基于RFID技術的不停車收費系統(tǒng)設計2003終稿

目錄摘要 2關鍵詞:RFID，不停車收費，智能交通 2Abstract 2Keywords:RFID,ETC,Intelligenttransportation 2第一章緒論 21.1研究背景及意義 21.2不停車收費系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 31.3文章內(nèi)容及結構安排 4第二章基于RFID不停車收費系統(tǒng)的論述 42.1不停車收費系統(tǒng)的概述 42.2不停車收費系統(tǒng)設計的基本原則 52.3不停車收費系統(tǒng)的功能分析和設計 62.4不停車收費系統(tǒng)的工作流程 72.5小結 7第三章射頻識別系統(tǒng)硬件設計 83.1射頻識別技術原理 83.2射頻識別系統(tǒng)的硬件設計 83.3小結 12第四章基于RFID不停車收費系統(tǒng)的軟件流程 124.1ETC電子不停車收費系統(tǒng)總體軟件設計 124.2小結 13第五章總結 13致謝 13參考文獻 13基于RFID技術的不停車收費系統(tǒng)設計電子信息工程周廣洲指導教師黃勇堅摘要：本文首先針對目前所采用的人工收費方式的缺點，研究了基于RFID技術的不停車收費系統(tǒng)，并從功能、組成、應用等方面闡述了系統(tǒng)的架構。其次，研究了射頻識別技術的原理，在此基礎上，給出了一種基于NRF401射頻芯片的射頻系統(tǒng)，并詳細闡述了系統(tǒng)的硬件設計。然后，對不停車收費系統(tǒng)軟件進行了開發(fā)設計,完成了系統(tǒng)軟件總體框架的設計和分析。最后，對全文的工作進行了總結。關鍵詞：RFID，不停車收費，智能交通ThedesignofnostopelectronictollcollectionsystembasedonRFIDtechnologyElectronicguangzhouzhouTutoryongjianhuangAbstractFirstly,aimingatthedisadvantagesofartificialchargingmethodscurrentlyemployed.ThenhaveastudyofthesystemwhichisusedintheElectronicTollCollectionanddesigntheframeworkofthesystemfromthefunction,composition,applicationandsoon.Secondly,introducetheprincipleofRadioFrequencyIdentificationtechnology,onthebasisofthis,presentsasystemofradiofrequencybasedonRFchipNRF401,anddescribesthesystemhardwaredesign.Then,forthedevelopmentanddesignofthesoftwareofnostopelectronictollcollectionsystem,completedthedesignandanalysisoftheoverallframeworkofsystemsoftware.Finally,thepapersummarizesthework.Keywords:RFID,ETC,Intelligenttransportation第一章緒論1引言1.1研究背景及意義智能交通系統(tǒng)(ITS，即IntelligentTransportationSystem)是21世紀現(xiàn)代交通運輸體系的發(fā)展方向，是國家“十五”重點攻關項目。ITS是將先進的信息技術、數(shù)據(jù)通訊傳輸技術、電子控制技術及計算機處理技術等綜合運用于整個交通運輸管理體系。