（机械电子工程专业论文）基于rfid技术的驾校路考系统的设计与实现.pdf

摘要 目前国内路考不规范，大多采用人工法，缺乏科学性和公正性。虽然电子自动化路考装置可 以有效的解决上述问题，但是现在市场上的一些路考产品均使用先进的电子装置和高端技术，使 得整个路考系统价格过高，对于小型驾校来说无法承担如此昂贵的购买和维护费用。 本文设计了一种适合国内小驾校使用的电子路考系统的下位机部分，采用单片机控制技术和 射频识别技术，实现路考过程中重要数据的采集、处理和传输。本课题基本完成了下位机部分的 设计工作，包括车载部分和路面收发部分的软硬件设计，绘制出p c b 图，给出了系统的通讯顺 序和主要程序流程。车载部分软件包括总程序设计和九个考核项目的子程序设计，路面收发部分 软件包括考核项目的进口部分和出口部分程序设计。 单片机采用的是a t m a l 公司生产的a t 8 9 s 5 2 ，无线数据传输芯片使用的是n o r d i c 公司生产的 n r f 2 4 0 1 ，关键技术包括n r f 2 4 0 1 的初始配置，在本设计中对n r f 2 4 0 1 的数据传输性能做了测试， n r f 2 4 0 1 在单片机a t 8 9 s 5 2 的控制下，工作在s h o e k b u r s t t m 工作模式，现实全双工通信。经运 行证明，系统稳定。易于控制，通信可靠。 关键词：电子路考，无线数据传输，r f i d ，配置 a b s t r a c t c u r r e n t l yt h el o c a lr o a dt e s ti sn o ts t a n d a r d a d o p t i n gt h ea r t i f i c i a lm e t h o dm o s t l y , l a c ks c i e n c ea n d c a n d o r s a l t h o u g ht h ee l e c t r o n i c sa u t o m a t i o nr o a dt e s t s c a nr e s o l v et h ea b o v e - m e n t i o n e dp r o b l n e f f e c t i v e l y , s o m ep r o d u c t sa p p l i yf o r e r a ne l e c t r o n i ce q u i p m e n t sa n dh i 曲l e v e lt e c h n i q u e ，w h i c hm a k e s t h ep r i c et ol e a dh i g h ，m a n ys m a l ld r i v i n gs c h o o lc a n to f f o r dt h ee x p e n s e s t h i sp a p e rd e s i g n e dam c uo fe l e c t r o n i cr o a dt e s t ss y s t e mw h i c hi ss u i t a b l ef o rd o m e s t i cs m a l l d r i v i n gs c h 0 0 1 i ta d o p tt e c h n i q u eo fc o n t r o l l i n ga n dr a d i of r e q u e n c i e st oi d e n t i f y ，c a n i n go u tt h ed a t a c o l l e c t i n g 、p r o c e s s i n ga n dd e l i v e r i n g t h ep r o g r a mo f t h ec a re q u i p m e n ti n c l u d e st o t a lp r o g r a md e s i g n a n dn i n es o np r o g r a md e s i g n s ，t h ep r o g r a md e s i g no fr o a de q u i p m e n ti n c l u d e st h ei t e mo fi m p o r ta n d e x p o r tp a r t s t h i sp a p e rc o m p l e t e da l lw o r k so f t h em c u i n c l u d i n gt h ep a r to f s o rd e s i g na n dh a r d w a r ed e s i g n d r a w i n gt h ep c bd i a g r a m ，g i v i n gt h ep r o p o ro r d e ra n d m a i np r o c e d u r ep r o c e s so ft h ec o m m u n i c a t i o n o f t h es y s t e m a m o n gt