（电路与系统专业论文）基于车辆管理的rfid读写器设计.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本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 含为获得武汉理工大学或其他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。 2 - o ( 二o 皇弓。 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位 论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认 可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会 公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 、小 研究生( 签名) ：程仁镊导师( 签名) ：j 殇瞅日期加j 2 。箩弓勺 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着我国经济和汽车工业的迅速发展，使我国汽车的保有量与日俱增，但 如何对这些车辆进行快捷高效的管理是个值得深思的问题，而传统的和现有的 车辆管理方式效率都不够高，同时，交通部门大力推行e t c 系统的应用和普及， 使得车辆标签( o b u ) 的普及率大大提高，为现今的车辆管理提供了一个切实 可行的方案。 本文主要围绕车辆管理系统中r f i d 读写器的设计来展开，对车辆管理系 统的系统组成和解决方案做了说明，根据国家标准中规定的o b u 的性能参数提 出了本系统中r f i d 读写器的具体设计结构和设计参数。 射频收发电路作为r f i d 读写器中关键部分，本文首先对射频收发电路的 结构做了基本分析，并对其设计方案作分析和比较。根据所要设计的性能指标， 确定选用m l 9 6 3 6 芯片作为射频收发芯片，对其电路原理图和p c b 部分进行设 计，并对其p c b 设计中注意的问题进行了说明。针对m l 9 6 3 6 的接收灵敏度不 能完全达到设计参数，外部添加一级l n a 以提高其灵敏度，针对l n a 的设计 参数选用了m g a 6 6 5 p 8 作为射频前端放大器，对m g a 6 6 5 p 8 进行电路设计和 匹配设计，并结合a d s 软件进行仿真，以达到优化其接收灵敏度的目的。同时 针对m l 9 6 3 6 的发射功率未达到设计参数中的功率，在外部添加多级功率放大 电路以达到所设计的功率参数。 根据其数据链路层的需要和基带部分的控制与数据处理选用s t r 7 1 0 作为 基带电路的核心控制芯片，并对其最小系统及外围功能模块电路进行设计和说 明。针对网口通信的应用选用w 5 2 0 0 作为以太网口通信接口芯片，并对其具体 电路进行设计。在r f i d 读写器的软件部分，对m l 9 6 3 6 、h d l c 模块的详细配 置过程进行说明，以实现相应模块的功能。并且对w 5 2 0 0 网口通信部分的程序 进行设计，对r f i d 读写器的软件流程和d s r c 通信流程进行说明。 关键词：射频识别，读写器，5 8 g h z ，低噪声放大器，车载电子标签 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r y se c o n o m i ca n da u t o m o t i v ei n d u s t r y , 0 1 1 1 c o u n t r y sc a l o w n e r s h i pi sg r o w i n gr a p i d l y , b u th o wt om a n a g et h e s ev e h i c l e s e f f i c i e n t l y i sat h o u g h t p r o v o k i n g q u e s t i o n ，a n d t h e e f f i c i e n c y o fv e h i c l e m a n a g e m e n t m e t h o d sa r en o th i g he n o u g h ，m e a n w h i l e ，t h et r a n s p o r ts e c t o r v i g o r o u s l yp r o m o t e st h ea p p l i c a t i o na n dp