通過對交通信息的實時采集、傳輸和處理，借助各種科技手段和設備，對各種交通情況進行協(xié)調(diào)和處理，建立起一種實時、準確、高效的綜合運輸管理體系，從而使交通設施得以充分利用并能夠提高交通效率與安全，最終使交通運輸服務和管理智能化，實現(xiàn)交通運輸?shù)募s式發(fā)展。ITS的目標和功能包括如下幾個方面:提高交通運輸?shù)陌踩?減少交通堵塞;保持交通暢通;提高運輸網(wǎng)絡通行能力;幫助人們在使用交通時更安全、方便、快捷、舒適;降低交通運輸對環(huán)境的污染程度并節(jié)約能源;提高交通運輸生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效率。與傳統(tǒng)交通運輸水平手段相比，ITS不是單純依靠建設更多的基礎設施、消耗大量資源來實現(xiàn)以上目標和功能，而是在現(xiàn)有或較完善的基礎設施上，將先進的通信技術、信息技術、控制技術等有機的結合起來，綜合應用于整個交通運輸系統(tǒng)，實現(xiàn)其目標和功能。目前國際上公認的ITS的服務領域為以下幾個方面:先進的交通信息服務系統(tǒng)、先進的交通管理系統(tǒng)、電子收費系統(tǒng)、貨運管理系統(tǒng)等[l]。本文主要研究的就是ITS中的重要部分—高速公路電子不停車收費系統(tǒng)(ElectronicTollCollection，簡稱ETC)的設計。通過采取在高速公路范圍內(nèi)不停車收費的非現(xiàn)金交費方式，以及在主線收費站及重要出入口收費站設置不停車收費系統(tǒng)又稱電子收費系統(tǒng)(ElectronicTollcollectionsystem，ETC)車道，不停車收費技術的采用將有效的解決高速公路收費站帶來的交通堵塞問題。ETC技術利用安裝在車內(nèi)微波頻段的電子標簽(無線電收發(fā)器)儲存車輛編號及相關信息，安裝在車道的射頻天線可與該電子標簽及專用無線通信方式交換信息，并對其儲存內(nèi)容進行讀寫操作，這一技術甚至允許車道設備向配備有顯示器的電子標簽發(fā)送交通管理信息，這就使不停車收費系統(tǒng)擁有城市交通管理和控制的潛在能力。射頻識別(RadioFrequencyIdentification，RFID)技術是一種先進的非接觸式自動識別技術，其基本原理是利用射頻信號及其空間耦合、傳輸特性，實現(xiàn)對靜止的或移動中的帶識別物品的自動機器識別[2]。射頻(radiofrequency)專指具有一定波長可用于無線電通信的電磁波射頻識別技術，以無線通信和存儲器技術為核心，伴隨著半導體和大規(guī)模集成電路技術的成熟而進入實用化階段。RFID標簽具有體積小、容量大、壽命長、可重復使用等特點，可支持快速讀寫、非可視識別、移動識別、多目標識別、定位及長期跟蹤管理。即ID技術與互聯(lián)網(wǎng)、通信等技術相結合，可實現(xiàn)全球范圍內(nèi)物品跟蹤與信息共[2]。射頻識別技術應用于高速公路，可大幅提高管理與運行效率，降低成本?；诖?，本課題主要對射頻識別(RadioFrequencyIdentification，RFID)技術在高速公路不停車收費系統(tǒng)中的應用進行了設計。1.2不停車收費系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢隨著汽車運輸?shù)陌l(fā)展，使用高速公路的車輛將越來越多(經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)這種趨勢已經(jīng)非常明顯)，當達到一定程度時，人工和半自動收費方式將不能滿足高速公路上車輛營運對收費管理系統(tǒng)的需求，將在收費出入口處引起嚴重的車輛阻塞，造成巨大的經(jīng)濟損失，為解決這些問題，在高速公路上采用不停車收費方式，就顯示出巨大的優(yōu)越性。目前各國都在積極地開發(fā)和應用不停車收費系統(tǒng)，就國內(nèi)外的發(fā)展情況做一簡單介紹[1,2,3,4]。