（测试计量技术及仪器专业论文）智能射频卡系统与车道控制系统的研究与实现.pdf

郑州大学硕士学位论文摘要 a b s t r a c t t h e p r o j e c ti ss u p p o r t e db y h en a np r o v i n c ee m i n e n te l i t ei n n o v a t i o nf u n d i tw i l lb ei m p e r a t i v et o a d o p tt h en os t o p t o l lc o l l e c t i o n s y s t e mf o r t h a tt h e t r a d i t i o n a l s t o p t o l lc o l l e c t i o nm e a n sh a sb e e nt h e p a s s i v e f a c t o ro ff a s t c o m m u n i c a t i o n t h en s e t c ( n os t o pe i e c t r o n i ct o l lc o l l e c t i o ns y s t e m ) b a s e do n n o n c o n t a c ti cc a r da st h er e p r e s e n t a t i v eo fa u t o m a t i ct o l lc o l l e c t i o ni m p r o v e st h e t r a f f i cc a p a c i t ya n ds e r v i c el e v e le f f i c i e n t l y b o t ht h er fi cc a r ds y s t e ma n dt h ea u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mo ft o l lc o l l e c t i o n s t a t i o na r et h ei m p o r t a n t p a r to fa u t o m a t i cc h a r g i n gs y s t e m t h i sa r t i c l e p r o v i d e s at h r e e l a y e rc o n s t r u c t i o nf o r d e s i g n i n gt h er fi cc a r d s y s t e m ：p h y s i c a ll a y e gd a t al i n kl a y e r ，a p p l i c a t i o nl a y e li tg i v e st h er e s e a r c ha n d i m p l e m e n t a t i o no fi n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o nc h a n n e lb a s e do nr f i ci np h y s i c a ll a y e r ； t h em e t h o d so fe r r o rd e t e c t i o na n de r r o rc o r r e c t i o na b o u td a t a r e l i a b i l i t y , t h em e t h o d s o f i d e n t i f i c a t i o na n dt h ef u m ya b o u td a t as e c u r i t y , a n dt h em e t h o d so f o p p o s i n gc o n f l i c ti n d a t au n k l a y e r ；t h ed a t ac o m m u n i c a t i o nf o r m a ti na p p l i c a t i o nl a y e r t h i sa r t i c l e p r e s e n t s a na u t o m a t i cc o n t r o l s y s t e m o ft o l lc o l l e c t i o ns t a t i o n i n f o r m a t i o n d i s p l a y i n g ， b a l u s t r a d e c o n t r o l l i n g ，r e dg r e e nl i g h t s c h a n g i n g ， a l s o a n a l y s e st h eh a r d w a r e ，s o f t w a r eo f t h es y s t e m t h e f o l l o w i n gi t e m sp r e s e n tt h em a i n r e s e a r c hw o r ka n di n n o v a t i o n p o i n t s ： f i r s t l y , t h