o p u l a r i z a t i o no ft h ee t cs y s t e m ，m a k e s t h ep o p u l a r i z a t i o no fv e h i c l et a g s ( o b u ) g r e a t l yi m p r o v e d ，a n dp r o v i d e sap r a c t i c a l m e t h o df o rt o d a y sv e h i c l em a n a g e m e n t t h i sp a p e rm a i n l yf o c u s e do nt h ed e s i g no fr f i dr e a d e ri nt h ev e h i c l e m a n a g e m e n ts y s t e m t h ep a p e rd e s c r i b e d t h ec o m p o n e n t sa n dt h es o l u t i o no f v e h i c l em a n a g e m e n ts y s t e m a c c o r d i n gt op a r a m e t e r sb a s e do nn a t i o n a ls t a n d a r d so f o b u ，t h es p e c i f i cd e s i g no ft h er f i dr e a d e rs y s t e ms t r u c t u r ea n dt h es p e c i f i cd e s i g n r ft r a n s c e i v e rc i r c u i ta sak e yp a r to ft h er f i dr e a d e r , t h ep a p e rf i r s t l y a n a l y z e dt h es t r u c t u r eo fr f t r a n s c e i v e rc i r c u i t ，a n a l y z e da n dc o m p a r e dt w ok i n d so f t h ed e s i g no fr ft r a n s c e i v e r a c c o r d i n gt ot h ed e s i g np a r a m e t e ro fr fr e a d e r , i c h o o s em l 9 6 3 6a st h ec h i po fr ft r a n s c e i v e r t h e nd e s i g nt h es c h e m a t i ca n dp c b p a r to fm l 9 6 3 6 ，a n dd e s c r i b et h ep o i n t st h a tn e e dt op a ya t t e n t i o nt ow h e nd e s i g n t h em l 9 6 3 6c i r c u i tb o a r d h o w e v e r , t h es e n s i t i v i t yo fm l 9 6 3 6c a nn o tf u l l ya c h i e v e t h ed e s i g ns e n s i t i v i t y , s ot h ee x t e r n a ll n ai sa d d e dt oi m p r o v et h es e n s i t i v i t yo ft h e r fr e c e i v e r i no r d e rt oa c h i e v et h ep a r a m e t e ro fl n a ，ic h o o s em g a 一6 6 5 p 8a st h e r ff r o n t - e n dc h i p ，a n dd e s i g nt h eb a s i cc i r c u i ta n dm a t c h i n gc i r c u i to fm g a 一6 6 5 p 8 t h e nc o m b i n e dw i t ht h es i m u l a t i o no fa d ss o f t w a r e ，s i m u l a t et h ec i r c u i ta n d o p t i m i z et h es e n s i t i v i t yo ft h er fr