1.2.1不停車收費系統(tǒng)在國外的發(fā)展情況第一個不停車收費的應用實驗是20世紀70年代末在紐約和新澤西試行的，借助于自動車輛識別的不停車收費系統(tǒng)，交費者既可向收費公司預付款，也可采用信用卡付賬方式。1988年美國首次將不停車收費用于LincolnTunnel，緊接著，于1989年在新奧爾良州Crescentcity大橋上實現(xiàn)了完整的車輛識別與計算。同時，其他各國也紛紛推出了自己的不停車收費系統(tǒng)，挪威研制出了Q-free0自動不停車收費系統(tǒng)，該系統(tǒng)是將一張塑料磁卡粘貼在車輛的前窗玻璃上，當車輛到達自動收費口時，無線掃描設備通過“詢問”，接受來自過往車輛上磁卡發(fā)出的電子回答，系統(tǒng)的主計算機存儲所有磁卡編號和通過次數(shù)，并自動記錄通過收費口的車輛，然后和負責賬款的系統(tǒng)通信聯(lián)系，確定收費金額，計算機圖像抓拍系統(tǒng)將非法通過的車輛拍攝下來，警察和銀行部門根據(jù)相應賬單進行處罰。廈門市路橋管理有限公司于1998年8月從挪威引進了該套自動化收費系統(tǒng)，并于2000年應用于廈門海滄大橋。此外，法國、英國、意大利等國家還推出了基于視頻、環(huán)形線圈、紅外和微波技術的不停車收費系統(tǒng)。1.2.2不停車收費系統(tǒng)在國內(nèi)的發(fā)展情況近年來，我國各個地區(qū)均先后提出了實施不停車收費的規(guī)劃。RFID可以通過射頻信號自動識別目標對象，無需可見光源，具有穿透性，可以透過外部材料直接讀取數(shù)據(jù)，讀取距離遠，無需與目標接觸就可以獲取數(shù)據(jù)。這些優(yōu)點使它可以應用在智能交通領域，從而大大簡化過程，提高效率。在射頻識別技術的基礎上建立起來不停車收費系統(tǒng)，它能夠?qū)崿F(xiàn)對車輛實時監(jiān)控，高效、準確的管理，車輛進出可以不停車，免伸手。目前，不停車收費系統(tǒng)在我國也有了較為成熟的開發(fā)和應用。1994年底，廣東佛山大橋管理站在國內(nèi)首次開發(fā)成功了1套基于微波檢測技術的不停車收費系統(tǒng)，該系統(tǒng)于1995年1月1日試開通，1997年廣州市開始實施全市路橋“一卡通”不停車收費推廣工程，系統(tǒng)于1999年1月1日投入運行。此外深圳機荷、梅觀高速公路也實施了不停車電子收費系統(tǒng)。在北京、上海等地的機場高速公路也先后實施了電子不停車收費系統(tǒng)，其中北京機場高速公路收費站采用的是美國AMTECH公司的產(chǎn)品，而上海機場高速路則是使用日本豐田的路邊設備和單、雙片式車載機及世界上最先進的雙界面卡。2007年底，包括京通快速路在內(nèi)的全市n條高速路全部聯(lián)網(wǎng)收費，除在主要收費站開通不停車收費系統(tǒng)外，所有的收費口還同步開通IC卡收費功能，普通公交一卡通也能輕松刷卡。1.3文章內(nèi)容及結構安排第1章首先分析了本文的研究背景及研究意義，其次，介紹了國內(nèi)外不停車收費系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀。第2章提出了不停車收費系統(tǒng)的架構，并分析了其工作流程。第3章首先介紹了射頻識別系統(tǒng)的原理，然后介紹了基于NRF401的射頻系統(tǒng)硬件設計。第4章對不停車收費系統(tǒng)軟件進行了開發(fā)設計,完成了系統(tǒng)軟件總體框架的設計和分析。第5章對課題研究進行了總結。第二章基于RFID不停車收費系統(tǒng)的論述2.1不停車收費系統(tǒng)的概述不停車收費系統(tǒng)是一種能實現(xiàn)不停車收費的全天候智能型分布式計算機控制、處理系統(tǒng)，是電子技術、通信和計算機、自動控制、傳感技術、交通工程和系統(tǒng)工程的綜合產(chǎn)物。