公共自行車租賃系統(tǒng)混合鎖樁設(shè)計與實現(xiàn)v1

1、分類號UDC密級公開 D-10617-308-(2016)-01227 TP393 621.3重慶郵電大學(xué)公共自行車租賃系統(tǒng)混合鎖樁中文題目設(shè)計與實現(xiàn)Design and Implemenion of英文題目Mixed Lock Pile for Public BicycleRental SystemS130101079學(xué)號姓名工學(xué)學(xué)位類別信息與通信工程學(xué)科專業(yè)指導(dǎo)教師2016 年 6 月 13 日完成日期摘要我國“十三五”規(guī)劃明確“鼓勵自行車綠色出行”，公共自行車租賃系統(tǒng)發(fā)展前景廣闊。我國山西省 XX 市積極推進公共自行車租賃系統(tǒng)建設(shè)，運營中發(fā)現(xiàn)普通自行車在當?shù)販\丘陵地勢上坡騎行。電動助力車

2、具有省時省力的特點，但是系統(tǒng)鎖樁無法智能管理電動助力車充電。因此，研究基于電動助力車的充電鎖樁，并與一期鎖樁混合使用具有重要意義。本文分析了山西省 XX 市一期租賃系統(tǒng)現(xiàn)狀，結(jié)合當?shù)剡\營情況，將電動助力車引入二期租賃系統(tǒng)建設(shè)，在此基礎(chǔ)上提出了租賃系統(tǒng)的整體設(shè)計方案。鎖樁是租賃系統(tǒng)的前端，為實現(xiàn)用戶平穩(wěn)過度，對一、二期鎖樁無縫升級的融合辦法進行研究。根據(jù)混合鎖樁的功能與性能需求，提出混合鎖樁總體設(shè)計方案，并圍繞設(shè)計方案對鎖樁控制器的軟硬件進行詳細設(shè)計。硬件設(shè)計上，為達到通信兼容的目的，選用自帶 CAN 控制器的 STM32 作為主控。按照功能模塊完成電路原理圖和充電鎖樁 PCB 板的設(shè)計，在 P

3、CB 板設(shè)計時考慮器件布局布線和電磁干擾的預(yù)防。軟件設(shè)計上，結(jié)合整體結(jié)構(gòu)，在完成開發(fā)的搭建和驅(qū)動移植的基礎(chǔ)上，制定通信協(xié)議，并引入管理；同時，詳細設(shè)計了鎖樁更新和租還車流程。當租車或還車過程中出現(xiàn)故障情況時，鎖樁將啟動異常處理流程。最后，本文對鎖樁進行詳細測試。根據(jù)設(shè)計需求搭建測試，測試硬件電路和功能；搭建小規(guī)模并發(fā)測試，測試 CAN 總線性能。通過現(xiàn)場系統(tǒng)試運營測試，分析并解決了接地和天線調(diào)諧關(guān)鍵問題，表明鎖樁軟件及硬件設(shè)計滿足運營要求。：公共自行車，STM32，鎖樁，CAN 總線AbstractIt is clearly sedt green travel by bike should b

4、e encouragedhe 13th Five-Year Plan in our country, The development prospects of the rental system of public bicycleis broad. The construction of public bicycle rental system is promoted by a city in Shanxiprovince actively. However, it is foundt common bicycles are difficult to riding inlocal hilly

5、area. Although the electric bicycles are time-saving and effort-saving, the lockpile can not manage the charging problem of electric bicycleselligently. Therefore, theresearch on mixing the controller of lock pistage lock pile has great significance.ased on electric bicycles with theThis thesisyzes

6、the current situation of the-stage rental system of a city inShanxi province. Combined with the local operation, the electric bicycles areroducedo the construction in second-stage rental system, meanwhile a holistic design of therental system is proed. Lock pile is the leading end of the system, so

7、the fumethods of theand second stage system for seamlepgrade are also investigated.According to the requirement of Functional and Performance, the design scheme of mixedlock pile is proed, and the lock pile controller of the hardware and software aredesigned in detail. For the pure of compatibility

8、communication in the hardwaredesign, the hardware chip STM32 iected for the master chip. The circuit schematicand the pred circuit board of charging lock pile are designed according to the functionmodules. For the while of designing the board, wiring layout and preventingelectromagneticerference are

9、 also considered.he software design, combined withthe Overall structure of Software platform, the communcation protocols are designedupon the development platform, then the management of information security isroduced. Simultaneously, the pros of the remote update and renting car are designedin deta

10、il. When the fault condition is occurred during the car rental, exception prostarts automatically.singFinally, the lock pile is tested in details. The hardware and the software design of thelock pile are tested by laboratory testing platform. CAN bus performance is tested bysmall-scale concurrent te

11、st platform. The key to the questionst grounding and antennatuning areyzed and are solved through the system trial operation. The test resultsindicatet the design of software and hardware of lock pile can meet the operationrequirements.Keywords: public bicycle, STM32, lock pile, CAN bus目錄圖錄IX表錄XIII注

12、釋表XV第 1 章 緒論11.11.21.31.4研究背景及意義1國內(nèi)外發(fā)展狀況2研究內(nèi)容3章節(jié)安排4第 2 章 公共自行車租賃系統(tǒng)鎖樁控制器研究與分析72.1租賃系統(tǒng)研究與分析7基于有樁的租賃系統(tǒng)7基于無樁的租賃系統(tǒng)8現(xiàn)有租賃系統(tǒng)研究9租賃系統(tǒng)整體方案11租賃系統(tǒng)鎖樁控制器研究與分析132.22.2.12.2.2鎖樁控制器分析13鎖樁無縫升級研究14研究16射頻識別技術(shù)16數(shù)據(jù)加密技術(shù)17更新技術(shù)172.32.3.12.3.22.3.32.4本章小結(jié)18第 3 章 租賃系統(tǒng)混合鎖樁總體設(shè)計19混合鎖樁需求分析19鎖樁控制器功能需求19鎖樁控制器性能指標203.23.3鎖樁控制器總體方案設(shè)計2

13、1鎖樁控制器硬件總體設(shè)計223.3.13.3.23.3.33.3.4鎖樁硬件整體結(jié)構(gòu)設(shè)計22充電方式選型23通信方式選型24主要選型25總體設(shè)計26整體流程26錯峰控制設(shè)計27通信協(xié)議設(shè)計273.43.4.13.4.23.4.33.5第 4 章4.14.2本章小結(jié)28混合鎖樁硬件設(shè)計29混合鎖樁硬件詳細設(shè)計29鎖樁硬件電路設(shè)計304.2.14.2.24.2.34.2.44.2.54.2.64.2.74.2.8鎖樁最小系統(tǒng)設(shè)計30射頻識別模塊31CAN 總線通信模塊33PSAM 智能卡接口模塊34模塊設(shè)計35串口通信模塊設(shè)計35語音模塊設(shè)計36鎖止器控制模塊設(shè)計374.3PCB 設(shè)計分析38PC