h e mt h ec o n t r o l l e ra d o p t sa t 8 9 s 5 2a n dt h el e a d - i nd a t ad e r i v e r si st h en r f 2 4 0 1 t h ek e yt e c h n i q u ei n c l u d e st h ei n s t a l l i n go fn r f 2 4 0 1b e g i nw o r k i n g a n dt e s t i n gt h ef u n c t i o no f n r f 2 4 0 1i nd a t af r a y i n g ，t h en r f 2 4 0 1i su n d e rt h ec o n t r o lo f a t 8 9 s 5 2 ，i tw o r k si nt h es h o c k b u r s t t m m o d e t h r o e l g hc i r c u l a t et h ec e r t i f i c a t e ，s y s t e mi se a s yt oc o n t r o l ，c o r r e s p o n da n dh a sh i g he m d m i l i t y k e y w o r d s ：w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，e l e c t r o nr o u t ee x a m i n a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名：躲考黾时间：旁7 年6 月j 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：液铝艳 别噬氢南枥 时间：瑚年占月日 时间：勿秒7 年6 月3 日 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题背景和意义 第一章绪论 统计数据和研究资料表明，我国已经进入道路交通事故的高发期，道路交通安全形势十分严 峻。近年来，驾驶员责任肇事呈明显上升趋势，驾驶员责任事故数占全年事故总数的比例由1 9 9 3 年的6 8 上升到1 9 9 8 年的8 3 6 。而2 0 0 1 年则是8 6 7 ，2 0 0 2 年更是因驾驶员肇事而致s 6 万人死亡【”为了有效的防止交通事故，首先要做的并且最重要的是：提高驾驶员素质，管好事 故i 勇f 头”，严把“路考”这一关特别重要，由于路考系统自动化程度不高、管理不利、人为因素等 原因，产生了不少“马路杀手” 目前国内路考不规范，大部分采用最原始的方法一人工法，即在考生考试的时候旁边配置 一个监考人，监督考生的整个考试过程，并且由他来决定考生的成绩，这样不仅浪费人力财力， 也使得考试参杂了许多人为因素，这样的考试缺乏科学性，同时也满足不了日益增长的考生数量 的要求 进口的自动化路考系统虽然能够解决人工法路考存在的缺陷，但价格非常高，国内也有部分 公司研制了路考系统，可是大部分追求的是使用高端技术，所采用的技术一般涉及g p r s 。无线 网络传输系统、指纹仪等，这些设备的使用无疑增加了系统的成本可想安装一套这样的路考系 统也是非常昂贵的，并且维护成本很高，对于小型的驾校来说价格是无法承受的，所以许多小驾 校还是采用人工法，因此他们迫切需要价格比较低，可靠性比较高的路考系统 在这种背景下，本课题提出研制适合小型驾校的自动化路考系统，自动化的路考系统也叫“路 考仪”，它实际上就是一套计算机系统，考试车内配备车载设备，路面安装传感设备，当考车进 入考试场地后，系统将通过语音自动提示考试项目，由计算机自动打分，车辆在入考场之后，由 电子路考装置实时监控、追踪，及时发现和处理在考试中出现的问题。这样的路考仪也称。电子 路考系统”，采用电子路考可以节省大量的人力财力，增强路考系统的公正性和科学性，同时提 高路考效率，相对于人工路考电子路考有很大的优势，如表1 1 列出了电子路考明显优于人工路 考的几个方面。 裹1 - 1 人工路考与电子路考区别 电子路考改变了几十年来落后的人工路考模式，完成了完全计算机信息管理，真正实现了驾 校管理的数据共享，提高了工作效率和考试的规范性、透明度，真正体现了公平、公开、公正的 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 原则。通过在道路考试的程序上和扣分标准上严格把关，进一步督促驾驶培训单位，个人保证驾 驶培训质量，降低交通事故，提高考试员考试工作水准，规范工作程序，使路考工作标准化。采 用路考仪后，考试的场地设计将变得非常规范，考试过程中，学员的一举一动将被电脑完全记录 下来。以坡道起步为例，一般路考由于条件限制，很难测量车辆后退距离。而使用路考仪之后， 电脑屏幕上都有清晰的数据显示溜车距离，并有精确的扣分显示 本课题设计的小型电子路考系统采用目前比较成熟的数据采集控制技术和设备，成本比较 低，安装简便，维护费用低，适合目前中国对电子路考系统的需求现状。 