不停車收費的關鍵是利用車載智能識別卡與收費站車輛自動識別系統(tǒng)的無線電收發(fā)器之間，通過無線電波進行數(shù)據(jù)交換、獲取車輛的類型和所屬用戶等相關數(shù)據(jù)，并由計算機系統(tǒng)控制指揮車輛通行，其費用通過計算機網(wǎng)絡，從用戶所在數(shù)據(jù)庫中專用賬號自動繳納[5]。當車輛通過擁有不停車收費系統(tǒng)(ETC)的收費站時，ETC系統(tǒng)自動完成所過車輛的登記、建檔、收費的整個過程。在不停車的情況下收集、傳遞、處理該汽車的各種信息。這些信息包括車型、車牌號、車輛的顏色、銀行的賬號、車主姓名等。圖2一1為不停車收費系統(tǒng)的工作示意圖。不停車收費系統(tǒng)的出現(xiàn)是為了解決現(xiàn)今生活中人工收費站手工操作收費效率低、時間長，從而導致收費站成為高速公路流量瓶頸的問題。因此，不停車收費系統(tǒng)，首先具有收費時間短、收費效率高且出錯率低的特點;其次，降低成本，提高系統(tǒng)的安全性，從而使整個系統(tǒng)有可推廣性;再則，由于不停車收費，不能得到在交納費用后即時得到電腦票據(jù)，因此整個系統(tǒng)收費服務具有透明性，能處理交費復查要求，讓使用者用得放心。2.2不停車收費系統(tǒng)設計的基本原則高速公路不停車收費系統(tǒng)在開發(fā)設計中，必須體現(xiàn)下述原則[6]:1.系統(tǒng)的先進性。為適應21世紀技術發(fā)展及未來應用需要，系統(tǒng)應建立在先進的軟硬件平臺結構之上，設計采用最新的結構技術和策略保證系統(tǒng)的性能在設計時最優(yōu)，在今后隨著計算機軟硬件技術的發(fā)展而提高。圖2一1為不停車收費系統(tǒng)的工作示意圖[11]2.系統(tǒng)的開放性。開放系統(tǒng)是當今世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展潮流，一個開放的系統(tǒng)可以充分利用世界上各種產(chǎn)品的優(yōu)秀特性，在最小的系統(tǒng)開銷下，方便地擴充整個系統(tǒng)的功能，充分保證系統(tǒng)的靈活性，并且隨著新技術的發(fā)展，將新技術集成于系統(tǒng)之中。3.規(guī)范性。統(tǒng)一化、標準化是系統(tǒng)取得成功的必要條件。總體結構設計乃至接口的設計都要遵循國際及國家通用的規(guī)范標準，并將規(guī)范化、標準化貫穿于系統(tǒng)開發(fā)設計及項目生命周期的每一個階段之中。4.繼承性。高速公路網(wǎng)“一卡通”收費系統(tǒng)作為國內(nèi)公路交通領域推行新型收費方式的項目，必須充分考慮已建和在建高速公路系統(tǒng)的收費特征，繼承和兼容原有收費管理中的經(jīng)驗和精華，并使之貫穿到新的一卡通收費系統(tǒng)中。5.安全性。通過一個功能強大的安全控制系統(tǒng)，對系統(tǒng)中的任何對象及環(huán)節(jié)進行保護，滿足國際和國內(nèi)標準，即實現(xiàn)個人認證、訪問控制、設置權限、通信認證等，以確保系統(tǒng)的安全運行。6.模塊化。在系統(tǒng)總體功能設計時應該把按照實際的功能分解為若干易于處理的系統(tǒng)，然后在各個系統(tǒng)中劃分不同的功能模塊。2.3不停車收費系統(tǒng)的功能分析和設計實際聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)下的不停車收費系統(tǒng)在多個獨立運行的ETC系統(tǒng)基礎上，通過通信網(wǎng)絡將它們互聯(lián)起來，對所有ETC收費單位進行統(tǒng)一管理、聯(lián)網(wǎng)收費。