14、B 布局設(shè)計38PCB 板電磁干擾設(shè)計39本章小結(jié)404.4第 5 章5.15.2混合鎖樁分析與設(shè)計41整體結(jié)構(gòu)41鎖樁開發(fā)搭建425.2.1 STM32 開發(fā)搭建425.2.2 底層驅(qū)動移植43通信協(xié)議設(shè)計475.3.1 CAN 總線幀格式設(shè)計475.35.3.2串口幀格式設(shè)計49管理設(shè)計51M1 卡密鑰管理設(shè)計52CPU 卡讀寫設(shè)計545.45.4.15.4.25.5混合鎖樁流程設(shè)計565.5.15.5.25.5.35.5.45.5.5更新流程56租車流程59還車流程60異常處理61錯峰啟動625.6本章小結(jié)63第 6 章 混合鎖樁測試與驗證656.1鎖樁硬件測試656.1.16.1.26

15、.1.3硬件電路測試65硬件高低溫測試69鎖樁功耗測試706.2功能與性能測試716.2.16.2.26.2.3內(nèi)測72小規(guī)模并發(fā)測試74系統(tǒng)上線測試766.3測試關(guān)鍵問題和解決辦法776.3.1接地786.3.2 天線調(diào)諧79本章小結(jié)836.4第 7 章 總結(jié)與展望857.1 全文總結(jié)857.2 展望85參考文獻87附錄 A附錄 B附錄 C硬件部分電路圖和 PCB91現(xiàn)場實物圖95鎖樁關(guān)鍵代碼97致謝101攻讀學(xué)位期間從事的科研工作及取得的成果103圖錄圖 2.1圖 2.2圖 2.3圖 2.4圖 2.5圖 2.6圖 2.7圖 2.8圖 3.1圖 3.2圖 3.3圖 3.4圖 3.5圖 3.6

16、圖 4.1圖 4.2圖 4.3圖 4.4圖 4.5圖 4.6圖 4.7圖 4.8圖 4.9有線傳輸公共自行車租賃系統(tǒng)結(jié)構(gòu)8基于 ZigBee 的公共自行車租賃系統(tǒng)結(jié)構(gòu)9現(xiàn)有公共自行車租賃系統(tǒng)結(jié)構(gòu)10公共自行車租賃系統(tǒng)框圖12現(xiàn)場鎖樁實物圖14獨立布局15混合布局15天線等效電路16鎖樁整體設(shè)計方案21鎖樁硬件整體設(shè)計框圖22ADC 采樣的充電設(shè)計結(jié)構(gòu)23模塊化充電結(jié)構(gòu)24鎖樁整體流程26CAN 總線標準幀結(jié)構(gòu)28充電鎖樁硬件詳細設(shè)計框圖29電源電路30FM1702SL 硬件連接圖31天線設(shè)計33濾波電路33CAN 總線收發(fā)器設(shè)計34PSAM 智能卡接口電路35FLASH模塊硬件連接圖35顯示板

17、與充電板串口通信設(shè)計36圖 4.10圖 4.11圖 4.12語音模塊硬件連接圖37鎖止器控制電路38鎖樁 PCB 布局39圖 4.13圖 4.14圖 5.1鎖樁 PCB 板39天線 PCB 設(shè)計40整體結(jié)構(gòu)41圖 5.2圖 5.3圖 5.4圖 5.5圖 5.6圖 5.7圖 5.8圖 5.9Keil 開發(fā)環(huán)境42SST25VF040B 時序圖43FM1702SPI 時序圖44M1 卡操作流程45STM32 與 PSAM 卡連接圖46智能卡程序設(shè)計流程46CAN 通信協(xié)議幀結(jié)構(gòu)48SDU 幀頭結(jié)構(gòu)49圖 5.10圖 5.11圖 5.12圖 5.13圖 5.14圖 5.15圖 5.16圖 5.17圖

18、 5.18圖 5.19圖 5.20PDU 幀頭結(jié)構(gòu)49串口通信幀結(jié)構(gòu)50命令體結(jié)構(gòu)51擴展應(yīng)用文件結(jié)構(gòu)54CPU 卡操作流程55CPU 卡雙向認證過程56FLASH 規(guī)劃57更新整體流程58租車流程60還車流程61鎖樁啟動順序62圖 6.1圖 6.2圖 6.3圖 6.4圖 6.5圖 6.6圖 6.7測試點物理位置66時鐘信號測試66充電板測試.67充電板指令的發(fā)送與接收68鎖止器開關(guān)鎖69高低溫測試圖69功能測試連接圖72圖 6.8測試環(huán)境73圖 6.9 租還車功能測試73圖 6.10圖 6.11圖 6.12圖 6.13圖 6.14圖 6.15圖 6.16圖 6.17圖 6.18圖 6.19功

19、能測試數(shù)據(jù)74小規(guī)模測試環(huán)境75性能測試數(shù)據(jù)75并發(fā)測試數(shù)據(jù)76現(xiàn)場測試環(huán)境77租車時間對比77鎖樁板與鎖止器燒毀實物圖78充電孔78調(diào)試的搭建79天線參數(shù)調(diào)諧流程80表錄表 3.1表 4.1表 4.2表 4.3表 5.1表 5.2表 5.3表 6.1表 6.2表 6.3表 6.4表 6.5表 6.6表 6.7表 6.8表 6.9通信方式對比25線圈電感與匹配電容取值32CAN 總線收發(fā)器比較34語音比較36CAN 總線速率與通信距離關(guān)系47M1 卡扇區(qū)劃分52M1 卡存取控制參數(shù)設(shè)置53電源電壓測量結(jié)果66電池電壓與容量百分比68. 70鎖樁功耗測試鎖樁功耗71天線參數(shù)80Cs 參數(shù)測試列表

20、81Cp 參數(shù)測試列表81大天線 Cs 參數(shù)調(diào)諧大天線 Cp 參數(shù)調(diào)諧. 82. 82表 6.10 天線參數(shù)83注釋表ADC APB2 APDU ARM API CAN CPU CRC DAC FIFO IAP ICID JTAG LCD LSB M1 MSB PCB PDUPSog to Digital Converter，模擬數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器 Advanced Peripherals Bus，高性能外設(shè)總線 ApplicationProtocolDataUnit，應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元Advanced RISC Machines，精簡指令集計算機Application Programmingerf

21、ace，應(yīng)用程序編程接口Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)Central ProsingUnit，處理器Cyclic Redundancy Check，循環(huán)冗余碼校驗Digital toInputogConverter，數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器Output，先入先出In Application Programming，應(yīng)用編程egrated Circuit，集成電路Identity，標識號碼JoTest Action Group，聯(lián)合測試工作組Liquid Crystal Display，液晶顯示器 Least Significant Bit，最低有效位 Mifare1，非接觸