et h r e e l a y e rc o n s t r u c t i o ni su s e df o rd e s i g n i n gt h er fi cc a r ds y s t e m ， m a k e st h es y s t e m d e s i g nm o r ec l e a ra n de a s yt oc h a n g et h es y s t e m ，a l s oe a s yt ol e a r n b y t h es t u f fl a t e r s e c o n d l y , t h ec a r dw h i c h c a nb er e a do rw r i t t e nb a s e do nr fi cd o n tn e e dt h e r e a l - t i m en e t w o r k a n y m o r e t h i r d l y , t h em e t h o d o f4b i tc r ca n do d dc h e c ki su s e di nt h es y s t e m f o u r t h l y , t h em e t h o d so fi d e n t i f i c a t i o na n d f i n n y i su s e di nt h es y s t e m f i f t h l y , t h em e t h o d so fo p p o s i n gc o n f l i c tb a s e do nt i m e - p i e c ei su s e di nt h e s y s t e m s i x t h l y , a na u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mi sd e v e l o p e df o rt h et o l lc o l l e c t i o ns t a t i o n j 1 郑州大学硕士学位论文 摘要 k e y w o r d s ：r fi cc a r d ；a u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mo ft o l l c o l l e c t i o ns t a t i o n ；p h y s i c a l l a y e r ；d a t al i n kl a y e r ；a p p l i c a t i o nl a y e r ；d a t ar e l i a b i l i t y ；d a t as e c u r i t y ；o p p o s i n g c o n f l i c t h i 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 l 1 选题来源及背景 本文选题来源于河南省杰出人才创新基金重大科研项目( ( 非接触智能i c 卡 不停车收费系统的开发与应用研究) ) 。主持人张元教授、吕运朋教授。本人作为 吕运朋教授的研究生，参与了该项目，对其中的智能射频i c 卡系统与车道控制系 统做了研究及实现的工作。 本文内容正是对本人所做工作的论述。 近年来，我国交通事业飞速发展，公路通车里程不断增加。与此同时，随着 汽车产业的发展，汽车这种交通工具逐渐大众化，使得车流量更是快速攀升。这 就使得各级公路的通车效奉问题显得尤为突出。丽传统收费站的停车收费模式是 导致低效率的因素之一。可以想见，高速行驶的车辆到了各收费站其速度总要降 至零并滞留一定的时间。这点时间对于个体或许不多，但乘以收费站的数量及车 辆的数量，对于整个社会则是太高的成本。 再有，传统收费站的人工现金管理模式，存在有票款流失、财务混乱的问题。 种种问题导致对不停车、电子自动收费模式的需要。实际上，各国已经把不 停车电子自动收费系统( n o s t o p e l e c t r o n i c t 0 1 l c o l l e c t i o n s y s t e m 简称n s e t c s ) 作为智能交通系统( i t s ) 的重要内容，努力开发并推广普及应用。 1 2 非接触智能i c 卡不停车收费系统简介 1 2 1 不停车收费系统的概念 不停车电子自动收费系统( n os t o pe l e c t r o n i ct o l lc o u e c f i o ns y s t e m 简称 n s e t c s ) 是一种能实现不停车收费的全天侯智能型分布式计算机控制、处理系统。 系统中不停车收费的关键是利用车载非接触智能i c 卡与收费站车辆自动识别系统 ( a u t o m a t i cv e h i c l ei d e n t i f i c a t i o n ，简称a v i ) 的无线电收发器之间，通过无线电 波实现车辆自动识别和数据交换，获取通过车辆的类型和所属用户等相关数据， 并由计算机系统控制指挥车辆通行，其过路过桥费通过计算机网络，从用户所在 数据库中的专用帐户或用户拥有的智能储值卡中自动交纳，从而实现不停车自动 收费。 