e c e i v e r a l s o ，t r a n s m i tp o w e rc a n n o ta c h i e v et h e d e s i g np o w e r , s e v e r a lp o w e ra m p l i f i e r sa r ec o n n e c t e do u t s i d ei no r d e rt oa c h i e v et h e d e s i g np o w e rp a r a m e t e r a c c o r d i n gt ot h en e e do fd a t al i n kl a y e ra n dt h ec o n t r o la n dd a t ap r o c e s s i n go f b a s e b a n dp a r t ，s t r 710i sc h o o s e da st h ec o r ec o n t r o lc h i pf o rt h eb a s e b a n dc i r c u i t 。 i i c o m m u n i c a t i o no fw 5 2 0 0 a l s o ，r f i dr e a d e rs o f t w a r e p r o c e s s a n dd s r c c o m m u n i c a t i o np r o c e s sa r ed e s c r i b e d k e yw o r d s ：r f i d ，r e a d e r , 5 8 g h z ，l n a ，o b u i i i 目录 第1 章绪论1 1 1 研究背景及意义1 1 2 国内外发展现状2 1 2 1 国外e t c 系统发展及现状2 1 2 2 国内e t c 系统发展及现状3 1 3 本文研究工作及内容。4 第2 章r f i d 读写器系统组成5 2 1r f i d 技术原理及分类5 2 2 车辆管理系统组成及架构7 2 3r f i d 读写器设计相关标准9 2 3 1d s r c 国家标准9 2 3 2 物理层1 0 2 3 3 数据链路层1 1 2 4r f i d 读写器设计参数及结构1 2 2 5 本章小结1 3 第3 章射频电路模块设计14 3 1 射频收发电路实现方案1 4 3 2 基于m l 9 6 3 6 的射频收发电路1 5 3 2 1m l 9 6 3 6 及内部结构1 5 3 2 2 射频收发电路的设计1 6 3 3 外部l n a 设计2 2 3 3 1l n a 概j 查2 2 3 3 2l n a 主要技术指标2 3 3 3 3l n a 电路的设计2 4 3 4 本章小结。3 0 第4 章基带电路模块设计31 4 1 基带电路结构3 1 4 2 基于s t r 7 10 微控制器及外围电路3 2 4 2 1s t r 7 1 0 微控制器3 2 4 2 2 高级数据链路控制器( h d l c ) 3 3 4 2 3 基于s t r 7 1 0 外围电路。3 5 4 3 以太网通信模块电路3 7 4 4 本章小结3 8 第5 章r f i d 读写器软件部分设计3 9 5 1 软件组成架构3 9 5 2m l 9 6 3 6 配置程序4 0 5 3w 5 2 0 0 网络通信模块编程4 3 5 4d s r c 通信的实现4 7 5 4 1h d l c 数据的发送与接收4 7 5 4 2d s r c 通信流程4 8 5 5 本章小结5 0 第6 章系统调试与测试5 1 6 1 射频电路调试51 6 2 基带电路调试5 4 6 3 本章小结5 5 第7 章总结与展望5 6 致谢5 7 参考文献5 8 当前，随着社会经济的发展和城市化进程的加速，人口迅速向城市迁移聚 集。人口和车辆的数量在不断攀升，由于汽车作为现代社会中十分重要的交通 工具，这些车辆经常要进出各小区以、厂区及企业等，而如何对这些车辆进行 科学的管理是不容忽视的问题。 传统的车辆管理方式是通过人工登记、核对等过程来对车辆进行管理，然 而这种管理方式一方面劳动强度大、效率低，另一个主要弊端是管理人员容易 产生主观的失误及漏洞，自动化程度低，故这种方式现在已很少见。近年来多 采用r f i d 技术对车辆进行管理，即通过无线通信识别的方式来对车辆进行管 理，车主只需稍停下，将电子标签靠近r f i d 读写器，便可完成射频识别的过 程，而车辆管理则是通过i 奸i d 识别的结果由嵌入式设备或计算机进行处理与 控制，这种管理方式大大降低了劳动成本，提高了工作效率，并且由于射频标 签有相应的安全认证模块，使得这种管理方式安全可靠。