22、式Most Significant Bit，最高有效位Pred Circuit board，印刷電路板Protocol Data Unit，協(xié)議數(shù)據(jù)單元urchase Secure Acs Module，銷售點終端安全存取模塊Ipulse Width Modulation，脈沖寬度調(diào)制 Radio Frequency Identification，射頻識別Service Data Unit，服務(wù)數(shù)據(jù)單元RFID SDU SPITTLSerial Peripheralerface，串行外設(shè)接口Transistor Transistor Logic，邏輯電平USBUniversal Serial

23、Bus，通用串行總線第1章 緒論1.1 研究背景及意義隨著我國經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，環(huán)境問題也日益凸顯，快速增長的車在提高居民生活水平的同時，不可避免的造成了交通擁堵、交通事故增多、空氣噪聲污染等諸多問題。2016 年 3 月，環(huán)境問題和交通擁堵再次納入議程，我國“十三五”規(guī)劃明確“公共交通優(yōu)先”、“鼓勵自行車綠色出行”，城市公共交通的重要性日益凸顯。但是公共交通體系存在短板，其布局和線路規(guī)劃無法覆蓋城市每一1。公共自行車租個角落，在公共交通系統(tǒng)的末端存在出行“最后”賃系統(tǒng)是城市公共交通系統(tǒng)的重要組成部分，是一種智能化的城市公共慢行交通系統(tǒng)2，在城市發(fā)展過程中扮演的角色越發(fā)重要，已經(jīng)成為城市基礎(chǔ)交通

24、建設(shè)中不可或缺的一環(huán)，其發(fā)展也越來越受到人們的關(guān)注。建立城市公共自行車租賃系統(tǒng)，充分利用自行車靈活便捷的特點，實現(xiàn)與公共交通的無縫街接，彌補城市公共交通。有利于城市居民的日常出行效率，緩解因快速城鎮(zhèn)化而帶來的城市擁堵、空氣污染、能源稀缺等問題。在完善整個公共交通系統(tǒng)的同時，為居民解決出”的難題3。行“最后公共自行車租賃系統(tǒng)是指為滿足市民日常出行為目的，或某些社會團體在客流集聚地設(shè)置租還車點，隨時為普通市民提供自行車，并包括與此項服務(wù)相配套的硬件和系統(tǒng)的城市交通系統(tǒng)4。公共自行車作為一種“零污染、零排放”的綠色交通工具，其道路占地小、易存放且低碳、環(huán)保，不受交通擁堵的影響，是緩解交通壓力，減少環(huán)

25、境污染，解決市民出行的有效途徑5。公共自行車在方便市民出行的同時，極大地推動著城市節(jié)能減排。例如：一輛普通自行車日均租用 8 次，每次騎行 3 公里，8000 輛公共自行車騎行距離 8000輛8 次3 公里=192000 公里。每輛車耗油量約 0.06 升/公里，公里行程耗升燃油，全年節(jié)省燃油量 11520 升/天365 天=4204800 升。根據(jù) BP中國碳排放量計算，減排量為 0.627 千克/升，4204800 升燃油量碳減排量4204800 升0.627 千克/升=2636.4096 噸。電動助力自行車是使用清潔能源的交通工具，相對于普通自行車，除了擁有同樣的環(huán)保利益之外，還具有省時

26、省力的特點，所以電動助力自行車相對于普通自行車更受市民歡迎?！肮沧孕熊囓嚬沧孕熊嚒庇行П憬莸剡\轉(zhuǎn)，在方便市民出行的同時，能緩解交通擁堵和降低環(huán)境污染，提高城市品位6, 7。因此，研究設(shè)計便快捷和智能充電管理的公共自行車租賃系統(tǒng)具有重要意義。1.2 國內(nèi)外發(fā)展狀況公共自行車自誕生以來，共經(jīng)歷了三個階段，第一階段被稱為免費自行車系統(tǒng)，于歐洲，自行車停放，免費供人們使用，但是運行效果不盡人意；第二階段為投幣式自行車系統(tǒng)，給自行車加鎖，增加了自行車安全性，以投幣方式租用自行車，由于不限制使用時間，時常出現(xiàn)無車可租的現(xiàn)狀；第三階段為高新技術(shù)支撐的公共自行車租賃系統(tǒng)，自行車停放在特定站點，以押金擔保的

27、方式保證車輛安全，運用計算機、無線通信和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)數(shù)字化管理和運營8。公共自行車系統(tǒng)誕生于 1965 年的荷蘭，大力倡導(dǎo)自行車交通，鼓勵公共自行車與公共交通銜接，部分城市的自行車承擔了 40%的交通壓力，在 4 小時內(nèi)免費騎行，是最早建設(shè)自行車道的國家。丹麥的首都以注重綠色出行而聞名，城市自行車擁有量已超過總?cè)丝跀?shù)，是名副其實的“自行車之城”?！白孕熊嚬蚕怼狈桨笇⒊鞘凶孕熊嚰{入公共自市民使用公共自行車作為交通工具9。行車租賃系統(tǒng)，其中 36%丹麥2007 年創(chuàng)建黎自行車服務(wù)系統(tǒng) Velib 具有世界最高的用戶使用率，僅運營第一年便超過 2 千萬人次使用，年均利潤達 3 千萬凈收益的公共交通

28、項目。，是法國唯一賺取穩(wěn)定我國普及最廣泛的代步交通工具是自行車，公共自行車租賃系統(tǒng)卻起步較晚，直到巴黎推行自行車租賃服務(wù)，公共自行車才逐漸進入國內(nèi)是我國最早出現(xiàn)公共自行車的城市，由于發(fā)展緩慢，沒有推動租賃系統(tǒng)的發(fā)展；杭州于 2008 年試運營公共自行車系統(tǒng)10，建設(shè)服務(wù)網(wǎng)點 61 個，供騎行公共自行車 2500 輛；至 2015年服務(wù)點數(shù)量迅速擴建至 2900 多個，自行車 69750 輛。此外，該地區(qū)將自行車作為一種文化，在“無車日”當日免費騎行公共自行車。江蘇、山東和浙江等省份積極推行公共自行車系統(tǒng)，大力宣揚“低碳出行，綠色環(huán)?！钡摹８鞯丶壋鞘幸布娂娦Х?，山西省太原市于 2012 年成功打