不停车电子自动收费系统( n os t o pe l e c t r o n i ct o l lc o l l e c t i o n s y s t e m 简称 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 l 1 选题来源及背景 本文选题来源于河南省杰出人才创新基金重大科研项目( ( 非接触智能i c 卡 不停车收费系统的开发与应用研究) ) 。主持人张元教授、吕运朋教授。本人作为 吕运朋教授的研究生，参与了该项目，对其中的智能射频i c 卡系统与车道控制系 统做了研究及实现的工作。 本文内容正是对本人所做工作的论述。 近年来，我国交通事业飞速发展，公路通车里程不断增加。与此同时，随着 汽车产业的发展，汽车这种交通工具逐渐大众化，使得车流量更是快速攀升。这 就使得各级公路的通车效奉问题显得尤为突出。丽传统收费站的停车收费模式是 导致低效率的因素之一。可以想见，高速行驶的车辆到了各收费站其速度总要降 至零并滞留一定的时间。这点时间对于个体或许不多，但乘以收费站的数量及车 辆的数量，对于整个社会则是太高的成本。 再有，传统收费站的人工现金管理模式，存在有票款流失、财务混乱的问题。 种种问题导致对不停车、电子自动收费模式的需要。实际上，各国已经把不 停车电子自动收费系统( n o s t o p e l e c t r o n i c t 0 1 l c o l l e c t i o n s y s t e m 简称n s e t c s ) 作为智能交通系统( i t s ) 的重要内容，努力开发并推广普及应用。 1 2 非接触智能i c 卡不停车收费系统简介 1 2 1 不停车收费系统的概念 不停车电子自动收费系统( n os t o pe l e c t r o n i ct o l lc o u e c f i o ns y s t e m 简称 n s e t c s ) 是一种能实现不停车收费的全天侯智能型分布式计算机控制、处理系统。 系统中不停车收费的关键是利用车载非接触智能i c 卡与收费站车辆自动识别系统 ( a u t o m a t i cv e h i c l ei d e n t i f i c a t i o n ，简称a v i ) 的无线电收发器之间，通过无线电 波实现车辆自动识别和数据交换，获取通过车辆的类型和所属用户等相关数据， 并由计算机系统控制指挥车辆通行，其过路过桥费通过计算机网络，从用户所在 数据库中的专用帐户或用户拥有的智能储值卡中自动交纳，从而实现不停车自动 收费。 不停车电子自动收费系统( n os t o pe l e c t r o n i ct o l lc o l l e c t i o n s y s t e m 简称 郑州i 大学硕士学位论文 第一章绪论 n s e t c s ) 通过研究一种征收过往车辆通行费的装置，用于实现对车辆的不停车自 动收费。系统采用了射频i c 卡技术、模式识别技术、图像处理技术、计算机网络 和信息融合技术，通过对车载i c 卡进行非接触射频读写和实时拍摄过往车辆正面 和侧面图像，实现对车辆牌照和车型的自动识别，并通过计算机网络，将各收费 站和结算管理中心组成一个完整的公路不停车电子自动收费系统。 1 2 2 我国不停车收费的现状 从1 9 9 6 年1 0 月交通部公路科学研究所与日本丰田汽车公司就不停车收费系 统举行了中日技术交流和现场演示会以来，国内的不停车收费系统发展取得了一 定进步。1 9 9 6 年底，首都高速公路发展公司与美国a m t e c h 公司在首都机场高速 路进行了不停车收费试验，并于9 8 年投资1 千万元人民币成立了北京速通公司 专门进行不停车收费系统的业务发展。到1 9 9 9 年初，广东省路路通公司采用美国 t i 公司设备在佛山、顺德、南海等地集成了4 0 余象不停车收费车道并投入使用， 平均每车道日交易量已超1 0 0 0 次，在南海地区达到机动车保有量的5 0 。江苏 沪宁高速公路，也设计了二十余条不停车收费车道，目前处于系统调试阶段。由 中国公路工程监理咨询总公司与欧洲i n t e l l i g e n t 和g e m p l u s 合作的不停车收费系 统已经在河北、山东、上海、厦门等地进行了试验，拟于近期在河北邢台投入使 用。英国p e e k 公司在中国四川的合资公司一g 日) t l 现代系统控制工程有限公司也在 四川和深圳试验类似的系统。 目前，在国内开展不停车收费基础条件较好的广东省，省交通厅已委托广东 新粤有限公司负责全省不停车收费系统的建设和营运管理，试点工程涉及广东省 “五路两桥l 广佛、佛开、广清、广深、北环、虎门大桥、洛溪大桥，总投资逾2 亿元人民币，将在三至五年内全部完成。首期，广佛、佛开高速公路电子不停车 收费系统有望开通。 1 2 3 不停车收费系统的功能特点 不停车收费系统具有以下功能特点： 通行费不停车自动征收 结算中心准实时结算 不停车称重功能 实时监控、实时抓拍功能 2 郑州i 大学硕士学位论文 第一章绪论 n s e t c s ) 通过研究一种征收过往车辆通行费的装置，用于实现对车辆的不停车自 动收费。