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航芯方案 | 针对ETC系统的OBE-SAM模块设计方案


ETC（Electrical Toll Collection）不停车收费是目前世界上最先进的路桥收费方式。通过安装在车辆挡风玻璃上的车载单元与安装在收费站 ETC 车道上的路侧单元之间的微波专用短程通讯，利用计算机联网技术与银行进行后台结算处理，从而达到车辆通过路桥收费站不需停车就能缴纳路桥费的目的。


本文将着重介绍一下ETC系统中的车载单元OBU设备及OBU设备中记录车辆信息和用户信息的ESAM单元。


ETC系统组成及工作原理


ETC系统由前端系统和后台数据库系统组成，总体的架构如下图所示：




前端系统包含安装在汽车挡风玻璃上的车载单元（On Board Unit，简称OBU）、路侧单元（Roadside Unit，简称RSU）以及车道控制器组成，前端应用系统总体架构如下图所示：




以自动栏杆岛内布局模式这种形式的ETC车道为例，介绍一下车辆通行的原理，自动栏杆岛内布局模式如下图所示：




当车辆驶入到ETC天线通信区域时，地感线圈感知车辆到来或离开，并把信号传递给车道控制器，车道控制器控制RSU通过DSRC信号与车辆上的OBU建立通信链路，完成双向认证以及入口/出口信息写入，上传获取到的相关的信息如汽车ID号、车型、车牌号等信息到中心管理系统和数据库中的相应信息进行比较判断，根据不同情况来控制管理系统产生不同的动作，如计算机收费管理系统从该车的账户中扣除此次应交的过路费，或送出指令给其它辅助设施工作。其它辅助设施如：违章车辆摄像系统，自动控制栏杆或其它障碍，交通显示设备（红、黄、绿灯等设备）指示车辆行驶。


OBU系统组成


OBU按用户卡的类型来分类，可以分为双片式OBU和多逻辑通道OBU，双片式OBU的用户卡与ESAM是分开的，会有一张单独的用户卡插入到OBU设备中；多逻辑通道是采用多逻辑通道合成技术把用户卡和ESAM合成到了一个ESAM中。按安装的阶段来分，可以分为前装OBU与后装OBU，前装OBU即在汽车出厂前OBU已经安装好，OBU整机需要通过车规级的认证；后装OBU则是汽车出厂后安装的，没有车规级认证的限制。虽然OBU分类看起来很复杂，但是总体的架构并没有太大的差别，OBU的架构大致如下图（以多逻辑通道OBU为例）所示：




OBU包含主控MCU、ESAM/ICC，RF、蓝牙、电源及一些外围的器件组成。主控MCU实现了OBU的整体逻辑、提供ESAM至RSU信息转发功能。


ESAM逻辑单元，本质是一个安全单元，存储了车辆信息、发行信息等数据，这些数据在满足安全条件下可读可写。


ICC逻辑单元，本质是一个电子钱包卡，分为记账卡和储值卡，记账卡中记有用户ID等基本信息，用户可用此卡在收费车道先行记账，其消费金额将从用户预付的账户中扣除（预付方式），或在之后一并结算（后付方式）；储值卡中有用户在账户中预存的一定金额，卡中记有用户ID和储值信息，用户可用此卡在收费车道直接付款，其消费金额将从卡中扣除，同时从用户预存的账户中扣除。


对于双片式OBU而言， ESAM逻辑单元和ICC逻辑单元是两个单独的器件。而对于多逻辑通道OBU而言，ESAM逻辑单元和ICC逻辑单元采用了多逻辑通道合成技术合成到了多逻辑通道ESAM一个器件中。


上海航芯，多逻辑通道ESAM


上海航芯针对ETC系统，研发了两款多逻辑通道OBE-SAM产品，型号分别是ACL16-S8A和ACL16-S8B，ACL16-S8A是前装产品，而ACL16-S8B是后装产品。产品的主要特性如下：


• 安全芯片采用32位CPU核


• 支持SM4算法、TDES算法


• 用户区数据存储容量32Kbytes，50万次擦写次数


• 支持ISO/IEC 7816 T=0通信协议


• ISO/IEC 7816接口时钟不高于15MHz，支持多种波特率（外部时钟频率3.57MHz情况下，9.6kbps~223.2kbps）


• 支持多种文件类型，包括二进制文件、定长记录文件、变长记录文件、循环文件


• 支持多种安全访问方式和权限管理


• 产品符合《收费公路联网电子不停车收费技术要求》


• 产品符合《ESAM模块安全评估测试》


• 产品符合《联网电子收费多逻辑通道OBE-SAM模块物理特性测试》


• 安全芯片达到国密二级认证级别


• 安全芯片达到EAL5+认证级别


• 符合车规级AEC-Q100Grade1测试认证(仅ACL16-S8A)