29、造“太原模式”的公共自行車租賃系統(tǒng)；濟南市第十五屆人民第五次會議指示：“2016 年全市建設(shè)公共自行車租賃系統(tǒng)，方便市民出行”；同年 2 月，市中心城區(qū)公共自行車項目獲得批準審定和實施。去年年底以“互聯(lián)互通、共享共治”為的世界互聯(lián)網(wǎng)大會成功召開，隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”時代的到來，多個城市以移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)推出了“掃碼租車”的城市公共自行車系統(tǒng)，成功實的發(fā)展11, 12。現(xiàn)多地租賃系統(tǒng)互聯(lián)互通，推動“”1.3研究內(nèi)容本課題來源于校企合作項目：“山西省 XX 市公共自行車租賃系統(tǒng)開發(fā)項目”。2013 年 11 月 18 日，一期租賃系統(tǒng)正式投入運營，共建設(shè)站點 130 個，鎖樁 6500個，公共自行

30、車 5000 輛。根據(jù)運營情況的分析，在市中心地帶滿車率為 85%（某站點滿車率高于 75%就認定為此站點租還車），在上下班時段經(jīng)常租還車難的情況，造成這種租還車壓力的主要原因有兩方面。一方面，該地區(qū)屬于丘陵地帶，東西兩頭地勢較高，市民從高至低下滑騎行，自行車一般都停放在成熟中心的平緩地區(qū)；另一方面，在密集區(qū)受到建設(shè)場地的受限，自行車鎖樁的建設(shè)，也是導(dǎo)致租還車難的重要。本文在研究國內(nèi)外公共自行車租賃系統(tǒng)基礎(chǔ)上，分析了山西省 XX 市一期租賃系統(tǒng)現(xiàn)狀。在主城區(qū)淺丘陵地貌，普通自行車上坡騎行，引入電動助力車助力騎行，減少調(diào)度對公共自行車的損壞。在此基礎(chǔ)上，提出了二期公共自行車租賃系統(tǒng)設(shè)計方案。包括

31、管理系統(tǒng)、通信服務(wù)器、站點管理箱、鎖樁和公共自行車，二期規(guī)劃建設(shè)公共自行車站點 95 個，電動助力自行車 3000 輛，電動充電鎖樁 4500個。本課題主要完成租賃系統(tǒng)混合鎖樁的設(shè)計，混合鎖樁包括普通鎖樁和充電鎖樁。本課題主要研究內(nèi)容如下：1. 了解國內(nèi)外公共自行車租賃系統(tǒng)的發(fā)展趨勢及工作原理。熟悉租賃系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，分析混合鎖樁的實現(xiàn)原理，研究本課題，并結(jié)合實際給出租賃系統(tǒng)混合鎖樁的設(shè)計方案。2. 混合鎖樁設(shè)計?；旌鲜芥i樁包括普通樁和充電樁，是基于微處理器的設(shè)計，與站點采用有線的方式通信，用于固定和管理自行車，保障車輛安全。普通自行車與電動助力車均能在混合鎖樁實現(xiàn)射頻卡片交叉租還，對租還操作

32、提供語音提示和界面顯示。其中，充電樁對電動助力車進行電量檢測和充電管理。根據(jù)鎖樁功能需求給出鎖樁各功能模塊硬件設(shè)計方案，完成原理圖的設(shè)計、PCB（PrCircuit Board，印制電路板）的繪制以及制板。ed3.管理。采用性好的 CPU（Central ProsingUnit處理器）卡作為用戶卡，設(shè)計基于 CPU 卡的用戶認證和交易流程，保證用戶和財產(chǎn)安全。利用 M1（Mifare1，非接觸式）卡扇區(qū)密鑰的獨立性，加強卡密鑰管理，將卡密鑰與卡片動態(tài)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，使用動態(tài)密鑰對 M1 卡加密，為 M1 卡的消費提供安全應(yīng)對舉措，保障。4. 混合鎖樁測試。搭建租賃系統(tǒng)測試，根據(jù)系統(tǒng)流程對鎖樁進行整體

33、測試。測試時編寫測試案例，在不同的工作環(huán)境測試系統(tǒng)功能，并給出。1.4 章節(jié)安排本文主要工作是公共自行車租賃系統(tǒng)混合鎖樁的設(shè)計與實現(xiàn)，通過分析當?shù)氐乩憝h(huán)境與騎行，整合并重組原有系統(tǒng)資源，將電動助力車引入租賃系統(tǒng)，提出了混合鎖樁設(shè)計方案。詳細的章節(jié)安排如下：第一章，緒論。介紹本課題研究背景及意義，闡述了國內(nèi)外租賃系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀和本文主要研究內(nèi)容。第二章，公共自行車租賃系統(tǒng)鎖樁控制器的研究與分析。分析一期租賃系統(tǒng)的組成與，提出了二期公共自行車租賃系統(tǒng)設(shè)計方案。在此基礎(chǔ)上，針對本文重點研究的鎖樁控制器提出了無縫升級的融合辦法。第三章，租賃系統(tǒng)混合鎖樁總體設(shè)計。根據(jù)混合鎖樁的設(shè)計需求，給出鎖樁控制器總體

34、設(shè)計方案，重點對充電樁軟硬件進行總體設(shè)計，并結(jié)合設(shè)計需求對主要芯片選型。第四章，混合鎖樁硬件設(shè)計。按照模塊化設(shè)計完成了最小系統(tǒng)與功能模塊電路的詳細設(shè)計，說明了PCB 設(shè)計時的注意事項，給出了IC（ egrated Circuit，集成電路）卡天線 PCB 設(shè)計要點，使其具有良好的性能。第五章，混合鎖樁分析與設(shè)計。首先搭建開發(fā)，移植各功能模塊驅(qū)動；然后定制通信協(xié)議，確保數(shù)據(jù)上行與下行的安全，設(shè)計安全管理機制保證用戶信息與安全；最后詳細介紹用戶租還車流程，利用通信鏈路實現(xiàn)更新。第六章，混合鎖樁測試與驗證。主要完成對硬件的搭建與測試，小規(guī)模內(nèi)測功能，在實際運營環(huán)境測試系統(tǒng)性能，針對測試中的關(guān)鍵問題給

35、出解決辦法，完善設(shè)計方案。第七章，總結(jié)與展望。對本文研究內(nèi)容進行總結(jié)，并對后續(xù)工作進行展望。第2章 公共自行車租賃系統(tǒng)鎖樁控制器研究與分析公共自行車租賃系統(tǒng)作為一種“綠色、低碳、環(huán)?！钡慕煌ㄏ到y(tǒng)，每年都在大力投資建設(shè)，租賃系統(tǒng)成為公共自行車穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。本課題以山西省 XX 市一期系統(tǒng)為基礎(chǔ)，為實現(xiàn)電動助力車的租還車和充電管理，提出了二期公共自行車租賃系統(tǒng)整體方案。分析了原系統(tǒng)鎖樁控制器存在，針對電動助力車的需求，提出混合鎖樁的設(shè)計，通過無縫升級平穩(wěn)過度至混合鎖樁。2.1 租賃系統(tǒng)研究與分析目前的租賃系統(tǒng)已不是簡單的“自行車+租賃”，而是集成眾多先進技術(shù)的創(chuàng)新系統(tǒng)。有基于 485 或 CAN