系统采用了射频i c 卡技术、模式识别技术、图像处理技术、计算机网络 和信息融合技术，通过对车载i c 卡进行非接触射频读写和实时拍摄过往车辆正面 和侧面图像，实现对车辆牌照和车型的自动识别，并通过计算机网络，将各收费 站和结算管理中心组成一个完整的公路不停车电子自动收费系统。 1 2 2 我国不停车收费的现状 从1 9 9 6 年1 0 月交通部公路科学研究所与日本丰田汽车公司就不停车收费系 统举行了中日技术交流和现场演示会以来，国内的不停车收费系统发展取得了一 定进步。1 9 9 6 年底，首都高速公路发展公司与美国a m t e c h 公司在首都机场高速 路进行了不停车收费试验，并于9 8 年投资1 千万元人民币成立了北京速通公司 专门进行不停车收费系统的业务发展。到1 9 9 9 年初，广东省路路通公司采用美国 t i 公司设备在佛山、顺德、南海等地集成了4 0 余象不停车收费车道并投入使用， 平均每车道日交易量已超1 0 0 0 次，在南海地区达到机动车保有量的5 0 。江苏 沪宁高速公路，也设计了二十余条不停车收费车道，目前处于系统调试阶段。由 中国公路工程监理咨询总公司与欧洲i n t e l l i g e n t 和g e m p l u s 合作的不停车收费系 统已经在河北、山东、上海、厦门等地进行了试验，拟于近期在河北邢台投入使 用。英国p e e k 公司在中国四川的合资公司一g 日) t l 现代系统控制工程有限公司也在 四川和深圳试验类似的系统。 目前，在国内开展不停车收费基础条件较好的广东省，省交通厅已委托广东 新粤有限公司负责全省不停车收费系统的建设和营运管理，试点工程涉及广东省 “五路两桥l 广佛、佛开、广清、广深、北环、虎门大桥、洛溪大桥，总投资逾2 亿元人民币，将在三至五年内全部完成。首期，广佛、佛开高速公路电子不停车 收费系统有望开通。 1 2 3 不停车收费系统的功能特点 不停车收费系统具有以下功能特点： 通行费不停车自动征收 结算中心准实时结算 不停车称重功能 实时监控、实时抓拍功能 2 郑州i 大学硕士学位论文 第一章绪论 n s e t c s ) 通过研究一种征收过往车辆通行费的装置，用于实现对车辆的不停车自 动收费。系统采用了射频i c 卡技术、模式识别技术、图像处理技术、计算机网络 和信息融合技术，通过对车载i c 卡进行非接触射频读写和实时拍摄过往车辆正面 和侧面图像，实现对车辆牌照和车型的自动识别，并通过计算机网络，将各收费 站和结算管理中心组成一个完整的公路不停车电子自动收费系统。 1 2 2 我国不停车收费的现状 从1 9 9 6 年1 0 月交通部公路科学研究所与日本丰田汽车公司就不停车收费系 统举行了中日技术交流和现场演示会以来，国内的不停车收费系统发展取得了一 定进步。1 9 9 6 年底，首都高速公路发展公司与美国a m t e c h 公司在首都机场高速 路进行了不停车收费试验，并于9 8 年投资1 千万元人民币成立了北京速通公司 专门进行不停车收费系统的业务发展。到1 9 9 9 年初，广东省路路通公司采用美国 t i 公司设备在佛山、顺德、南海等地集成了4 0 余象不停车收费车道并投入使用， 平均每车道日交易量已超1 0 0 0 次，在南海地区达到机动车保有量的5 0 。江苏 沪宁高速公路，也设计了二十余条不停车收费车道，目前处于系统调试阶段。由 中国公路工程监理咨询总公司与欧洲i n t e l l i g e n t 和g e m p l u s 合作的不停车收费系 统已经在河北、山东、上海、厦门等地进行了试验，拟于近期在河北邢台投入使 用。英国p e e k 公司在中国四川的合资公司一g 日) t l 现代系统控制工程有限公司也在 四川和深圳试验类似的系统。 目前，在国内开展不停车收费基础条件较好的广东省，省交通厅已委托广东 新粤有限公司负责全省不停车收费系统的建设和营运管理，试点工程涉及广东省 “五路两桥l 广佛、佛开、广清、广深、北环、虎门大桥、洛溪大桥，总投资逾2 亿元人民币，将在三至五年内全部完成。首期，广佛、佛开高速公路电子不停车 收费系统有望开通。 1 2 3 不停车收费系统的功能特点 不停车收费系统具有以下功能特点： 通行费不停车自动征收 结算中心准实时结算 不停车称重功能 实时监控、实时抓拍功能 2 郑州i 大学硕士学位论文 第一章绪论 车型、牌照识别功能 - 非法、冒充车辆的拦截功能 1 2 4 不停车收费系统的体系 3 郑州i 大学硕士学位论文 第一章绪论 车型、牌照识别功能 - 非法、冒充车辆的拦截功能 1 2 4 不停车收费系统的体系 3 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 5 不停车收费系统的网络结构 收费站数据库服务器、路段结算管理中心必须有一个固定i p 地址 车道控制机安装不停车收费前台系统软件 收费站数据库服务器安装s q l s e r v e r 2 0 0 0 和网络接口软件 结算管理中心安装数据库系统和网络接口软件 注：我们把车道控制系统称为前台，而把收费站数据库服务器、结算管理中心称 为后台。 4 塑型查堂亟主兰垡堡奎 篓二童! 