但是这种车辆管理方 式不管对车主及车辆管理人员来说还是要经过比较繁琐的过程，车辆在通过道 闸机过程中，驾驶员要完成一系列动作，如：“减速 、“停车 、“开车窗 、“等 待保安确认 、“等待挡杆抬起 、“开车 等，显然，这虽能完成智能化管理功 能，但管理效率仍然低下。 随着国内外不断推行e t c ( 电子不停车收费系统) ，越来越多的车载电子 标签( o b u ) 被装在了车主的车辆中。e t c 是一种用于高速公路、大桥及隧道 等收费应用领域，通过路侧单元( r s u ) 与车载单元( o b u ) 之间进行专用短 程无线通信( d s r c ) ，不需要任何人工操作，全自动完成收费功能i l 】。而对于 如此多的车辆所装的车载电子标签，并且e t c 为用户提供了良好的通行能力， 因此完全可以利用现成已有的车载电子标签，完成对小区、厂区及企业等进行 车辆管理。 本课题旨在研究并设计一高效、便捷且性价比高的r f i d 读写器，利用现 有的e t c 车载电子标签，车辆通过闸道机时只需稍减速，管理系统的读写器便 武汉理工大学硕士学 通过射频无线通信的方式自动读取车辆中电子标签的信息。车辆在较远的距离 ( 几米) 便可完成车辆信息识别登记的过程，由于车辆进出小区及厂区时无需 停车，射频无线通信速率较快，可以大大提高车辆管理的效率。并且由于现有 的用于车辆管理的r e i d 读写器成本均较高，降低成本也成了本课题中的一项 内容。 1 2 国内外发展现状 1 2 1 国外e t c 系统发展及现状 国外对e t c 技术的研究已有2 0 多年，对e t c 中的关键技术等已有深入的 研究。最典型的像美国、欧洲等许多国家都已经对e t c 电子不停车联网收费的 应用已有大规模的发展和应用。上个世纪7 0 年代，e t c 技术作为电子不停车 收费已经开始在美国的纽约和新泽西有初步应用，车主可通过预付款或者信用 卡的方式来缴纳公路通行费用【3 】。而像这种电子不停车收费的方式已经成为美 国回收公路投资和养路费的高效率手段，而e - z p a s s 系统成为最著名的联网运 行电子不停车收费系统。到了八十年代，收费公路越来越拥挤，此时美国也开 放了“短距离通讯电子识别技术 的专利权，a m t e c h 公司就将这一技术应用 在电子收费领域，建立了当时北美第一个电子收费系统，为这种系统的发展拉 开了序幕。1 9 8 9 年电子收费系统也在美国德克萨斯州达拉斯市南部的高速公路 上投入使用，紧接着也运用在连接纽约和新泽西的l i n c o l n 隧道中。从这个时候 开始射频识别技术在电子收费系统中奠定了坚实的基础。到了九十年代，r e i d 技术飞速发展，电子收费系统也迎来了发展的高峰期。美国的俄克拉荷马州在 高速公路上建立了第一个开放的电子收费系统。在1 9 9 2 年休斯顿使用了以 “t i t l e 2 1 标签为基础的电子收费系统。随后，美国东北地区的7 个独立运营 的收费代理处采取合作，联合成立了e - z p a s s 代理集团。在美国拥有收费公路 的总共3 5 个州，几乎所有的收费系统都能够进行电子收费。从1 9 9 7 年7 月开 始的一年半时间中，共计2 3 条专用e t c 车道的电子不停车收费网络就承担了 整个月平均交易量的4 3 ，高峰时段甚至达到5 5 - 6 0 。 欧洲的e t c 发展历史也很长。1 9 8 7 年，挪威正式使用了第一个商业化的 r e i d 电子收费系统【4 】。其后，欧盟的其他国家如英国、法国、意大利等先后开 始e t c 的应用。葡萄牙的v i a v a r d e 系统是其中很具有代表性的电子收费系统， 2 武汉理工大学硕士学位论文 它采用封闭式与开放式两相结合的方式4 1 。欧洲这些国家 收费设备，并且也已经进行了一定范围的应用。但欧洲很多国家的面积都很小， 由于这一地理特征，车辆在跨国跨地区的时候，会遇到不同的收费技术标准和 不同的收费设备在不同的国家地区之间无法通用的情况【5 j 。所以欧洲标准化委 员会开始统一的标准，虽然最开始推出的标准因为国与国之间的利益冲突等问 题而遇到重重障碍，但统一标准的收费技术带来的利益更大，所以欧洲标准委 员会经过一年的各方面协调工作后通过了收费技术的标准1 6 j 。各国现有体系的 收费站都将统一采用开发完善后的收费系统。 日本起初在1 9 9 5 年也开始在全国各地进行e t c 系统的实地试验，但是技 术上存在难度和不统一性，直到1 9 9 9 年才开始真正意义上的e t c 网络的建设， 最初在日本东京附近得到大范围应用【_ 7 1 。