36、（Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)）總線的開放式鎖樁管理模式13和基于車頭鎖的集中式無樁管理模式14。2.1.1 基于有樁的租賃系統(tǒng)有線傳輸租賃系統(tǒng)的主要組成部分包括鎖樁、站點管理箱和服務(wù)器，鎖樁與站點采用 RS485 或者 CAN 總線等方式實現(xiàn)信息交互，站點作為中轉(zhuǎn)站通過互聯(lián)網(wǎng)上傳至服務(wù)器。有線傳輸公共自行車租賃系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 2.1 所示。在城市特定地區(qū)設(shè)置若干個站點，每個站點下設(shè)若干個鎖樁，采用一車一樁式設(shè)計，一個鎖樁控制著一輛自行車，自行車類型有普通的人力自行車、電動自行車或助力自行車。有線傳輸公共自行車租賃系統(tǒng)工作流程如下：搭建租賃鎖樁、站點、服務(wù)器的通

37、信連接。管理系統(tǒng)新建并配置租賃站點信息，鎖樁向站點主動發(fā)起請求，站點下發(fā)鎖樁狀態(tài)與配置參數(shù)。鎖樁感應(yīng)射頻卡并獲取卡內(nèi)數(shù)據(jù)，根據(jù)擬定的通信規(guī)則請求站點租車鑒權(quán)，鑒權(quán)通過允許用戶租車，租車寫入用戶卡，檢測車輛離開后發(fā)送至站點處理；還車時卡狀態(tài)更改為未租，同時向站點發(fā)送還車。站點對接收的租車和還車刷卡進行臨時，分時段發(fā)送至服務(wù)器；站點將數(shù)據(jù)以界面形式呈現(xiàn)，方便用戶和管理及時查看。設(shè)置若干租賃，提供免費或者象征性的公共自行車，在任意服務(wù)站點通租通還。租賃系統(tǒng)包括租賃和服務(wù)器，其整體結(jié)構(gòu)如圖 2.3 所示。租賃包括鎖樁、站點和公共自行車。公共自行車為普通人力自行車，鎖樁為雙立柱鎖柱，采用一車一樁模塊設(shè)計

38、。鎖樁不僅用于鎖車，還安裝有讀卡裝置和顯示模塊，與站點通過 CAN 總線方式進行用戶信息交互。在鎖車時，將車輛推入鎖樁，讀卡裝置車輛信息和用戶卡片信息，計算借車用時和費用，并通過語音提示操作流程，LCD（Liquid Crystal Display，液晶顯示器）顯示操作狀態(tài)。站點安放在站點管理箱，具有顯示屏、刷卡裝置、鍵盤等設(shè)備，用戶可在站點處查詢租還車狀態(tài)和消費金額等信息。站點通過總線與鎖樁進行數(shù)據(jù)通信，收集車輛和鎖樁信息，并對用戶租還車信息進行分析、處理和轉(zhuǎn)發(fā)。服務(wù)器負責系統(tǒng)數(shù)據(jù)匯集，主要實現(xiàn)租賃站點管理、自行車管理、用戶信息管理、租還車信息統(tǒng)計與分析、車輛調(diào)度等功能。個鎖樁停啟用。鎖樁停

39、用時，只允許用戶還車，不能租車。當站點遭遇停電的突發(fā)情況時，一段時間內(nèi)仍能允許用戶還車。2.1.4 租賃系統(tǒng)整體方案為了滿足當?shù)販\丘陵地勢市民騎行的需要，將電動助力車和充電管理融入租賃系統(tǒng)，實現(xiàn)普通自行車與電動助力車的多樣性租還。本文提出了兩種建設(shè)方案：1. 獨立一期建設(shè)重新搭建租賃系統(tǒng)，與現(xiàn)有系立運行，在過度至二期系統(tǒng)時，需要重新辦理用戶卡，用戶卡無法交替使用。此方案的優(yōu)點：將現(xiàn)有租賃系統(tǒng)與二期系統(tǒng)完全分離，系統(tǒng)搭建容易，無系統(tǒng)兼容性問題；此方案的缺點：數(shù)據(jù)無法共享，獨立使用用戶卡。2. 系統(tǒng)改造升級以現(xiàn)有硬件環(huán)境為基礎(chǔ)，對現(xiàn)有系統(tǒng)升級改造，設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，改進鎖樁與站點功能，設(shè)計充電鎖樁對電

40、動助力車充電。通過升級用戶卡實現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)寫入，達到已發(fā)四萬余張用戶卡重用的目的，節(jié)省發(fā)卡成本。此方案的優(yōu)點：節(jié)省建設(shè)成本，用戶平穩(wěn)過度，不受升級影響；此方案缺點：系統(tǒng)建設(shè)周期長，開發(fā)難度大。綜合分析以上兩種設(shè)計方案，綜合考慮使用、管理難度和成本等，升級改造一期現(xiàn)有系統(tǒng)，整合軟硬件資源屬于最優(yōu)方案。結(jié)合目前租賃系統(tǒng)現(xiàn)狀與建設(shè)方案，提出了本課題公共自行車租賃系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)，如圖 2.4 所示。包括理系統(tǒng)、站點管理箱、鎖樁和公共自行車。下面分別介紹。管1.管理系統(tǒng)服務(wù)器、WEB 服務(wù)器、通信服務(wù)器、管理系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器車輛、租賃業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)組成。服務(wù)器主要負責用戶數(shù)據(jù)的，通訊服務(wù)器是系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸

41、的橋梁，是整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中心；車輛管理多個租賃站點，實現(xiàn)公共自行車的調(diào)度和管理；租賃業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)提供發(fā)卡、充值等日常租賃業(yè)務(wù)。2. 站點管理箱站點管理箱作為鎖樁與管理系統(tǒng)聯(lián)系的橋梁，提供用戶操作和數(shù)據(jù)處理兩部分。用戶操作部分提供用戶日常操作，如查詢、掛失、修改等功能；數(shù)據(jù)處理則提供對管理系統(tǒng)及鎖樁端發(fā)來的數(shù)據(jù)處理功能，包括正常處理與異常處理兩部分，保證數(shù)據(jù)準確可靠。3. 鎖樁鎖樁是租賃系統(tǒng)前端，直接面向租車用戶，提供用戶刷卡區(qū)和顯示界面。還車時負責自行車鎖止，租車時自動開鎖，同時伴有語音提示和屏幕顯示?；旌湘i樁體現(xiàn)在普通樁與充電樁的有機結(jié)合，普通樁由原系統(tǒng)鎖樁經(jīng)升級改造而來，新建鎖樁均為充