驾校考核的自动化势在必行，在不久的将来。每个驾校都会装上自己的一套自动化考核系统， 所以现在研究这套比较低端的，适合小驾校使用的装置是很有实际意义的 1 2 研究现状 目前国内在驾校考核这方面研究的比较少，最近几年有一些公司开始关注这一点，并且也在 开发新的产品，每个产品所用的技术各不相同，但是过程都是一样的，都是通过传感器采集考试 信息。得到一组相关数据，再通过有线或者无线传输的方式将数据传送到总的控制器，这个总控 制器一般是一台p c 机，p c 机将传输来的数据进行处理。得到一个考试的结果国内绝大部分的 驾校只在限速通过限宽门这一项目中安装了红外自动化装置，其他考试项目均采用人工法 以下是几种国内比较典型的电子路考系统： 上海一维科技有限公司开发了一套驾校指纹管理系统，主要功能是通过采集指纹。提取特征 点进行比对，确定学员身份有效性；通过摄像头。采集学员照片，存为静态图像照片、指纹 图像压缩技术：在保证图像失真最小的情况下的最大化压缩数据存储、传输加密技术：采用 d e s 数据加密标准进行数据在传输和存储时的加密，保证数据的安全性翻 南京多伦科技有限公司r e r - 2 0 0 0 计算机路考系统是一个计算机控制的综合性网络系统， 它采用了先进的电子传感，非电量采集，数据处理、无线定位、指纹身份识别等技术和功能强大 安全、公安部统一规范的o r a c l e 的数据库，能够科学、规范、有序的自动完成机动车驾驶员道路 考试全过程，能够精确记录、判断考生操纵驾驶机动车的真实能力。在各种不同的道路和复杂的 障碍路面上观察、判断、预防及应变能力，以及对交通法令、法规的熟悉、理解程度这个系统 可算是国内最为先进的路考系统，该系统是一个计算机控制的综合性网络系统唧 西安巨维有限公司研制的j w - s 3 b 型多功能路考自动监控系统是多功能机动车驾驶人路考系 统。己在河南省郑州市车辆管理所实际应用，采用微机监控管理，单片机实时检测处理、进口无 线通信和红外线报警设备，结合机电一体化、气动控制等高新技术川靖江市人和科技有限公司 生产的r h l 型电子路考系统采用了计算机控制技术和计算机信息处理技术、先进的电子传感、 信息处理，无线定位、数据库管理等技术例 北京精英智通交通系统科技有限公司生产的j a y a - - d t 0 5 型道路驾驶自动考试系统，是一套 引进和采用国内外先进设计思想、技术和设备，特别是吸取了韩国世林电子株式会社开发生产应 用2 0 0 多套道路驾驶自动考试系统的十年成功经验，根据公安部令第7 l 号等关于驾驶员管理和 驾驶员考试最新的相关法规与规定要求，应用无线通讯技术、传感器技术、局域网技术、车辆定 2 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 位技术、指纹技术、视频技术、数据库技术等大量尖端前沿科技，有针对性地联合开发出的适合 中国特点的全自动道路驾驶考试系统此系统采用空气压力传感器和磁性感应设备进行场地信号 检测，不受天气，光线、杂物影响，避免了采用红外线，激光，视频等光学检测设备在雨、雪、雾 天气不能正常运行，强光下频繁误判以及灵敏度大幅下降等现象。真正傲到全天候运行；高温、 低温均能正常启动运行，避免冷启动缓慢、信号采集精度下降和低温死机导致考试中断现象；其 主要的技术指标有无线通讯频率1 2 g h 沈4 g h z 功率l o m w 以上，其系统整体由四部分组成： 考试控制中心，包括主控制器、服务器、u p s 、语音设备、视频监控系统、天线、指纹识别系统 等，负责系统总体控制、信号处理、考试评分、数据传输等；场地设备，包括磁性传感器、空气 压力传感器、信号灯以及障碍路，限宽门、单边桥等项目设施，负责场地信号采集、感应等；车 载设备，包括发动机、速度、安全带、转向灯、刹车、语音、视频监控、感应器、无线传输设备、 电源、显示器、警报器等，负责车辆状态与数据跟踪采集、上传等；考试管理软件，包括考生信 息管理，指纹管理系统、考试评分、查询统计、视频管理系统、系统维护管理等子系统，负责 数据交换、身份认证、评分查询、打印输出等。嘲 国外关于电子路考方面的技术已经很成熟，自动化程度比较高，考核非常严谨。 1 3 研究内容 本课题主要针对小型驾校使用而设计的电子路考系统。该系统由以下几部分组成：中央控制 ( p c ) 、下位机电子数据采集处理、数据传输，其系统组成如图1 - 1 所示 田1 - 1电子路考系统组成 虚横线以上表示本文主要研究内容，包括电子数据采集处理和数据传输，采用单片机控制技 术和射频识别技术来实现这两部分功能。其中单片机数据采集处理部分分为车载模块和地面收发 模块，车载模块是整个路考系统的核心，负责考试过程的数据采集。分析、处理以及数据传输。 主要采集的数据有速度、加速度、转矩、车辆熄火信号、倒档信号、手刹信号、转向灯信号、进 门信号等数据，它还将实时准确的采集公安部要求的9 个考试项目的考试数据，即通过连续障碍、 单边桥、直角转弯、侧方停车，上坡路定点停车与坡道起步、限速通过限宽门、起伏路和曲线行 驶，百米加减档。