兰l 1 2 6 不停车收费站的结构与性能特点 如上图所示，不停车收费站的主要设备有： 设备名称型功能 号 微机p l i完成收费结算、集中控制功 以能，可将其中一台作为服务 上器 阅读器完成车辆识别、数据采集、 并把数据传送至车道控制计 算机 摄象头完成图象抓拍功能 视频采集卡 完成图象模拟信号的数字 化，以便计算机能够处理 显示牌 显示车型、收费金额等信息 栏杆机 拦截欠费和非法车辆 地感线圈检测车辆驶离，使栏杆放下 车辆检测器与地感线圈配合，检测车辆 驶离 车道控制箱接收车道控制计算机指令， ( 控制器) 并控制显示牌显示、栏杆机 以及车辆检测，实现车道控 制管理功能。 5 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 工作原理 当载有电子标签应答器的车辆进入收费站入口时，就进入了阅读器可以感应 的区域。阅读器以无线的方式读取电子标签应答器中的数据，并传输到车道控制 机中，车道控制机根据接收的信息，查询数据库服务器中的相关记录，确定缴费 金额以及余额是否充足。如果余额充足，记录进入日期、时间、入口号以及所收 费用，同时实时拍摄车辆图象或牌照，并存储到计算机的硬盘中。如果是储值卡， 将直接从卡中扣除费用。然后，车道控制机发出指令，令红绿灯的绿灯亮，栏杆 机抬杆，车辆放行，车辆经过地感线圈使出后，地感线圈经控制器给栏杆机发指 令落杆。如果是非法车辆或余额不足，车道控制机发出报警，同时抓拍图象。待 人工缴费后，由工作人员按动栏杆机手工抬杆放行。 结算方式 不停车收费系统通常采用实时上传数据，实时结算的方式。收费站数据库服 务器通过网络接口将接收到的车辆信息( 如缴费信息等) 实时上传给结算中心， 结算中心结算后，在将结算后的数据同步到各个收费站的数据库中。 这种结算方式的特点如下： 结算基本上是实时的，从而避免了通行费漏缴的问题 上传、结算、同步是自动完成的，无须人工干预 后台结算与前台车辆数据采集是相互独立的，结算的快慢不影响前台车辆 的通行速度。 但如果网络一旦发生故障或拥堵导致无法正常联网，那么实时就将无法实 现，从而将影响到车辆的通行。解决的方法是将车载应答卡作成储值卡， 可直接从卡中扣钱，这样车辆可随时放行而不需要依赖网络。网络仍然来 进行结算，并对车辆储值卡的缴费信息进行核验。 。数据同步 在本系统中，每个收费站都有一个数据库，它们和结算中心的数据库完全相 同，所谓数据同步，就是通过网络，使结算中心已结算了的数据不停地传输到各 个收费站的数据库中，已保持结算中心数据库中的数据与各个收费站中的数据完 全一致。 郑州人学硕士学位论文第一章绪论 1 3 本人所做的主要研究工作 本人所做的主要研究、设计及实现的工作包括两部分：射频卡系统的研究与 实现和车道控制系统的研制。 1 3 1 射频卡系统的研究与实现 射频卡系统的主要设备有两种：阅读器和应答器。 其中，阅读器放置于收费站，用于读取卡号，扣除车载射频i c 卡的费用；应 答器即车载射频卡，用于记录充值信息及卡的序列号等信息。 阅读器和应答器构成一个点对点的数据通信系统。而若在阅读器的作用范围 即射频区内出现多个车辆应答器( 射频卡) ，就构成了一个点对多点的数据通讯系 统。 所以，借鉴计算机互联网络以及现场总线网络等数据通讯系统的协议标准， 我们从物理层、数据链路层、应用层三个层面上对不停车收费系统的射频卡系统 进行了研究、设计与实现。 1 物理层，构建构建一个完整的射频卡数据传输的物理通道。 2 数据链路层，解决数据完整性、数据安全性，以及在多卡竞争时决定何时 与谁进行对话及反碰撞的问题。 3 应用层，解决阅读器与上位机的通讯、报文传递等问题。 7 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 2 车道控制系统的研制 结合不停车收费站车道管理要求研制车道控制系统，实现以下功能： 1 显示收费信息 在不停车收费过程中，当车载射频卡将其数据传给收费计算机处理后，收费 站应将一帧相关收费信息显示出来给交费人看。 相关收费信息包括：车型信息，2 位；收费金额信息，4 位；收费余额信息， 4 位。 2 栏杆机控制 栏杆机平时处于放下状态，待收费完成后，由计算机指令控制f 控制升起栏 杆。出口的地感线圈检测到车辆走后，再控制放下栏杆。 3地感线圈检测 地感线圈检测车辆通过时的金属感应信号并处理为车辆通过的脉冲信号。 4非法车辆报警 非法车辆或余额不足，车道控制机发出报警。 8 郑州大学硕士学位论文 第二章射频卡系统综述 第二章射频卡系统综述 不停车收费系统通常采用实时上传数据，实时结算的方式。收费站的数据库 服务器通过网络接i s l 将接收到的车辆信息( 如缴费信息等) 实时上传给结算中心， 结算中心结算后，在将结算后的数据同步到各个收费站的数据库中。每个收费站 都有一个数据库，它们和结算中心的数据库完全相同，所谓数据同步，就是通过 网络，使结算中心已结算了的数据不停地传输到各个收费站的数据库中，己保持 结算中心数据库中的数据与各个收费站中的数据完全一致。 当车辆以一定车距顺次进入收费站的射频区( 阅读器的作用范围) ，阅读器读 出车辆的非接触射频i c 卡的序列号并传八本地车道控制计算机网络，计算机识别 后控制显示牌显示相应收费额，再连接远程网络由结算中心服务器从浚卡所属帐 号中扣除费用，并将结算后的数据同步给收费站的数据库，这时收费站才确认缴 费完毕，然后控制栏杆抬起放行。 上述整个收费过程的完成离不开一个实时的高速宽带的数据网络。 