波信号；

第二微波接收唤醒天线2，用于以第二角度与第一微波接收唤醒天线接收同一微波信号；

第一检波电路3，用于对第一微波接收唤醒天线以第一角度接收的微波信号进行检波；

第二检波电路4，用于对第二微波接收唤醒天线以第二角度接收的微波信号进行检波；

微波收发芯片5，接收检波后的微波信号，根据微波信号唤醒的MCU模块进行通信；

微波收发天线6，用于MCU模块进行通信时根据微波收发芯片的信号接收/发送微波信号；

MCU模块7，用于在微波收发模块接收到微波信号时进行通信；

所述第一角度的接收增益优势方向弥补所述第二角度的接收增益劣势方向。在本实施例中，实现该第一角度和第二角度增益优势方向互补的一个具体方案是以第一角度接收微波信号的第一微波接收唤醒天线，和以第二角度接收同一微波信号的第二微波接收唤醒天线之间的夹角为90°。而在实际应用时，该夹角可以是60°至120°的任意角度。

在本实施例中，第一微波接收唤醒天线和第二微波接收唤醒天线垂直相交，第二微波接收唤醒天线在Y轴上灵敏度较差，由第一微波接收唤醒天线的X轴灵敏度来弥补，两个天线优势互补。使CPC卡整体的唤醒灵敏度达到最优,实现唤醒灵敏度的全向性满足。实际PCB布局时应注意，两天线之间的距离最好大于半个波长，以减小两个天线之间的干扰(本实施例中两天线之间距离2.5cm以上)。

第一检波电路包括第一检波二极管(如图1所示)，所述第一检波二极管与所述第一微波接收唤醒天线集成设置；第二检波电路包括第二检波二极管，所述第二检波二极管与所述第二微波接收唤醒天线集成设置。这样做的好处是简化了天线和检波二极管匹配电路的设计。

按照常规设计将天线和检波二极管集成，需要将天线和二极管的阻抗分别匹配到50欧姆之后再级联起来。这样，阻抗匹配段会带来额外的插入损耗，降低OBU的唤醒灵敏度。本实施例中，第一检波二极管集成在所述第一微波接收唤醒天线的阻抗匹配点上，该阻抗匹配点的阻抗与所述第一检波二极管的输入阻抗共轭匹配；第二检波二极管集成在所述第二微波接收唤醒天线的阻抗匹配点上，该阻抗匹配点的阻抗与所述第二检波二极管的输入阻抗共轭匹配。这样能够二极管检波效率最大，集成后唤醒灵敏度也最高。

在本实施例中，第一检波电路的输出和第二检波电路的输出直接合为一路后与微波收发芯片的输入连接。第一检波电路和第二检波电路输出的是检波后的低频同相位的波形信号，且由于检波电路输入阻抗高，两信号可以直接叠加，合路后输出的是两信号中的较高者。而由于第一角度和第二角度的增益优势方向和增益劣势方向互补，也就不会产生因同一微波信号同时沿两个角度的增益劣势方向被接收情况，也就是说，本实施例的复合通行卡接收某微波信号时，必定会有一相对较好的微波信号输出给微波收发芯片，从而解决个别方向唤醒灵敏度过低的问题。分别来自两天线的经过检波后的低频信号之间波形和相位相同，幅度不同。同时，检波管的输入阻抗很大，第一检波的输出信号不会流入第二检波电路中，从而不会因为第二检波电路的接入而衰减了本身的输出。同理，第二检波电路的输出也不会受第一检波电路的影响而降低。

除了上述用于与道路标记点天线通信的各个模块，本实施例的复合通行卡还包括：

非接线圈8，用于驱动MCU检波电路，还用于非接芯片的通信；

非接芯片9，用于存储入口信息文件；

MCU检波电路(图1未示出)，用于非接线圈离开磁场时唤醒MCU模块，还用于在非接线圈处于磁场中时给电池充电；

MCU模块，还用于被MCU检波电路唤醒时读取非接芯片的入口信息文件，开启/关闭微波收发芯片；

微波收发芯片，还用于响应MCU模块的信号开启或关闭，在开启的状态下根据微波信号唤醒的MCU模块进行通信；

电池模块(图1未示出)，用于给MCU模块供电和微波收发芯片供电。

本实施例的CPC卡平时处于休眠状态，并将微波收发芯片(SKY6606)掉电(不开启微波唤醒)，使卡片功耗将至最低。MCU检波电路(13.56M)不需要供电，由非接线圈驱动。

当CPC卡处于磁场中时，MCU检波电路输出高电平，可用于给电池模块充电。卡片离开磁场时，MCU检波电路输出低电平，这个电平下降沿信号将MCU模块唤醒，MCU模块被唤醒后，通过7816接口读非接芯片的入口信息文件，判断是否有入口信息，如果有的话，开启并初始化微波收发芯片(SKY6606)，使之工作在微波唤醒状态下；相反，如果没有入口信息，则关闭微波收发芯片(SKY6606)。

在本实施例中，鉴于PCB面积有限，因此采用一个非接线圈的方案兼顾非接芯片的通信、电池模块的充电和MCU模块的唤醒。当然，也可采用两个线圈的技术方案，一个专门用于非接芯片的通信，另一个用于电池模块的充电和MCU模块的唤醒，以降低充电对非接天线的影响。在本实施例中，为便于管理，MCU模块可通过ADC直接检测电池电压，电压值可通过非接读卡器读取，便于工作人员甄别不能正常工作的卡片。

实施例2

本实施例提供的复合通行卡整体构思与实施例1基本相同，不同之处在于第一检波电路的输出和第二检波电路的输出经过运算放大器合路后与微波收发芯片的输入连接。如此，能够实现在CPC卡待机功耗和成本允许的条件下达到更好的波形输出。

本实施例提供的上述复合通行卡进行通信的方法，具体流程如图3所示，包括以下步骤：

在复合通行卡中设置两个不同角度的微波接收唤醒天线，分别以第一角度和第二角度接收同一微波信号，S1；

第一角度接收的微波信号和第二角度接收的微波信号分别波检后，发送至微波收发芯片,S2；

微波收发芯片根据收到的微波信号唤醒MCU进行通信,S3；

所述第一角度的接收增益优势方向弥补所述第二角度的接收增益劣势方向。

当采用实施例2中的复合通行卡时，第一角度接收的微波信号和第二角度接收的微波信号分别波检后还要经过运算放大电路整合成一路才发送给微波收发芯片。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。