车载模块能够科学、规范、有序地自动记录机动车驾驶员考试全过程，能精确 3 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 驶、百米加减档车载模块能够科学，规范、有序地自动记录机动车驾驶员考试全过程，能精确 记录、判断考生在各种不同的道路和复杂的障碍路面上观察、判断、预防、应变等综合控制机动 车的实际水准及对交通法令法规的遵守能力，准确反映考生操纵驾驶机动车的真实能力 地面收发模块主要采集和处理路面传感器传送的数据，这些数据包括：考试项目进口处和出 口处的信号，车轮触到路边线信号、磁阻传感器信号、汽车轮胎压线信号等，同时地面收发模块 接收车载模块发送来的数据，并将自身采集的信号和车载发送过来的信号通过串口发送给总控， 车载模块与地面收发模块之间的通讯采用射频识别技术，这种技术是利用射频方式进行非接 触双向通信，以达到识别目的并交换数据，它没有太多的协议，数据收发速度快，没有冗余代码 4 中国农业大学硕士学位论文 第= 章电子路考系统总体方案 第二章电子路考系统的方案设计 目前驾校路考分为九个考试项目：通过连续障碍、单边桥、直角转弯、侧方停车、上坡路定 点停车与坡道起步，限速通过限宽门、起伏路和曲线行驶、百米加减档。图2 1 为一个小型驾校 的平面图。 田2 - 1 驾校的平面田 每个驾校路考都有一个考场进口、一个考场出口和九个考试项目的进出口每个进出口处都 有一个路边收发装置，上图所示的驾校总共有2 0 个路边收发装置。大部分驾校在限速通过限宽 门、直角转弯、侧方停车、通过连续障碍考试项目有四个相同的道路，分别为小客车道、小货车 道、大客车道、大货车道其他考试项目有两个道路，分别为大车和小车道。即小货车和小客车 共用一个通道，大客车和大货车共用一个通道像这样的驾校路边收装置总共有5 4 个在考试 车辆从停车场开出后，车载系统会通过语音提示驾驶员将车开到考场进口，由图可以看出，车在 进入考场以后，开始各个相应项目的考试车载系统在开始提示开始考试以后，就一壹处于接收 状态，而路边收发装置一直处于体闲状态，直到有车触到磁铁。例如，当车辆考曲线行驶这个考 试项目时，车辆接触到考试项目进口处预埋的一排磁铁，此时启动路边收发装置。使其处于工作 状态，并将此项的项目编号发送给车载系统，车载系统接收到项目号后就将自身车号发送给路边 收发装置，路边收发装置将车号与自身预先存储的车号进行比较，如果在自身数据库中能找到对应 的车号。则发送一个开始考试命令给车载系统，此时车载系统语音提示驾驶员“开始考试”。在 车辆曲线行驶的过程中会判断车轮位置，车辆是否挤压路边缘线，车辆是否熄火，过程中是否停 车，有无超过规定时间等，车载根据判分要求将采集到的信号进行处理当采集和处理完所有的 传感器信号时，启动n r f 2 4 0 1 ，将数据发送给曲线行驶项目出口处的路边收发装置。再由路边收 发装置将车载传给的数据通过串口传送给控制室，曲线行驶考试结束。其他项目的考试原理和曲 线行驶一样，都要先判断项目进口和项目出口，交换信号和传送接收数据。 当考完所有的项目以后，车辆要经过考场出1 3 处离开考场，考场出口的路边收发装置将给车 5 中国农业大学硕士学位论文第二章电于路考系统总体方案 辆发送一个路考结束信号，车载系统将关f j j 电源。此时，路考考试完全结束 2 1n r f 2 4 0 1 在电子路考系统中可行性分析 本文采用的是射频识别技术来完成车载部分与路边控制部分的数据传输的，射频识别技术 ( r f i d ，r a d i o f r e q u e n c y i d f i f i c a t i o n ) 实际上是自动识别技术在无线电技术方面的具体应用与发 展。该项技术的基本思想是，通过采用一些先进的技术手段，实现人们对各类物体或设备在不同 状态下的自动识别和管理。它是一种集计算机技术、信息采集处理技术、无线数据传输技术、网 络数据通讯技术、机械电子自动控制技术等多学科综合应用为一体的自动化控制技术，是利用射 频方式进行非接触双向通信，以达到识别目的并交换数据。r f i d 技术在物流管理和动物跟踪行业 应用的最为成熟，在驾校中应用方面目前还是空白，和物流跟踪管理的道理一样，驾校要对每个 车辆进行识别和跟踪，以达到准确了解驾驶员考试的全部过程的目的 n r f 2 4 0 1 是工作在2 4 0 h z 自由频段的无线双向数据传输芯片，其数据传输性能可靠，更重 要的是它有1 2 5 个可供选择的频道，当两一 n r f 2 4 0 1 设置在相同频道时才能通信，否则之间将不会 有任何信息交换。n r f 2 4 0 1 的另一个优势在于它有两个不同的数据通道，当启动双通道时，一个 n r f 2 4 0 1 能同时接收两个不同频道的数据，也就是说当一片n r f 2 4 0 1 开启双通道并且配置好一个 频率以后，它就可以接收到和本片相同频率的n r f 2 4 0 1 的数据，同时也可以接收比这个频率高 8 m i - i z 的其j f 0 _ , n r f 2 4 0 1 的数据这些特点为路考系统的设计提供了优势，因为每个驾校不可能只 有一种车辆，也不可能每种车辆都有自己的考试道路，就不同车型( 大客车，大货车、小客车、 小货车) 、不同车道( 大客车道、大货车道、小客车道，小货车道，大车共用车道、小车共用车 道) 的情况逐个分析n r f 2 4 0 1 应用的可行性 1 同种车型车辆行驶路面 考核项目1 地面收笈装置考核项目2 地面收接装置 l i l i - 号车曰i2 号车口兰l ，粹口 i4 号车闩 l 圈2 _ l 同种车辆的路面 由图2 - 1 可以看出，当所有相同型号的车辆经过相邻的不同考核项目时，由于距离比较近。 