这就存在一个问题：如果联结收费站和结算中心的网络路由一旦发生故障或 出现拥堵从而导致无法正常联网，那么实时就将无法实现，从而必然影响到车辆 的放行。 而且目前大部分的公路包括高速公路还未联网。并且高速公路全面联网的费 用也相当高，这就必然将影响到不停车收费系统推广的进度。而目前的交通形势 又迫切地需要采用不停车收费方式以提高公路通行效率。 解决这个问题的一个可行的办法是将射频卡由只读型改为可读写型。费用可 在收费站直接从用户卡( 储值卡) 中扣除，然后将余额写入卡中就可将车辆放行。 联结收费站和结算中心的网络仍然需要，但其实时性就不必要求很高。因为其作 用转变为事后从结算中心服务器帐号结算“对账”。这样，一些普通公路的收 费站就可采取电话线联网的方式来实现。这对于不停车收费系统的推广有着重要 意义。 所以，本射频卡系统中的用户卡( 应答器) 是可读写型的。 本章首先对射频卡( 非接触式i c 卡) 技术、国际标准及其发展状况进行论述， 然后又对不停车收费系统中射频卡系统的设计与实现进行了综述。 9 郑州大学硕士学位论文第二章射频卡系统综述 2 1 射频卡技术与国际标准 半导体技术的突飞猛进使得于7 0 年代实现了将数据存储器和保护逻辑电路 集成到一块硅片上。而将集成芯片安装在一个识别卡内的想法早在1 9 6 8 年就由德 国的j u e r g e n d e t h l o f f 和h e l m u tg r o e t r u p p 提出并申请了专利。但直到1 9 8 4 年法国 电信将其引入电话卡时，i c 卡技术才取得了重大突破。 目前， i c 卡作为信息的电子载体己广泛应用于信息化社会的各个方面。 根据卡片与其阅读器是否存在机械接触，i c 卡分为接触式与非接触式两种。 1 0 郑州大学硕士学位论文 第二章射频卡系统综述 2 1 1 射频卡简介 非接触式i c 卡由于采用射频信号与阅读器通信因此又称为射频卡。它是世界 上最近几年发展起来的一项新技术，在卡片靠近读写器时即可完成卡中数据的读 写操作，它成功地将射频识别技术和i c 技术结合起来，解决了无源( 卡中无电源) 和免接触这一难题，是电子器件领域的一大突破，与接触式i c 卡相比较，射频卡 具有以下优点： l 可靠性高 非接触式射频卡与读写器之间无机械接触，避免了由于接触读写而产生的各 种故障。例如：由于粗暴插卡、非卡外物插入，灰尘或油污导致接触不良等原因 造成的故障。此外，非接触式射频卡表面无裸露的芯片，无须担心芯片脱落、静 电击穿、弯曲、损坏等问题，既便于卡片的印刷，又提高了卡片使用的可靠性。 2 操作方便、快捷 由于使用射频通讯技术，读写器在一定范围内就可以对卡片进行读写，没有 插拔卡的动作。非接触i c 卡使用时没有方向性，卡片可以任意方向掠过读写器表 面，读写时间不大于0 1 秒，大大提高了每次使用的速度。 3 安全防冲突 非接触式i c 卡的序列号是唯一的，制造厂家在产品出厂前已将此序列号固化， 不可更改。世界上没有任何两张卡的序列号会相同。非接触式i c 卡读写器之间采 用双向验证机制，即读写器验证i c 卡的合法性，同时i c 卡也验证读写器的合法 性。非接触式i c 卡在操作前要与读写器进行三次相互认证，而且在通讯过程中所 有数据都被加密。卡中各个扇区都有自己的操作密码和访问条件。 4 应用范围广 由于非接触式i c 卡具有更加方便、快捷的特点，可广泛应用于电子钱包、通 道收费控制、公交自动售票、停车场自动收费、食堂售饭、考勤和门禁等多种场 合。 郑州大学硕士学位论文第二章射频卡系统综述 2 1 2 射频卡的分类及国际标准 根据射频卡的作用距离远近将射频卡分为三种，并各有其国际标准 枥准卡类型作用距离 i s 0 1 0 5 3 6密耦合o l c m i s 0 14 4 4 3近耦合o1 0 c m i s 0 15 6 9 3 疏耦合 o 一1 m 密耦合i c 卡标准i s 0 1 0 5 3 6 主要是在1 9 9 2 年到1 9 9 5 年问发展的。由于 这种i c 卡的生产成本高而与接触i c 卡相比优点很少，这种密耦合系统从未在市 场上销售，并且至今几乎还没有应用。 近耦合和疏耦合i c 卡标准的制订工作国际标准i s 0 1 4 4 3 和i s 0 1 5 6 9 3 大约是1 9 9 5 年开始着手进行的。其中， 国际标准i s 0 1 0 5 3 6 由四部分组成，其标题是： 第部分：物理特性 第二部分：耦合区的尺寸和位置 第三部分：电信号和复位过程 第四部分：复位应答和传输协议 国际标准i s 0 1 0 5 3 6 由四部分组成，其标题是： 第一部分：物理特性 第二部分：射频界面 第三部分：初始化和反碰撞 第四部分：传输协议 国际标准i s 0 15 6 9 3 由四部分组成，其标题是 第部分：物理特性 第二部分：射频功率，信号接口和帧 第三部分：协议 第四部分：应用注册发行者 郑州大学硕士学位论文第二章射频卡系统综述 2 2 不停车收费系统中射频卡系统的设计 根据不停车收费的要求及目前非接触i c 卡技术的发展，我们发现从作用距离 ( 不停车收费系统要求大于5 米) 及可读写等指标要求综合来看，许多现成的非 接触i c 卡并不适合用在不停车收费系统中对高速行驶的车辆收费的需要。 