需要實現(xiàn)的主要功能包括:采集收費數(shù)據(jù);管理收費車道的交通;建立車道控制系統(tǒng)與后臺管理網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)接口;實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)收費;建立完善的結算、拆分方法;提供業(yè)主內(nèi)部管理功能;滿足客戶、管理部門的查詢要求[7]。通過分析系統(tǒng)功能需求，提出模塊化、層次化的結構，系統(tǒng)功能結構如圖2一2所示。圖2一2聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下不停車收費系統(tǒng)功能模塊[11]由圖2一2可知，聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的不停車收費系統(tǒng)涵蓋客戶服務系統(tǒng)、收費管理系統(tǒng)和收費站管理系統(tǒng)[8]，即3個業(yè)務子系統(tǒng)及13個功能模塊構成。1.運營管理系統(tǒng)營運管理系統(tǒng)是聯(lián)網(wǎng)收費系統(tǒng)的核心層，各收費中心利益的實現(xiàn)都是通過該營運中心來完成的，它不僅是整個聯(lián)網(wǎng)收費系統(tǒng)的超級監(jiān)控中心，同是也是個收費中心的授權認證結算中心，各收費業(yè)主將自身收益的分配交給營運管理中心負責。主要完成以下功能:匯集各個不停車收費系統(tǒng)提供的收費信息;監(jiān)控省或更大范圍內(nèi)所有收費站管理系統(tǒng)的運行狀態(tài);發(fā)行、管理和維護電子標簽的用戶信息;管理和維護電子標簽的中央賬戶信息[8]。2.收費管理系統(tǒng)收費管理系統(tǒng)是收費系統(tǒng)的中央管理系統(tǒng)，收費站的上級部門，管理旗下的所有收費站。由于授權營運中心負責交通費的收集與分配，收費中心從這些工作中解脫出來，從邏輯上看，它是連接下屬收費站與營運管理中心系統(tǒng)的紐帶和中轉(zhuǎn)站。它對下屬收費站進行監(jiān)控，并收集收費站上傳的原始收費數(shù)據(jù)、違章車輛等信息，對這些數(shù)據(jù)進行分類、匯總，適時地向營運管理中心傳送。同時接受營運管理中心分發(fā)的信息，轉(zhuǎn)發(fā)到下屬收費站，轉(zhuǎn)發(fā)信息包括:費率表、車類轉(zhuǎn)換表、黑灰名單及待注銷的電子標簽等[8]。3.收費站管理系統(tǒng)收費站監(jiān)控子系統(tǒng)負責與通行的車輛通信、讀寫車載電子標簽的信息并進行計費處理、控制車道的交通設備;監(jiān)控ETC車道的工作情況;將車道控制機上傳的原始過車記錄上傳到上級部門(收費中心)，接收收費中心下傳的最新費率表、車輛轉(zhuǎn)換表、黑灰以及待注銷的電子標簽名單，并將這些信息下傳到車道控制機內(nèi);此外還要進行本收費站內(nèi)的數(shù)據(jù)處理，包括:記錄查詢、報表統(tǒng)計、人員管理。2.4不停車收費系統(tǒng)的工作流程車主到客戶服務中心或代理機構購置車載電子標簽，交納儲值。由發(fā)行系統(tǒng)向電子標簽輸入車輛識別碼(ID)與密碼，并在數(shù)據(jù)庫中存人該車輛的全部有關信息(如識別碼、車牌號、車型、顏色、儲值、車主姓名、電話等)。發(fā)行系統(tǒng)通過通信網(wǎng)將上述車主、車輛信息輸入收費計算機系統(tǒng)。車主將標識卡貼在車內(nèi)前窗玻璃上即可[9]。1.收費車輛進入到ETC車道工作區(qū)。2.車道控制系統(tǒng)的射頻讀寫器和射頻天線(統(tǒng)稱電子標簽讀寫設備)向車道的特定區(qū)域發(fā)車微波信號，喚醒電子標簽。3.電子標簽發(fā)射出本身數(shù)據(jù)信息，如:發(fā)卡商(發(fā)卡銀行)編號、車輛的車牌號、車類參數(shù)、電子標簽號等標識信。