不同车之间容易产生干扰。比如2 号车现在进入考试区域，但是1 号还没有，而3 号和4 号已经 考完了，那么当如图示这种情况下，考核项目1 地面收发装置是不是能够正确地识别出是2 号车 进入考试区域，而不是l 号。3 号或者4 号呢? 首先要从距离上解决，因为n r f 2 4 0 1 的最大传输 距离在2 0 0 m 左右，一般情况下是5 0 m ，这样的传输距离对于本系统来说太远了，所以首先将 6 中国农业大学硕士学位论文第二章电子路考系统总体方案 n r f 2 4 0 1 的功率配置到最小，即- 2 0 d b ，在这个功率配置下，经测试有效传输距离在7 m 左右，完 全符合本设计的要求但是如果两辆车离的太近即在7 m 以内，那么从距离上就分辨不出来了， 只能用其他的方法来避免这样的情况发生，在考试项目的进口处安装一捧磁性传感器是一个很好 的办法，在没有车辆压到传感器时，地面的装置一直处于休眠状态，当有汽车压到的时候，触发 地面装置使其由休眠状态转化为工作状态，与车完成一次数据交换，即地面装置发送此项考试的 号码给车辆。车辆接收到号码以后将自身的车号传送给地面系统，地面系统与自身数据库中的数 据进行对比。确认此辆车是否在此考试。如果是本项目的考试车辆，地面装置启动语音提示开始 考试，如果不是语音提示快速离开，之后地面装置再次进入休眠状态 2 不同车型车辆行驶的相邻路面 就大车与小车两种不同车型来说，他们由一些考试项目的道路是紧挨着的，如图2 - 2 所示。 每个道路的宽度都是7 m - 匕匕 大车车道 一 r l 一 小车车道 - i 进场线埋于地下的磁铁)l r 1 7f 目地面收发装置 簟n 瑷小车考核项目地面收蹙装第a + l 硬小车考核项目地面收发装置 田2 2 小货车和小客车相邻路面 这样两个道的路边阅读器离的很近，小车在其自己的道上行走时就有可能引起大车车道路旁 的阅读器反应，这样也是一种干扰，要消除这样的干扰就要使用不同的频率，当大车与小车用不 同的频率来通信时他们之间几乎就不存在任何干扰。n r f 2 4 0 1 有1 2 5 个频道可供选择在此运用 起来是足够的了。即当每个车型设置的频率不同的时候，不同车型之问不会相互干扰这也是选 择n r f 2 4 0 1 的好处之一 3 不同车辆的共用路面，如图2 3 所示，小客车和小货车是不同车型但均属于小车类，它们 在很多项考试中均共用一个车道，比如s 型转弯等。由于不同车型，所使用的通信频率不同，它 们之间不存在干扰性问题。此时只要求小客车和小货车同时能够和路面收发装置通信，即表示地 面收发装置要同时能接收两个不同频率的数据。 7 中国农业大学硕士学位论文第二章电子路考系统总体方案 ll 小货车 i ，j 、客车ll 窃线珊下 的磁铁 圈2 - 3 小客车与小货车公用路面 而n r f 2 4 0 1 可以同时接收两个不同的频率的数据，只要两个频率相差8 m h z ，即表示如果小 客车的频率设置为2 4 0 0 m h z ，那么小货车的频率就要设置为2 4 0 8 m h z ，这样它们之间无法通信， 完全可以消除它们之间的相互干扰，地面收发装置中n r f 2 4 0 1 频率配置和小客车的相同也为 2 4 0 0 m h z ，同时开启双信道通信功能，就可以同时接收到小客车和小货车的数据 由以上分析可得n r f 2 4 0 1 在本设计中是适当的，也是可行的 2 2电子路考系统的设计要求和设计方案 2 2 1 设计要求 在本设计的电子路考系统中，主要有以下几方面设计要求： 1 要求总控制室控制所有的车辆，由总控制室决定哪些车考试，考试项目以及考试的顺序 2 能够实现系统自动给分，并将结果发送并存储到中央控制室的p c 机 3 能及时发现和处理在考试过程中出现的问题 4 要求发送数据部分有暂存区，因为每个测试项目都会采集一组数据，实时发送，如果没 有发送成功就必须将数据保存，直到发送成功为止 5 电子路考系统下位机部分在室外，因此要求系统能在全年不管什么样的天气下都能够安 全无误的工作，保证系统运行的安全性和可靠性。 2 2 2 系统方案设计 i 电子路考系统总体构成如图2 - 4 8 中国农业大学硕士学位论文第二章电子路考系统总体方案 田2 - 4 系统框田 主要组成部分如下： 1 ) 车载单片机系统 主要采集车辆的数据：速度、加速度、转矩、以及一系列传感器得到的数据，这些数据通过 车上的单片机系统直接处理，当数据在合格的标准之内时，单片机将通过n r f 2 4 0 1 发送一组合格 信号给路边的无线收发装置。在本设计中车载模块最为复杂。