42、電樁，充電樁引入充電管理功能，自動管理電動助力車充電。本文重點研究混合鎖樁的設(shè)計與實現(xiàn)，是整個公共自行車租賃系統(tǒng)的前端和數(shù)據(jù)來源，兼?zhèn)渖漕l識別、語音播報、屏幕顯示、車輛鎖止和充電管理功能，具有建立站點時對其自動，站點通過 ID通用性強，擴展性廣的特點。車輛（Identity，標識號碼）標識管理鎖樁。本文所設(shè)計的混合鎖樁是基于有線傳輸?shù)脑O(shè)計，充分利用 CAN 總線的自愈能力，在高通信速率下成功實現(xiàn)大容量節(jié)點的搭建。2.2 租賃系統(tǒng)鎖樁控制器研究與分析2.2.1 鎖樁控制器分析一期系統(tǒng)鎖樁為雙立柱鎖柱，是針對普通自行車的租賃。隨著生活節(jié)奏的加快，普通自行車已經(jīng)市民騎行的需求，將電動助力車融入租賃系

43、統(tǒng)，應(yīng)對當?shù)厍鹆甑貏菔忻裆掀买T行難。普通自行車與電動助力自行車在鎖樁交替使用，雖然普通樁能實現(xiàn)混合自行車的通借通還，但是存在以下難題：1. 充電管理目前，鎖樁只能對普通自行車實施租賃和管理，用戶無法根據(jù)應(yīng)用場景的需要車輛類型。電動助力車具有省時省力的特性，其運營關(guān)鍵是對車輛的充電。鎖樁根據(jù)車輛的電池電量來判斷是否對其充電，若電量飽和則不充電，反之則充電。普通樁能租還電動自行車，卻無法實現(xiàn)電動助力車的充電功能。因此，充電管理是升級普通樁首要解決的難題。2. 用戶感知市民騎行時根據(jù)電池電量預(yù)估車輛騎行距離，距離較遠時租用電量充足的車輛，一期現(xiàn)有鎖樁采用數(shù)碼管按位顯示用戶金額、鎖樁狀態(tài)等信息，基本滿

44、足普通車用戶使用的需要，卻無法實現(xiàn)電量百分比的直觀顯示；語音提示能用戶感知，增加助力車提示語音也是鎖樁設(shè)計考慮之一。3. 車輛安全電動助力車建設(shè)成本相對較大，目前租賃系統(tǒng)采用 M1 卡作為用戶租賃卡和車輛信息卡，卡內(nèi)信息容易被篡改，卡片密鑰管理機制不夠完善，無法保證用戶和車輛，增加了車輛管理的。此外，普通鎖樁固定，管理系統(tǒng)只對單個站點擁有管理能力，無法動態(tài)管理單個鎖樁。圖 2.5 展示了空樁與有車在樁實物圖，鎖樁印制在顯示面板，安裝時根據(jù)物理位置按序布置。圖 2.5 現(xiàn)場鎖樁實物圖針對電動助力車充電管理問題，本文提出了充電解決辦法，設(shè)計充電鎖樁實現(xiàn)充電控制與管理。同時，更改顯示控制，增加語音提

45、示，用戶感知；用戶卡使用 CPU 卡，對原系統(tǒng)中 M1 卡升級加密，保障車輛安全。普通自行車和電動助力車能在普通樁與充電樁交叉借還，電動助力車還入普通樁，普通樁提供車輛管理與控制，與普通車租還方式一致。普通車歸還充電樁，首先充電樁檢測車輛類型，認定為普通車后關(guān)閉電量檢測與充電功能，負責車輛安全管理與租借。用戶卡升級是實現(xiàn)租賃系統(tǒng)平穩(wěn)過度的基礎(chǔ)，保證已發(fā)用戶卡在充電鎖樁正常使用。2.2.2 鎖樁無縫升級研究租賃系統(tǒng)平穩(wěn)過度，不影響當前系統(tǒng)運營，與無縫升級的相互吻合。充電鎖樁是二期系統(tǒng)建設(shè)的目標，充電鎖樁與普通鎖樁在租賃系統(tǒng)混合搭建，實現(xiàn)一期與二期系統(tǒng)相互融合是二期系統(tǒng)建設(shè)的關(guān)鍵。鎖樁是租賃系統(tǒng)的

46、前驅(qū)，普通樁與充電樁的融合是實現(xiàn)用戶平穩(wěn)過度的重點。為了確保用戶信息與安全，不受系統(tǒng)升級影響，達到平穩(wěn)過度的目的，本文提出了兩種融合布局的方案：1. 獨立布局保持原有租賃站點與鎖樁設(shè)施，規(guī)劃建設(shè)二期充電鎖樁與站點，普通鎖樁的站點與充電鎖樁的站點獨立運營，充電站點獨立布局如圖 2.6 所示。獨立布局的優(yōu)點是鎖樁的建設(shè)相對獨立，與站點的通信方式多樣化充電樁對普通樁的干擾；缺點是站點布局受限，充電樁無法均勻分布，用戶還車站點均為普通樁時，電量較低的助力車必須調(diào)度至充電樁充電，增加了調(diào)度任務(wù)。啟充電功能，電量滿時自動斷開充電，充電閾值由站點動態(tài)配置。另一方面，普通車與電動助力車的混合，保留原有普通自行

47、車的使用，應(yīng)對丘陵地勢推行電動助力自行車助力騎行。再者，普通用戶卡與的混合，使用更加安全的作為用戶卡，保障用戶與，原系統(tǒng)用戶卡正常使用。2.3研究用戶與車輛信息于，無線射頻識別技術(shù)通過讀寫用戶信息，用戶使用實現(xiàn)車輛的借還，進而實現(xiàn)無人值守的車輛租還方式。為了確?？ㄆ?，采用數(shù)據(jù)加密技術(shù)對卡內(nèi)數(shù)據(jù)加密。同時，為了降低難度，達到省時省力的目的，站點具備更新鎖樁的能力。下面分別對以上關(guān)鍵技術(shù)進行研究。2.3.1 射頻識別技術(shù)本系統(tǒng)涉及不同類型的讀寫，必須具備識別卡類型的能力，在鎖天線設(shè)計是射頻識別的關(guān)鍵。天線線圈等效電路如圖 2.8樁狹小應(yīng)用環(huán)境，所示16。圖 2.8 天線等效電路此2.4 本章小結(jié)本