4.車道控制系統(tǒng)讀寫器接受被喚醒的電子標簽發(fā)射的數(shù)據(jù)，分析出車輛的標識信息(車牌號碼、車輛類型參數(shù)和入口收費站號)。5.對進入收費車道的車輛進行電子標簽合法性的校驗，并根據(jù)校驗結果進行下一步操作。6.違章車輛的圖像抓拍。當系統(tǒng)運行時，啟動攝像機，如系統(tǒng)檢測到違章車輛(無電子標簽、非法電子標簽和黑名單上的電子標簽)，通過存儲設備保留該車輛的圖像。違章車輛數(shù)據(jù)庫中的圖像按時間順序存儲，并以電子標簽的信息(車牌、電子標簽號等)作為索引查詢。7.根據(jù)車類參數(shù)決定收費車輛類型和收費金額，將電子標簽號、車牌號、過車時間、車道號等信息組成過車記錄，上傳到收費站監(jiān)控系統(tǒng)。8.接收收費站監(jiān)控系統(tǒng)主機下傳的數(shù)據(jù)，對車道控制機中的相應信息進行更新，這些信息包括黑名單、優(yōu)惠名單、費率表等。9.系統(tǒng)復位，等待下一收費車輛的到來。銀行收到匯總好的各路公司的收費信息后，從各個用戶的賬號中，扣除通行費和算出余額，撥入相應公司賬號。與此同時，銀行核對各用戶賬戶剩余金額是否低于預定的臨界閩值，如低于，應及時通知用戶補交，并將此名單(灰名單)下發(fā)給全體收費站。如灰名單用戶不補交金額，繼續(xù)通行，導致剩余金額低于危險門限值.則應將其劃歸無效電子標簽，編入黑名單，并通知各收費站，拒絕無效電子標簽在高速公路電子收費車道通行[9]。收費結算中心設有用戶服務機構，向用戶出售標識卡、補收金額和接待客戶查詢。后臺有一套金融運行規(guī)則和強大的計算機網(wǎng)絡及數(shù)據(jù)庫的支持，處理事后收費等事項。2.5小結本章先闡述了不停車收費系統(tǒng)的概念和設計原則，然后對不停車系統(tǒng)進行了功能分析和設計，最后，詳細闡述了不停車收費系統(tǒng)的工作流程。為下面的進一步工作做好準備。第三章射頻識別系統(tǒng)硬件設計不停車收費系統(tǒng)采用RFID技術，通過路側(cè)天線與車載射頻標簽之間的無線通信，在不需要司機停車和其他收費人員采取任何操作的情況下，自動完成收費處理全過程。因此，射頻識別技術是實現(xiàn)不停車收費系統(tǒng)的非常重要的關鍵技術之一。3.1射頻識別技術原理射頻識別技術(RFID)利用電磁感應、無線電波進行非接觸雙向通信，以達到識別目標并交換數(shù)據(jù)。應注意RF有很多工作頻段，工作原理也不盡相同，有的工作于近場，可用電磁感應描述，有的必須用電磁波發(fā)射來解釋遠場狀態(tài)。國際上最流行的EC/ISO14443A標準的射頻卡與讀寫器之間通過電感藕合方式來完成讀寫通信。當讀寫器對卡進行讀寫操作時，讀寫器發(fā)出的信號由兩部分疊加組成:一部分是電源信號，該信號由卡接收后，由卡的UC回路產(chǎn)生一個瞬時能量來供給芯片工作。另一部分是指令和數(shù)據(jù)信號，指揮芯片完成數(shù)據(jù)的讀取、修改、存儲等，并返回信號給讀寫器。讀寫器一般由單片機、專用智能模塊組成，并配有與PC的通信接口等，以應用于不同的領域。圖3一1為RFID的基本模型示意圖。圖3一1RFID的基本模型示意圖[11]3.2射頻識別系統(tǒng)的硬件設計1.器件的選擇(1).無線射頻芯片選型無線射頻芯片是整個射頻系統(tǒng)的核心部件，基于高速公路應用的需求，考慮方案成本低，體積小，功耗低，通信距離遠，集成度高，外圍元件少，加工容易，數(shù)據(jù)傳輸率高，傳輸時間短，接口簡單，開發(fā)方便等因素，本文選擇了nRF401射頻芯片，其依據(jù)是：a.發(fā)射功率:在同等條件下，為了保證有效和可靠的通信，應選用發(fā)射功率較高的產(chǎn)品。nRF401的發(fā)送功率達到10dBm，在同類產(chǎn)品中的性價比較高。b.