由于起初也积累了相关经验，自2 0 0 0 年开始在全国许多地区如大阪、名古屋等多条高速公路进行e t c 系统的建设， 约有一百多个e t c 收费站及四百多条e t c 车道，而到2 0 0 1 年3 月开始对e t c 网络进行全国性大规模的建设【8 】。到目前为止，车载标签o b u 的用户数量已达 到2 3 0 0 万之多，e t c 的普及率接近8 0 ，使得日本e t c 产品处于比较成熟的 阶段。澳大利亚运用的是被誉为最先进的e t c 系统之一的自由流电子收费系 统。新加坡在城市管理系统应用了全敞开式电子收费系统。而韩国、泰国等国 家也已经在进行电子收费技术的研究及应用。 1 2 2 国内e t c 系统发展及现状 在我国，e t c 系统发展要比欧美等国家都晚一些，我国的e t c 系统的建设 与应用，从概念的推广到局部的应用经历了一段不短的时间，上个世纪9 0 年代 初开始对e t c 系统展开研究和实践。最初的e t c 应用是在香港开始发展的， 自1 9 9 2 年开始，香港已经在多条主要道路公路及隧道进行不停车收费系统的建 设。而1 9 9 9 年，四川、山东等省份也率先提出对公路进行联网收费的概念。在 2 0 0 4 年广东省已经开通了1 5 0 条高速公路不停车收费车道。2 0 0 7 年长三角高速 公路也开始对电子不停车收费进行试点启动。2 0 0 8 年底，长三角高速公路正式 开通e t c 系统的试运行。包括上海市的8 0 条e t c 车道及江苏省的2 3 条e t c 车道，率先对车辆进行不停车收费的试运行 9 1 。同时在2 0 11 年，武汉正式开始 使用e t c 电子不停车收费技术对车辆过桥或隧道的通行费用进行征收，按次缴 纳通行费。 武汉理工大学硕士学位论文 近年来，我国相继出台了若干个e t c 标准，积极推动了e t c 在我国的发展， 已经出台了的e t c 国家标准主导了我国现在e t c 的发展，对e t c 设备的性能 参数等有了统一的指标，既使客户车主的o b u 设备通用化，同时又使厂商的设 备也统一化。 总体来说，中国e t c 技术的发展处于开始实施大规模的e t c 网络建设阶 段。随着城市智能交通建设的启动，刚性需求的出现，以高速公路、路桥收费 应用为点，会为e t c 发展带来更大的机遇和发展空间。 1 3 本文研究工作及内容 本论文以基于车辆管理的r f i d 读写器的设计为目的，r f i d 读写器作为整 个车辆管理系统中关键的一部分，其功能是与车载电子标签进行射频无线通信， 提取车辆及车主信息等并判断车载电子标签的合法性，最后将射频通信的结果 上传至计算机，从而实现对车辆进行识别及管理，本论文将整个课题的研究分 为以下三个部分完成： ( 1 ) 总体方案设计 这个部分分析了射频识别系统的原理和工作方式，并确定本课题中采取方 案，与同类r f i d 读写器进行比较。r f i d 读写器的组成结构及方案分析。 ( 2 ) r f i d 读写器硬件部分设计 硬件部分设计中，又分为射频部分与基带部分。射频部分主要研究了射频 收发系统的结构及原理，对射频收发系统进行理论分析及选型，设计了一套 5 8 g h z 频段的a s k 调制方式的收发电路，并进行p c b 的设计，焊接调试并实 现相应功能；基带部分主要完成了微控制器及外围通信接口电路的选型及设计， 并提出了具体设计方案；对整个系统的射频与基带部分组装调试。 ( 3 ) r f i d 读写器软件部分设计 系统软件也分为几个模块：对射频收发模块进行配置及初始化，以设定其 工作模式及参数等；通过编程实现h d l c 帧协议格式的数据发送与接收，对网 口通信模块进行编程，以实现相应的功能；设计了一整套d s r c 通信流程，使 r f i d 读写器与车载电子标签按照此流程规则进行通信。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章r f i d 读写器系统组成 2 1r f i d 技术原理及分类 r f i d 技术又称为射频识别技术，是通过射频无线电信号识别相应识别目标 并读写相关数据的技术。r f i d 技术的实现无需识别系统与识别目标进行物理或 机械的接触。最初的识别目标是能够接收和回复识别系统信息数据的电子模块， 由于近年来r f i d 技术的迅速发展，识别目标常被称作电子标签。而r f i d 读写 器( 识别系统) 通过天线与电子标签进行无线通信，即可实现对目标电子标签 的识别和数据的读写。典型的r f i d 读写器包括射频发射和接收模块、电源、 控制模块及天线等。r f i d 技术具有很大的优势，通过射频信号来传递相应的数 据信息，为非接触式的自动识别技术，识别过程无需人工干预，并且可工作在 多种恶劣环境中，并且能对多个标签同时进行操作，效率高且操作方便【l0 1 。 