48、章首先分析了現(xiàn)有租賃系統(tǒng)屬于有線傳輸方式的設(shè)計，針對系統(tǒng)運營現(xiàn)狀，提出了系統(tǒng)升級改造方案，并詳細介紹本系統(tǒng)整體架構(gòu)；然后針對系統(tǒng)鎖樁存在的問題，提出了混合鎖樁的設(shè)計，即本文研究重點；最后對鎖樁設(shè)計中使用的關(guān)鍵技術(shù)進行研究。第3章 租賃系統(tǒng)混合鎖樁總體設(shè)計公共自行車租賃系統(tǒng)中混合鎖樁的設(shè)計是本文研究的重點，本章主要完成混合鎖樁的整體設(shè)計，實現(xiàn)普通自行車和助力自行車的通借通還。結(jié)合租賃系統(tǒng)應(yīng)用場景，在混合鎖樁需求分析基礎(chǔ)上給出了混合鎖樁設(shè)計的總體方案?；旌湘i樁包括普通鎖樁和充電鎖樁，普通鎖樁主要負責：車輛管理，卡片識別，信息交互，操作顯示；充電鎖樁新增智能化充電管理功能。3.1 混合鎖樁需求分析3

49、.1.1 鎖樁控制器功能需求本系統(tǒng)對山西省 XX 市公共自行車一期租賃系統(tǒng)升級改造，并平穩(wěn)過度至二期系統(tǒng)。鎖樁處于租賃系統(tǒng)前端，是系統(tǒng)平穩(wěn)過度的基礎(chǔ)。原租賃系統(tǒng)鎖樁功能描述如下：正常租還車：實行全天 24 小時運營，用戶隨借隨還。普通用戶卡只能租借普通自行車，擁有租用電動助力自行車的權(quán)限。調(diào)度上下架：車輛根據(jù)車輛使用情況，制定并下達調(diào)度任務(wù)，調(diào)度人員持調(diào)度卡對車輛上下架。鎖樁停啟用：應(yīng)對惡劣天氣，針對某個或多個鎖樁停啟用，鎖樁停用后只允許還車，不能借車。語音播報與屏幕顯示：提示用戶使用車輛的步驟，用戶依據(jù)語音提示借還車。刷卡還車時顯示用戶余額和扣款金額。分時段自動調(diào)節(jié)音量大小與屏幕背光。二期系

50、統(tǒng)鎖樁除兼容一期鎖樁已有功能外，為實現(xiàn)用戶租還方式多樣化，即使用戶還車未刷卡，再次租車時也能自動；用戶卡為時，才擁有租還電動自行車的權(quán)限。此外，對電動助力車提供智能化充電管理功能。根據(jù)混合式鎖樁功能需求分析，本混合鎖樁的設(shè)計應(yīng)具備以下功能：1. 混合鎖樁需要配置和天線，用于識別和讀寫車輛和用戶信息，用戶使用射頻卡租還車。2. 鎖樁與站點采用有線方式通信，充電樁設(shè)計 CAN 總線通普通樁通信方式；口，用于兼容3. 保證停電后鎖樁能夠正常使用，采用 UPS 電源供電，確保鎖樁與站點獨立工作，在停電后一段時間仍能還車。4. 依據(jù)用戶操作音與文字的雙重提示。與流程，定制音頻文件與顯示字幕，給用戶提供聲

51、5. 鎖樁支持用戶刷卡還車和還車不刷卡，做到還車未刷卡用戶的自動識別和消費扣款，不影響正常租車。6. 依據(jù)用戶類型劃分使用權(quán)限，以用戶卡數(shù)據(jù)為基準，普通用戶卡僅能租車一次，管理權(quán)限的調(diào)度卡具有下架多輛自行車的權(quán)限。7. 對站點下所有鎖樁，由站點管理當前鎖樁狀態(tài)與規(guī)模，鎖樁收到站點停啟用命令時，執(zhí)行相應(yīng)操作，由此實現(xiàn)鎖樁動態(tài)管理。3.1.2 鎖樁控制器性能指標混合鎖樁包括普通樁與充電樁，普通樁滿足功能需求，充電樁在滿足功能需求的同時，達到如下性能指標。工作電壓：鎖樁供電電壓：+24V 5%。助力自行車充電電壓：+36V 5%。高溫測試：（-302），2h（低溫低溫測試：（702），2h（高溫）。

52、）。濕度測試：（402），90%-96%，48h（恒定濕熱）。工作溫度：（-105 -405）。讀卡正確率：99.7%，測試租還車 1000 次，成功租還車 997 次。同時租車數(shù) 20 名人。租還車感應(yīng)時間：600ms。讀卡距離（在樁）：10mm。靜態(tài)功耗：6W （24V0.25A）。鎖樁數(shù)量（同一站點）：100 個。鎖樁供電功率（同一站點）：800W。 充電功率：800W。 鎖樁板機械尺寸：100mm100mm。3.2 鎖樁控制器總體方案設(shè)計本文根據(jù)站點處鎖樁無縫升級的整體部署，結(jié)合混合鎖樁在功能與性能的特殊需求，設(shè)計混合鎖樁整體結(jié)構(gòu)，如圖 3.1 所示。模塊工作，具備卡片識別、車輛管理、

53、充電管理、操作提示以及數(shù)據(jù)處理功能?？ㄆ囕v與用戶信息，讀卡設(shè)備獲取卡片數(shù)據(jù)；鎖樁設(shè)備臨時緩存配置信息，控制信息來源于站點，通信模塊接收操作指令，根據(jù)約定的通信協(xié)議，應(yīng)用程序通過協(xié)議規(guī)范與外部通信，傳遞租還車和調(diào)度。鎖樁腔體與外形的工藝設(shè)計，電量板智能充電保護，鎖止器鎖舌控制以及電動助力車無刷無霍爾電機的工作原理是鎖樁設(shè)計的一部分，但并非本文的研究內(nèi)容，本文主要研究鎖樁板的軟硬件設(shè)計。3.3 鎖樁控制器硬件總體設(shè)計3.3.1 硬件整體結(jié)構(gòu)設(shè)計從混合鎖樁總體設(shè)計方案知，混合鎖樁由硬件和兩部分組成。普通樁只針對功能設(shè)計，充電鎖樁包括硬件設(shè)計部分，其硬件整體結(jié)構(gòu)如圖 3.2 所示。無人值守的關(guān)鍵；通

54、過安全模塊對加密、，確保用戶信息和安全；電動助力車嵌入租賃系統(tǒng)的難點是電池充電，電量檢測模塊檢測電池電量，針對環(huán)境溫度智能調(diào)節(jié)充電功率；通信模塊設(shè)計的目的是實現(xiàn)與站點數(shù)據(jù)交互，驗證用戶卡信息的和一致性；提示模塊包括語音和顯示模塊，用戶租還車操作的同時提示操作狀態(tài)；雙立柱鎖樁通過兩鎖棒鎖止自行車，采用主、副方式區(qū)分鎖止器位置；最小系統(tǒng)包括微處理器、時鐘、電源、復(fù)位、電路，以上功能模塊由最小系統(tǒng)控制與管理，共同完成租車、還車、上架、下架功能；直流輸入電源經(jīng)電源轉(zhuǎn)換為模塊供電，是模塊工作的基礎(chǔ)。3.3.2 充電方式選型1. 基于 ADC 采樣的充電設(shè)計基于 ADC（og to Digital Con