因此这就要求根据不停车收费的实际情况来设计并实现一个适用的射频卡系 统。 不停车收费中的射频卡系统主要应有两种设备：阅读器和应答器。 其中，阅读器放置于收费站，用于读取卡号，扣除车载射频i c 卡的费用；应 答器即车载射频卡，用于记录充值信息及卡的序列号等信息。 阅读器和应答器构成一个点对点的数据通信系统。 而若在阅读器的作用范围即射频区( 我们的设计为8 0 米) 内出现多个车辆应 答器( 射频卡) ，就构成了一个点对多点的数据通讯系统。 收费过程的实质就是一个无线数据通信系统工作的过程。 实际上，我们设计的射频卡系统正是这样一个以射频能量或者说电磁场为媒 介实现数据通信的系统。点对点是半双工数据通信，点对多点是基于时分多址 ( t d m a ) 的防碰撞数据通信网络。 考虑到不停车收费过程中射频卡与阅读器的通讯特点，射频卡系统和计算机 互联网以及现场总线网络等一样是一个数据通信系统。只是在数据吞吐量和网络 拓扑上没有它们复杂，而在通信的可靠性与实时性上要求较高。所以，借鉴计算 机互联网络以及现场总线技术的网络协议标准，我们在物理层、数据链路层、应 用层三个层面上对不停车收费系统的射频卡系统进行设计。 第一，物理层，解决系统如何构建一个完整的信号传输物理通道的问题。这 一物理系统主要包括：高频信号发射接口与接收接口、基带信号编码系统、调制 与解调系统、数据同步系统与基带控制系统等。 实际承担这样任务的主要设备是阅读器和应答器。 第二，数据链路层，解决数据完整性、数据安全性，以及在多卡竞争时决定 何时与谁进行对话和反碰撞的问题。 郑州大学硕士学位论文 第二章射频卡系统综述 数据完整性是指解决识别传输错误，并启动校正措施，例如重新传输有错误 的数据或者进行纠错，从而保证传送数据的正确与可靠。主要是校验算法以及纠 错算法。 数据安全性是指对数据进行加密传输，这一点对于作为支付手段的射频卡是 尤为重要的。也就是选择合适的身份鉴别和加密传输的算法。 当有多个射频卡在收费站射频作用范围内时，有可能出现多卡竞争状况。选 择合适的反碰撞算法，确保阅读器与各个卡的顺畅通信而不冲突。也就是解决何 时与谁进行对话而不会有人干扰插话的问题。 第三，应用层，解决阅读器与上位机的通讯、报文传递等问题。 射频卡系统是整个不停车收费系统的一个子系统。配合收费站计算机软件乃 至网络结算应用，应制订合适的上传报文格式、下传指令格式以及接口等问题。 1 4 郑州人学硕士学位论文第三章射频卡系统的物理层设计 第三章射频卡系统的物理层设计 “代表信息的二进制数据比特流编码成基带信号，经过数字调制成为调制信 号，再对可以在空间进行传播的高频载波信号进行调制为己调波，然后经由天线 发射出去达到空间中某点的接受端，通过对接受信号的放大、解调以及解码再恢 复为数据。” 这描述了在无线传输信道中通过各种物理信号的变化实现数据传输的物理过 程。而对执行这一物理过程的物理系统的设计正是物理层设计的目标。 这一物理系统主要包括：高频信号发射接口与接收接口、基带信号编码系统、 调制与解调系统、数据同步系统与控制系统等子系统。 本章将针对射频卡系统中的高频接口、基带信号编码、数字直接调制解调以 及数据同步等技术进行论述，提出适合于不停车收费应用的射频卡系统各部分子 系统的实现方法，并且给出基于射频芯片n r f 4 0 1 的数据传输物理信道的具体实现 ( 包括阅读器与应答器等设备) 。 3 1高频接口 射频卡系统的高频接口的功能是产生高频的发射功率和接收高频信号。 3 1 1 射频卡系统的物理基础 射频卡系统是通过射频信号进行数据通信的物理系统。射频信号的本质是电 磁波。麦可斯韦定律解释了随时间变化的空间磁场如何感应有闭合电力线( 涡旋 场) 的电场。这个电场包围磁场，并且本身随时间变化。由于有旋电场随时间变 化，所以在空间产生有闭合磁力线的磁场( 涡旋场) 。这个磁场包围电场，并且本 身随时间变化，又产生了另外的电场。由于随时间变化的场的相互依赖关系，于 是在空间中有一系列的电场和磁场效应。 辐射只能以电磁场的有限传播速度( c = 3 0 0 0 0 0 k m s ；光速) 发生，它防止了 天线上的电压随着其附近的场的改变而突然改变。因此，即使在交流电压过零时， 仍在空间存在的前个半波的场力线并未在天线上结束，而闭合于它们本身形成的 涡流。发生在下一个半波的反向涡流，推进已经存在的涡流，于是能量存储在这 个场中并以光速c 远离辐射器。磁场与随时间变化的电场结合在一起，同时传播。 传播到一定的距离时，场被辐射器释放，并丌始电磁辐射( 远距离场) 。在高频时， 波长短，产生的辐射特别有效，因为在这种情况下分离直接发生在辐射器的附近， 1 s 郑州人学硕士学位论文第三章射频卡系统的物理层设计 第三章射频卡系统的物理层设计 “代表信息的二进制数据比特流编码成基带信号，经过数字调制成为调制信 号，再对可以在空间进行传播的高频载波信号进行调制为己调波，然后经由天线 发射出去达到空间中某点的接受端，通过对接受信号的放大、解调以及解码再恢 复为数据。” 这描述了在无线传输信道中通过各种物理信号的变化实现数据传输的物理过 程。而对执行这一物理过程的物理系统的设计正是物理层设计的目标。 这一物理系统主要包括：高频信号发射接口与接收接口、基带信号编码系统、 调制与解调系统、数据同步系统与控制系统等子系统。 