采集的数据多，单片机处理速度和 n r f 2 4 0 1 发送速度之间要匹配由于单片机是比较低端的m c u ，它在处理数据上有一定的延时， 而当车以一个高速度移动时，单片机处理数据的速度已经在软件自身的延时能否在车通过的瞬间 完成信息的交换车载模块数据分为两个部分：传感器采集的数据，车载仪数据 2 ) 路边单片机系统 主要采集和处理路面传感器的数据以及接收车载模块发送来的数据，通过路面单片机系统进 行处理，路面每个项目的传感器大部分是开关量，当有电平触发时，单片机会相应的作出一个判 断，路面单片机同时处理十几路传感器信息，在接收到车载信息后，将数据按照顺序存放在一个 定义好的数组里，通过串口发送到上位机 3 ) 无线收发部分 主要负责数据的收与发，它与单片机控制系统相连，地面系统和车载系统都装有一个无线收 发模块，由n r f 2 4 0 1 和其外围电路组成n r f 2 4 0 1 接收的数据以数组的形式传送给a t 8 9 s 5 2 单 片机系统，同时从a t $ 9 s 5 2 接收数据并发送出去，a t 8 9 s 5 2 在每次发送数据前要对n r f 2 4 0 1 写 一次配置字。 4 ) 总控室 总控制室的中央计算机接收来自地面单片机系统发送的数据。总控将数据与数据库信息比 较，给出一个成绩，并且打印出来。数据库存储的是车的信息，车号以及相应的车的状况，考试 项目以及合格标准等。 本设计主要针对室外部分，即车载单片机系统、路边单片机系统和无线收发模块部分。 9 中国农业大学硕士学位论文第二章电子路考系统总体方案 2 通信部分的总体框图2 - 5 所示。 圈2 - 5通信部分的总体框圈 图中虚线部分表示无线数据传输。实线表示有线数据传输每辆车都会经过这九项考试，都 要与每个路边控制部分进行数据交换。车载部分采集车上的数据。如速度、加速度、转矩、熄火 信号等，根据考试要求设计单片机数据处理子程序，并进行相应的处理后通过n r f 2 4 0 1 传送给路 边控制部分，再由路边控制部分通过串口将数据传送给总控制室，这是大体的数据传输流程 1 0 中国农业大学硕士学位论文第三章电子路考系统下位机硬件设计 暑鼍兰鼍置皇邑曼曼曼! 皇! 曼皇曼曼曼曼曼曼皇曼! 詈曼曼曼曼曼曼曼毫曼置置量量量! 蔓皇皇詈蔓曼詈曼鼍目曼置曼舅鼍量曼曼曼曼曼曼曼曼量曼目i i 第三章电子路考系统下位机硬件设计 硬件设计部分包括三个部分：车载部分、路边收发部分和无线收发部分下面介绍各个部分 的硬件设计。 3 1 车载部分硬件设计 车载部分的硬件如图3 1 该部分主要采集车辆运行时的一些数据，并进行处理，同时将数 据和处理结果发送给路边接收装置 田3 - 1 车上收发装置电路框田 数据锁存部分：主要作用是断电保护，当系统突然断电或者受到强烈的外界干扰而无法及时 传送数据时，单片机将数据自动暂存在数据锁存部分当下次电源正常供电或者在外界干扰消失 后再将锁存的数据发送出去 传感器：主要是采集车上的数据，模拟信号输出的传感器如速度、加速度、转矩等。 单片机：用的是a t 9 9 s 5 2 ，单片机使用的电源电压为5 v 。 无线收发模块：n r f 2 4 0 1 需要的电压是3 3 v 的，和单片机使用同一个电源供电，因而需要 电源电压转换芯片 语音部分包括语音芯片和语音功率放大器部分，其功率放大器采用的是l m 3 8 6 。l m 3 8 6 是 美国国家半导体公司生产的音频功率放大器，为使外围元件最少，电压增益内置为2 0 但在i 脚和8 脚之间增加一只外接电阻和电容，便可将电压增益调为任意值，直至2 0 0 使用时在引脚 7 和地之间接旁路电容，通常取5 4 7 岬工作稳定后，该管脚电压值约等于电源电压的一半， 在器件上电、掉电时的噪声就是由该偏置电压的瞬间跳变所致工作稳定后，该管脚电压值约等于 电源电压的一半。增大这个电容的容量，能减缓直流基准电压的上升、下降速度，可有效抑制噪 声。 传感器插座主要插外部传感器，共有1 6 路输入，分别为车轮驶出路边缘线信号、碰、擦圆 饼信号、有无上单边桥信号、触压道路边缘信号、轮胎触压库位、车道线信号、未在指定位置停 车信号、车速、加速度、转矩、手刹和熄火信号等。 中国农业大学硕士学位论文第三章电子路考系统下位机硬件设计 主要控制部分的电路图如图3 - 2 所示。 c l 图3 - 2 车载系统主要控制部分电路图 图中主要部分为a t 8 9 s 5 2 单片机控制的a d 转换、两片i s d 2 5 9 0 语音芯片，与a t 8 9 c 2 0 5 1 单片机的串口连接。a t 8 9 s 5 2 单片机外部晶振大小为1 1 0 5 9 2 m h z ，p i 1 p 1 2 端口分别接一个语 音芯片i s d 2 5 9 0 ，p 3 2 , p 3 3 分别采集车辆的转速和里程。p o 口接7 4 h c 3 7 3 锁存器和a d 转换芯 片a d c 0 8 1 6 和语音芯片i s d 2 5 9 0 ，a d c 0 8 1 6 的口接1 6 路传感器如果输入的数据需要保持 较长的时间。