55、verter，模擬數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器）采樣的充電設(shè)計方案，充分利用處理器自帶的 ADC 轉(zhuǎn)換器資源，電池正、負兩極經(jīng)過運算放大器輸入 ADC 接口來獲取采樣值，并對采樣值校正，摒棄誤差。按照電池電量與容量的關(guān)系曲線繪制充放電曲線圖，由采樣值計算得出電池容量。此外，處理器自身需要具備門限、充電控制的能力，高于充電閾值時關(guān)閉充電，低于此門限后使能充電。ADC 采樣的鎖樁充電設(shè)計方案如圖 3.3 所示。(1) 鎖樁集成電量檢測與充電控制的同時，硬件設(shè)計上增加自我保護電路，在保護前級（鎖樁板）的同時，避免后級（充電設(shè)計）對前級的影響。(2) 在充電過程中自動檢測環(huán)境溫度，根據(jù)溫度對電池的影響，切合電池狀況

56、調(diào)節(jié)充電方式（恒流恒壓、小電流和（溫度過高或過低，電池自動保護）充電）。2. 基于充電模塊的設(shè)計將充電控制模塊化設(shè)計，規(guī)定鎖樁板與充電模塊的通口。鎖樁通過通口配置高低閾值，由充電模塊對采樣值進行擬合，經(jīng)充放電曲線比對后返回容量百分比，充電模塊比對當前電量與閾值，管理充、掉電。充電模塊化設(shè)計如圖 3.4所示。網(wǎng)絡(luò)吞吐量較低，通信實時性較差，從節(jié)點與從節(jié)點通信難度大。此外，RS485 網(wǎng)絡(luò)中只允許一個主節(jié)點，當主節(jié)點故障時，導(dǎo)致全網(wǎng)故障。CAN 總線采用多主從結(jié)構(gòu)，任意節(jié)點控制器具備網(wǎng)絡(luò)錯誤檢測能力，CAN 節(jié)點故障時，故障節(jié)點自動關(guān)閉，總線其他節(jié)點不受故障節(jié)點影響。CAN 總線與 RS485 現(xiàn)

57、場總線對比如表 3.1所示。表 3.1通信方式對比RS485CAN技術(shù)指標傳輸距離 總線利用率網(wǎng)絡(luò)特性 容錯能力較遠低一主多從無遠 高 多主高CAN 總線與 RS485 現(xiàn)場總線拓撲結(jié)構(gòu)一致，在相同傳輸速率時，CAN 總線傳能力強、總線利用率高等優(yōu)勢19。此外，從通輸距離更遠，具有組網(wǎng)靈活、信方式的兼容性考慮，選用 CAN 總線通信。3.3.4 主要選型在天線設(shè)計上，為達到租車時間現(xiàn)有鎖樁板通過并口控制讀卡，采用單天線設(shè)計，通過繼電器切換大小天線。優(yōu)點：在物理上杜絕大小天線的干擾。缺點：租車時繼電器切換 2 次，導(dǎo)致租車時間延長。本項目設(shè)計中對用戶租車時間提出明確要求，保證租車時間600 毫秒

58、。使天線設(shè)計，通過改寫寄存器切換大小天線，縮短租車時間。本設(shè)計選擇 SP（I Serial Peripheralerface，串行外設(shè)接口）方式控制的 FM1702讀卡，目的在于減少主控引腳資源。該具有工作電壓范圍寬，封裝尺寸小，易于控制特點，非常適合的開發(fā)。3.4 鎖樁總體設(shè)計3.4.1整體流程鎖樁根據(jù)車輛在位情況執(zhí)行租車或還車流程，如圖 3.5 所示。車輛離樁（被用戶借離或調(diào)度下架），用戶或調(diào)度能在空樁歸還車輛；車輛在樁，依據(jù)鎖樁停啟用狀態(tài)設(shè)置鎖樁租車權(quán)限，啟用狀態(tài)下用戶能實現(xiàn)租車操作，停用狀態(tài)下，能由站點啟用并進入租車流程，否則只能處于停用狀態(tài)；在租車或還車過程中出現(xiàn)故障，經(jīng)異常處理向站

59、點上報故障原因，告知維修處理。鎖樁啟用：此狀態(tài)能正常租還車。異常處理：鎖樁處于故障狀態(tài)，主站點上報異常情況。3.4.2 錯峰控制設(shè)計1. 啟動錯峰控制錯峰機制是保障功耗需求的重要，在滿足總功耗的同時，瞬態(tài)功耗也要滿足設(shè)計要求。鎖樁啟動時，同時競爭電源的功率資源，此時，鎖樁功率損耗超過了總功率，出現(xiàn)相互爭搶能量的現(xiàn)象，導(dǎo)致鎖樁工作電壓不穩(wěn)定，站點癱瘓。為此，設(shè)計鎖樁錯峰啟動過程很有必要。為解決上述問題，鎖樁板在啟動時利用錯峰機制（按照某種順序錯開期）依次啟動外設(shè)模塊，錯開時段能量的消耗。2. CAN 總線發(fā)送錯峰控制根據(jù) CAN 總線通信控制協(xié)議的特點與實際運用的需要，確保時期能同時租還車，需要

60、在設(shè)計之初考慮到鎖樁設(shè)計之中。錯峰機制是保障 CAN 總線穩(wěn)定通信的重要，首先需要提高 CAN 總線容錯能力，利用錯峰機制以時間換效率，當 CAN 總線發(fā)生時，延時發(fā)送數(shù)據(jù)，懲罰節(jié)點，延時懲罰時間與鎖樁關(guān)線時，逐位仲裁機制允許高優(yōu)先級節(jié)點發(fā)送報文，高優(yōu)先級鎖樁發(fā)送失敗后給予更高的延時懲罰，進而實現(xiàn)與逐位仲裁機制的時間均衡。3.4.3 通信協(xié)議設(shè)計1. CAN 總線數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議本系統(tǒng)中鎖樁與站點通過 CAN 總線組網(wǎng)，根據(jù) ISO11898（1993）標準，CAN從結(jié)構(gòu)上分為物理層和數(shù)據(jù)鏈路層?？偩€節(jié)點不分主從，在總線空閑時，網(wǎng)絡(luò)上任其他節(jié)點發(fā)送信息，ID 較小節(jié)點具有較高優(yōu)先級，優(yōu)先發(fā)送報時采