通信距離:nRF401的最高數(shù)據(jù)傳輸率可以達到20kbit/s，接收靈敏度高達-105dBm，在開闊的使用距離最遠可達1000m[5]。c.功耗:作為高速公路收費中使用的車載標簽，一般貼放于汽車的擋風玻璃上，要滿足形狀小巧、輕便等要求。因此應該根據(jù)需要選擇綜合功耗較小的產(chǎn)品，nRF401的工作電流在同等發(fā)射功率下是較小的。d.數(shù)據(jù)傳輸速度:現(xiàn)有的無線射頻芯片，數(shù)據(jù)的傳輸大多采用曼徹斯特編碼，雖然滿足數(shù)據(jù)可靠性傳輸?shù)囊?，但在編程上會需要較高的技巧和經(jīng)驗，需要更多的內(nèi)存和程序容量，最重要的是曼徹斯特編碼大大降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)男剩话銉H能達到標稱速率的三分之一，無法適應高速數(shù)據(jù)通信的需要。nRF401是采用與單片機串口相連傳輸數(shù)據(jù)的芯片，應用及編程非常簡單，傳送的效率很高，而且采用有線方式的串口傳輸，數(shù)據(jù)的誤碼率也非常低。(2).車道閱讀器主控制器選型系統(tǒng)中，車道控制器主要負責兩方面的工作:一方面與主控機PC交換數(shù)據(jù)，另一方面實施監(jiān)測車載標簽的數(shù)據(jù)。由于無線部門使用的是nRF401芯片，通過串口與單片機相連，而連接RS485總線也要占用一個單片機串口資源，因此閱讀器部分至少需要連兩個串行接口。實際設計中，使用winbond公司的W77E58作為這一部分的主控制芯片[10]。W77E58內(nèi)含兩個增強型串口和32kB大容量Flash存儲器，最高工作頻率可達40MHz，完成一條指令最快只需要4個機器周期，并提供了12個內(nèi)外部中斷，兩級優(yōu)先級，可以適應更多的需求。本系統(tǒng)中，主要利用了W77E58的雙串口的特點，串行口0經(jīng)過RS-485電平轉(zhuǎn)換芯片與遠端上位PC機進行通信，串行口1與nRF401芯片連接。(3).車載標簽控制器選型由于車載標簽有著形狀小巧、輕便、功耗低等要求，本文選擇低成本、低功耗的AT89552作為標簽的控制器[10]。AT89552是一個通用的低功耗，高速8位CMOS單片機，其功能函數(shù)和管腳定義都和工業(yè)標準的80C51兼容，提供8kB的EEPROM，256bit片內(nèi)RAM，32個I/0口，3個優(yōu)先級和一個全雙工的UART串口。另外，由于AT89552的靜態(tài)邏輯設計使得它的工作頻率范圍從0開始，支持兩種節(jié)電模式:Idle模式和Power-down模式。2.無線通信模塊設計使用nRF401進行無線通信開發(fā)，通信質(zhì)量與模塊的RF性能息息相關，因此nRF401通信模塊的硬件設計部分是十分重要的。nRF401的射頻天線使用的是外接天線，該外部天線使用差分方式連接至nRF401的ANTI和ANTZ端，天線端推薦負載阻抗為400?。功率放大器輸出是兩個開路輸出三極管，配置成差分放大電路，功率放大器的VDD必須通過集電極負載，當采用差分環(huán)形天線時，VDD必須通過環(huán)形天線的中心輸入。在設計中，由于發(fā)射和接收頻率的誤差應該在30kHz以下，因此對外接參考晶振有一定的要求，其穩(wěn)定性應大于正負35ppm，否則會對接收精度有較大的影響。外接VCO電感應選用高頻電感，工作頻率下Q值應在45以上，精度為2%，實際應用中使用5%精度的外接電感，系統(tǒng)仍能正常工作，但通信距離受到影響[10]。圖3—2為原理圖。3.閱讀器模塊設計閱讀器模塊由于要使用兩個串口分別對上層和下層通信，因此主控制器使用的是W77E58單片機，其中串口0通過RS一485總線接口與主控制機相連，串口1則負責連接nRF401通信模塊，使用無線通信與各個標簽通信。閱讀器模塊使用Maxim公司的MAX485芯片組成RS一485接口電路，其中單片機的P1.0、Pl.1引腳控制MAX485的DE端和RE端。