就需要一个数据存储部分，简单的输入数据存贮器件通常为三态缓冲的7 4 h c 2 4 4 芯 片，该芯片可构成三态数据缓冲器，具有数据缓冲和断电保护数据的作用 语音芯片i s d 2 5 9 0 是美国i s d 公司的2 5 芯片，按录放时间1 5 m i n ，具有抗断电、音质好， 使用方便等优点它的最大特点在于片内e 2 p r o m 容量为4 8 0 k b i t ，录放时间长；有l o 个地址 输入端，寻址能力可达1 0 2 4 位：最多能分6 0 0 段；设有o v f ( 溢出) 端，便于多个器件级联。 硬件结构和功能如下： 1 d 口封装图及各引线端功能 s d 2 5 9 0 芯片引脚图，如图3 - 3 1 2 中国农业大学硕士学位论文 第三章电子路考系统下位机硬件设计 表3 - 1 为i s d 2 5 9 0 的各引脚功能 2 目v c c d 2 7 p ，r 2 6 x l k 2 5 e o m 器罡 2 2 0 v f 2 1 a r i ao u l 2 0 a r i a h 1 9 a g c 1 8 m i cr e t 1 7 m i c 1 b v c c a 1 5 s p 襄3 - t1 s p 2 5 9 0 9 1 脚功能 2 操作模式 当最高位地址( m s b ) a s 、a 9 都为高电平时，地址端就作为操作模式选择端( 高电平有效) ：囊3 - 2i s d 模式控制 模式控制如表3 - 2 ，所有操作模式下的操作都是从0 地址开始，以后的操作根据模式的不同， 而从相应的地址开始工作。当电路中录音转放音或进入省电状态时，地址计数器复位为0 ；操作模 式位不加锁定，可以在m s b ( a 8 、a 9 ) 地址位为高电平时，c e 电平变低的任何时间执行操作模 1 3 中国农业大学硕士学位论文 第三章电子路考系统下位机硬件设计 式操作。如果下一片选周期m s b ( a 8 、a 9 ) 地址位中有一个( 或两个废为低电平，则执行信息地 址，即从该地址录音或放音，原来设定的操作模式状态丢失 3 分段录放音 2 5 9 0 最多可分为6 0 0 段，只要在分段录，放音操作前( 不少于3 0 0 纳秒) ，给地址a o a 9 赋值， 录音及放音功能均从设定的起始地址开始，录音结束由停止键操作决定，芯片内部自动在该段的 结束位置插入结束标志( e o m ) ；而放音时芯片遇到e o m 标志即自动停止放音地址空间是这样 分配的如表3 3 ：地址0 - 5 9 9 作为分段用，地址6 0 0 - 7 6 7 未使用，地址7 6 8 - 1 0 2 3 为工作模式选择【l ”， 表3 4 为地址功能表 寰3 - 3j s 0 2 5 9 0 j 址分霉表 1 11 2 ( o n = o ，o f f - ) p rc e i 为高电平，o 为低电平，为高或低电平 一段式最长秒，从首地址开始。 以二进制表地址。每个地址代表l o o m s 一段从a 6 地址开始的1 2 秒录放音 循啊蜂朔h 仁按住c e 键硐鲫翮- 蔽葺 详细的车载部分的总的电路图请参见附录一 3 2 路边控制部分硬件设计 路边控制部分电路框图如图3 4 所示，路边控制部分的功能是采集和处理地面传感器的数据 和通过n r f 2 4 0 1 接收的车载部分的数据，并将所有的数据“打包”通过串口传到总控制室。 田3 _ 4 路面收发装置电路框图 1 4 仲”o o o 。 9 艄o o o o o o o 7=宝o o o o 6 怂o o o o 5 斛o o o o 4 o o o 。 3 地o o o o 2 m o o o o 。柚o。o o 盥时觥 龇 中国农业大学硕士学位论文第三章电子路考系统下位机硬件设计 n 砌7 2 4 0 l 与车载系统的相同，需要一个电源转换芯片 串口通信部分用2 3 2 总线形式，r s - 2 3 2 标准采有用平衡式发送，差分式接收的数据收发器来 驱动总线，因为r s - 2 3 2 的远距离、传输线成本低的特性，使得e i a r s - 2 3 2 成为工业应用中数据 传输的首选标准。基于此，r s - 2 3 2 的自动化领域的应用非常广泛 地面系统的原理与车载系统相同，其主要控制部分的电路图如图3 5 所示 图3 - 5 路边系统的控制部分电路图 地面系统包括单片机控制无线收发部分、电源转换部分和串口部分电源稳压三极管7 8 l 0 5 是三端串联线性稳压电源，要求的输入输出压差一般在2 5 v 及以上，否则不能正常工作但也 不能太高。不然会因功耗过大而造成效率低甚至于过热损坏电路7 8 l 0 5 为t 0 9 2 封装，输出电 流为1 0 0 m a ，最大输入电压为3 6 v ，若保证输出电压稳定需使最低输入电压大于7 v ，内置过热 过流过压保护功能 当车压到放置于考试项目进、出口处的磁铁时。对应路面装置的电源接通，使系统处于工作 状态。