本章将针对射频卡系统中的高频接口、基带信号编码、数字直接调制解调以 及数据同步等技术进行论述，提出适合于不停车收费应用的射频卡系统各部分子 系统的实现方法，并且给出基于射频芯片n r f 4 0 1 的数据传输物理信道的具体实现 ( 包括阅读器与应答器等设备) 。 3 1高频接口 射频卡系统的高频接口的功能是产生高频的发射功率和接收高频信号。 3 1 1 射频卡系统的物理基础 射频卡系统是通过射频信号进行数据通信的物理系统。射频信号的本质是电 磁波。麦可斯韦定律解释了随时间变化的空间磁场如何感应有闭合电力线( 涡旋 场) 的电场。这个电场包围磁场，并且本身随时间变化。由于有旋电场随时间变 化，所以在空间产生有闭合磁力线的磁场( 涡旋场) 。这个磁场包围电场，并且本 身随时间变化，又产生了另外的电场。由于随时间变化的场的相互依赖关系，于 是在空间中有一系列的电场和磁场效应。 辐射只能以电磁场的有限传播速度( c = 3 0 0 0 0 0 k m s ；光速) 发生，它防止了 天线上的电压随着其附近的场的改变而突然改变。因此，即使在交流电压过零时， 仍在空间存在的前个半波的场力线并未在天线上结束，而闭合于它们本身形成的 涡流。发生在下一个半波的反向涡流，推进已经存在的涡流，于是能量存储在这 个场中并以光速c 远离辐射器。磁场与随时间变化的电场结合在一起，同时传播。 传播到一定的距离时，场被辐射器释放，并丌始电磁辐射( 远距离场) 。在高频时， 波长短，产生的辐射特别有效，因为在这种情况下分离直接发生在辐射器的附近， 1 s 塑型奎堂翌主堂堡笙塞 仍有高场强存在之处。 的： 第三章射频卡系统的物理层设计 电磁波的波长 是从光的速度c 和辐射频率的商数中得出 = c f 3 1 在远距离场中，存在着电磁场的电场强度与磁场强度之间的固定关系。两种 场强经过波阻抗z f 互相关联： z f = e h = 4u0 0 = 3 7 6 7 3 q 3 2 在无线电技术中。场强大多数用相对数字给出。因而电场强度和磁场强度之间 的换算是比较简单的： h d b “a m = e d b u m 一5 1 5 d b 3 3 电磁波在远距离场( 自由空间) 中以近似光速传播。电磁波的场强随着辐射距 离的增加而降低。在无阻碍的传播下，下面的公式适用于从辐射源到距离d 的所 谓自由空间传播衰减a 为： df d b = 一1 4 7 6 + 2 0 1 0 9 ( d ) + 2 0 l o g ( f ) 3 4 3 1 2 几种不同类型的高频接口 根据信号形式的不同，射频卡系统有不同类型的高频接口： 1 电感耦合系统 发送器由( 频率) 稳定的石英震荡器产生具有所需工作频率的信号。而为了 不影响极度微弱接收信号的信噪比，对震荡器的相位稳定性和边带噪声有很高要 求。 震荡器信号被馈送到由信号编码的基带信号控制的调制级。此基带信号就是 键控的恒压信号( t t l 电平) ，在此将二进制数据以串行码的形式 ( m a n c h e s t e r ，m i l l e r ，n r z ) 表示出来。根据调制器的类型会执行对震荡器信号的 a s k 或p s i ( 调制。也可以进行f s k 调制，此时基带信号会被直接馈送至g 频率合成器。 通过功率输出级使调制后的信号达到所需要的电平，然后就可以将它输出耦 合到天线端上。 接收器直接开始于天线端，前端第一个组件是具有陡峭边沿的带通滤波器。 然后放大器和解调器。 我们所设计的射频卡系统正是采用此类高频接口。 2 微波系统 1 6 塑型奎堂翌主堂堡笙塞 仍有高场强存在之处。 的： 第三章射频卡系统的物理层设计 电磁波的波长 是从光的速度c 和辐射频率的商数中得出 = c f 3 1 在远距离场中，存在着电磁场的电场强度与磁场强度之间的固定关系。两种 场强经过波阻抗z f 互相关联： z f = e h = 4u0 0 = 3 7 6 7 3 q 3 2 在无线电技术中。场强大多数用相对数字给出。因而电场强度和磁场强度之间 的换算是比较简单的： h d b “a m = e d b u m 一5 1 5 d b 3 3 电磁波在远距离场( 自由空间) 中以近似光速传播。电磁波的场强随着辐射距 离的增加而降低。在无阻碍的传播下，下面的公式适用于从辐射源到距离d 的所 谓自由空间传播衰减a 为： df d b = 一1 4 7 6 + 2 0 1 0 9 ( d ) + 2 0 l o g ( f ) 3 4 3 1 2 几种不同类型的高频接口 根据信号形式的不同，射频卡系统有不同类型的高频接口： 1 电感耦合系统 发送器由( 频率) 稳定的石英震荡器产生具有所需工作频率的信号。而为了 不影响极度微弱接收信号的信噪比，对震荡器的相位稳定性和边带噪声有很高要 求。 震荡器信号被馈送到由信号编码的基带信号控制的调制级。此基带信号就是 键控的恒压信号( t t l 电平) ，在此将二进制数据以串行码的形式 ( m a n c h e s t e r ，m i l l e r ，n r z ) 表示出来。根据调制器的类型会执行对震荡器信号的 a s k 或p s i ( 调制。也可以进行f s k 调制，此时基带信号会被直接馈送至g 频率合成器。 通过功率输出级使调制后的信号达到所需要的电平，然后就可以