RXD、TXD引腳接入RS一485網(wǎng)絡。Pl.2一Pl.6作為nRF401控制和數(shù)據(jù)信號，通過雙排針與nRF401模塊相連。此外，還預留了一個4針接口，與單片機系統(tǒng)的RXD、TXD以及VDD、VSS相連，方便系統(tǒng)調(diào)試和串口監(jiān)控。閱讀器模塊的電路如圖3一3所示，其中圖(a)是單片機W77E58外圍電路及雙排針原理圖，圖(b)是MAX485外圍電路設計原理圖。圖3—3(a)單片機W77E58外圍電路及雙排針原理圖圖3—3(b)MAX485外圍電路設計原理圖4.標簽模塊設計標簽模塊通過無線接口響應上層控制器發(fā)送的查詢請求，回送其存儲的數(shù)據(jù)信息。其主控制芯片使用Atmel公司的節(jié)能型51系列CPUAT89552，工作電壓為3.3V。設計上使用單片機內(nèi)部串口連接nRF401通信模塊，PI.0一PI.2依次作為nRF401的控制端CS、PWR_UP和TXEN。此外，為了保存汽車的各種有用信息，單片機系統(tǒng)還使用了串行E2PROMAT24C10保存數(shù)據(jù)，該芯片使用SPI總線，單片機的Pl.3和Pl.4分別作為時鐘控制端SCL和數(shù)據(jù)傳送端SDA。圖3-2nRF401的通信模塊的原理圖圖3-4標簽模塊原理圖3.3小結本章綜述了射頻識別技術的原理，并重點介紹了基于nRF401射頻芯片的射頻系統(tǒng)硬件設計。在該系統(tǒng)中，利用具有雙串口的W77E58單片機作為閱讀器模塊的控制單元，利用其兩個串口分別與主控制PC機和nRF401通信模塊相連。在標簽模塊中選用性價比較高、功耗較低的51兼容單片機AT89552作為其控制器，并通過串口與無線通信模塊連接。第四章基于RFID不停車收費系統(tǒng)的軟件流程4.1ETC電子不停車收費系統(tǒng)總體軟件設計車輛在高速公路出入時軟件系統(tǒng)的交易流程設計如圖4-1IC卡OBURSUIC卡OBURSU計算機VST送PC廣播BST信息檢查IC卡確認驗證，請求OBU信息回送VST有IC卡OBU信息送PC請求OBU信息讀IC卡信息確認，要IC卡信息回送OBU信息返回IC卡信息IC卡信息送PC請求IC卡信息寫站信息和消費信息確認，寫站信息和消費返回IC卡信息信息發(fā)送站信息和返回結果消費信息返回結果返回結果圖4-1ECT一次交易流程圖ETC電子不停車收費系統(tǒng)總體軟件設計主要應包含：系統(tǒng)硬件初始化設計、OBU喚醒部分設計、OBU主控單元軟件、RSU單元功能實現(xiàn)軟件、RSU與車道計算機通訊接口功能實現(xiàn)的軟件設計等。ETC系統(tǒng)是一個基于射頻技術的通信系統(tǒng)，并且是基于短程無線通信協(xié)議實現(xiàn)的。ETC需要對DSRC協(xié)議的各個層次要求進行協(xié)調(diào)處理，對隨時可能接收到的數(shù)據(jù)進行處理，同時要對系統(tǒng)中的中斷快速響應。系統(tǒng)的響應時間是系統(tǒng)結構設計時最重點考慮的因素，微處理器的速度影響系統(tǒng)的響應時間。由于本文中的ETC系統(tǒng)較為復雜，各種響應的優(yōu)先級有所不同，想要在一定時間內(nèi)做出快速響應，就必須設計一個復雜的、完善的軟件結構，本文研究設計中使用了函數(shù)隊列調(diào)度結構。在函數(shù)隊列調(diào)度結構中，當最高優(yōu)先級的設備發(fā)生中斷時，系統(tǒng)剛剛執(zhí)行最長的任務代碼函數(shù)，此時就發(fā)生了最壞的情況，其響應時間等于最長任務代碼的執(zhí)行時間。在本系統(tǒng)的設計中使用串口中斷和定時器中斷，更多的是對各個層次的輪詢操作，操作有很強的層次性，比如RSU要發(fā)送一個幀，要先后經(jīng)歷應用層、LLC子層、MAC子層、