电子路考路面系统的总电路图，见附录二 3 3 无线收发部分硬件设计 无线收发部分在车载和路边电路里都有用到，是他们两部分数据交换的媒介这部分硬件主 要包括n r f 2 4 0 1 芯片及外围电路和天线 3 3 1 无线收发芯片n r f 2 4 0 1 1 主要特点 采用2 4 g h z 频段，有1 2 5 个频道，可满足多频及跳频需要；速率为i m b p s ，且具有高数据 吞吐量；外围元件极少：发射功率和工作频率等所有工作参数可全部通过软件设置；电源电压范 围为1 乳3 6 v ，功耗很低：电流消耗很小，5 d b m 输出功率时的典型峰值电流为1 0 5 m a ：芯片 1 5 中国农业大学硕士学位论文 第三章电子路考系统下位机硬件设计 内部设置有专门的稳压电路，使用任何电源( 包括d c d c 开关电源) 均有很好的通信效果；每 个芯片均可以通过软件设置最多4 0 b i t 地址，而且只有收到本机地址时才会输出数据( 提供一个 中断指示) ，编程很方便；内置c r c 纠检错硬件电路和协议；采用d u o c e i v e r 技术可同时接收两 个n r f 2 4 0 1 的数据；采用s h o c k b m _ s t t m 模式时，能适用极低的功率操作和不严格的m c u 执行； 带有9 路1 0 b i t a d c u a r t 异步串口、s p i 串口和p w m 输出；无需外部s a w 滤波器；可1 0 0 r f 检验；带有数据时隙和数据时钟恢复功能。n r f 2 4 0 1 采用5 m i n x s m m 的2 4 引脚q f n 封装 z 芯片结构 n r f 2 4 0 1 内置地址解码器、先入先出堆栈区、解调处理器、时钟处理器、g f s k 滤波器、低 噪声放大器、频率合成器，功率放大器等功能模块，需要很少的外围元件。因此使用起来非常方 便。q f n 2 4 引脚封装，外形尺寸只有5 m m x s m m 3 引脚说明见表3 - 5 裹3 - 5n 舟：2 4 0 1 的引脚及其功能 1 6 中国农业大学硕士学位论文第三章电子路考系统下位机硬件设计 4 工作模式 n r f 2 4 0 1 有工作模式有四种：收发模式、配置模式、空闲模式和关机模式。n r f 2 4 0 1 的工作 模式由p w r _ u p 、c e ，t xs n 和c s 三个引脚决定，详见表3 6 裹3 - 6n 1 替 2 4 0 1 工作模式 n r f 2 4 0 1 的收发模式有s h o c k b u r s f r m 收发模式和直接收发模式两种，s h o c k b u r s t t m 收发模 式下，使用片内的先入先出堆栈区，数据低速从微控制器送入，但高速o m b p s ) 发射，因此，使 用低速的微控制器也能得到很高的射频数据发射速率。n r f 2 4 0 1 自动处理字头和c r c 校验码， 在接收数据时，自动把字头和c r c 校验码移去：在发送数据时。自动加上字头和c r c 校验码。 当发送过程完成后，数据准备好引脚通知徽处理器数据发射完毕 n r f 2 4 0 1 的所有配置工作都是通过c s 、c u h 和d a t a 三个引脚完成，把其配置为 s h o c k b u r s t t m 收发模式需要1 5 字节的配置字配置字完成后，n r f 2 4 0 1 能够处理射频协议，其 工作的过程中，只需改变最低一个字节中的内容，以实现接收模式和发送模式之间切换 s h o c k b u r s t t m 的配置字可以分为四个部分：数据宽度：声明射频数据包中数据占用的位数；地 址宽度：声明射频数据包中地址占用的位数；地址：接收数据的地址，有通道1 的地址和通道2 的地址；c r c ：使n r f 2 4 0 1 能够生成c r c 校验码和解码；0 0 5 工作原理 s h o c k b u r s f i m 发射主要通过m c u 接口引脚c e 、c u 【l 和d a t a 来完成。当m c u 请求发送 数据时，置c e 为高电平。此时的接收机地址和有效载荷数据作为n r f 2 4 0 1 的内部时钟，可用请 求协议或m c u 将速率调至1 m b p s ；置c e 为低电平可激活s h o c k b u r s t t m 发射。当正确设置射频 包输入载荷的地址和大小后，置c e 为高电平可激活r x 此后便可在n r f 2 4 0 1 监测信息输入 2 0 0 u s ，若收到有效数据包，则给m c u 一个中断，并置d r i 为高电平，以使m c u 以时钟形式 输出有效载荷数据，待系统收到全部数据后n r f 2 4 0 1 再置d r i 为低此时如果c e 保持高电平， 则等待新的数据包。若c e 置低电平，则开始接收新的序列，如图3 - 6i ：) t t o c _ z i v e r t m 的双信道图 圈3 _ 6i ) u o “i v e r t u 的双信道圈 1 7 d r l c u c l d 旺 d r 2 a j o d o 啊r 2 中国农业大学硕士学位论文 第三章电子路考系统下位机硬件设计一 n r f 2 4 0 1 的d u o c e i v e r t m 技术为r x 提供了两个独立的专用数字信道，因而可代替两个单独 接收系统n r f 2 4 0 1 可以通过一个天线接口从相隔8 m h z 的两个1 m b l n 接收机上接收数据同 时将两个数字信道的输出反馈到两个单独的m c u 接口。具体的两个信道如下：数字信道l ：c