图2 - 1r f i d 系统组成结构 r f i d 系统中通常由电子标签和读写器两大部分组成，如图2 1 所示。标签 由射频模块、控制模块、存储器及耦合天线等组成【1 1 1 ，每个标签具有唯一的电 子编码，用于识别目标对象；r f i d 读写器由电源、射频模块、控制模块和天线 等组成，并且许多r f i d 读写器可以与计算机进行通信，天线则负责在电子标 武汉理工大学硕士学位论文 签和r f i d 读写器之间传递射频信号。 r f i d 技术基本工作原理：当标签进入到识别区域时，r f i d 读写器发出射 频信号，从电磁感应的感应电流所获得的能量来对标签进行供电( 无源标签或 被动式标签) ，或者由电子标签本身主动发出射频信号( 有源标签或主动标签) ， r f i d 读写器读取相应标签的通信数据并送往控制单位进行数据处理，并进行一 次通信或多次通信的过程。除了硬件部分，r f i d 系统还有相应的软件系统来实 现功能，主要负责对相应通信数据的处理和一些基本的控制等。 r f i d 读写器和电子标签之间通信按照能量耦合的方式大致分为两类：近距 离电感耦合和远距离电磁耦合，如图2 2 所示。一般低频的r f i d 系统大都采用 近距离电感耦合的方式，电感耦合是指通过空间电磁感应来实现的耦合；而较 高频率的r f i d 系统多采用远距离电磁耦合，也称为电磁反向散射，读写器发 射的电磁波到达电子标签后有一部分被标签吸收，还有一部分被标签散射出去， 被散射出去的能量有部分能被r f i d 读写器接收，成为远距离电磁耦合。 近距离电感耦合远距离电磁耦合 图2 2 电感耦合和电磁耦合 电子标签根据调制方式的不同分为主动式和被动式。主动式标签是是通过 自己本身主动向r f i d 读写器发送射频信号，一般射频能量由自己本身的电源 提供；发射而无源标签一般为被动式，有源标签一般为主动式，调制方式可为 调幅、调频或调相，由于其内部有电源供电，主动式电子标签一般拥有较远的 识别距离、较大的存储容量和较快的反应速度，并且可以同时识别多个电子标 签，但是其成本相对较高，寿命也相对较短；被动式标签则没有内部电源供电， 其工作能量需有r f i d 读写器发射的电磁波来提供，由于其成本低、体积小、 无需电源，被动式标签在门禁考勤、交通管理等领域具有较广泛的应用。表2 1 对主动式标签和被动式标签主要性能做一比较。 6 武汉理工大学硕士学位论文 表2 - 1 主动式标签与被动式标签对比 对比项主动式标签被动式标签 能量来源自身电源供电，可持续供电通过电磁感应获取 工作距离 可达1 0 0 m可达3 - - 5 m ，通常2 0 - - - - 4 0 c m 存储容量可达1 6 k b 以上通常小于1 2 8 b 信号强度要求低 高 平均价格同低 工作寿命2 4 年长 r f i d 系统按工作频率又分为有低频、高频、超高频和微波。低频段穿透及 绕射能力强，但速度慢、距离近，主要用于门禁、防盗系统、畜牧、宠物管理 等；高频段性价比适中，适用于绝大多数环境，但抗冲突能力差，主要用于智 能卡、电子票务、图书管理、商品防伪等领域；超高频段速度快，作用距离远， 但穿透能力弱，且全球标准不统一，主要用于仓储管理、物流跟踪、自动控制 等领域；微波段一般为有源系统，作用距离远，但抗干扰能力差，主要应用于 道路收费领域。各工作频段比较如表2 2 所示。 表2 2r f i d 频段特性 参数低频( l f )高频( h f )超高频( u h f )微波( u w ) 频率 1 2 5 1 3 4 k h zl3 5 6 m h z4 3 3 m 【h z ，2 4 5 g h z ， 8 6 0 9 6 0 m h z5 8 g h z 穿透及绕射能性价比适中，速度快、作用一般为有源系 力强( 能穿透适用于绝大多距离远；但穿统，作用距离 水及绕射金属数环境；但抗透能力弱( 不远；但抗干扰 技术特点物质) ；但速度冲突能力差能穿透水，被力差 慢、距离近金属物质全反 射) ，且全球标 准不统一 作用距离 1 0 m 门禁、防盗系智能卡仓储管理道路收费 主要应用统电子票务物流跟踪 畜牧、宠物管图书管理航空包裹 理商品防伪 自动控制 2 2 车辆管理系统组成及架构 一套完整的车辆管理系统由道旁设备、车载单元、结算系统、附加设施等 7 武汉理工大学硕士学位论文 许多元素组成，如图2 3 所示，按系统大致可分为前台系统和后台系统两部分。 前台系统的功能是利用r f i d 技术完成车辆信息的采集，将采集的车辆、车道 等信息通过计算机网络上传到相应的服务器进行处理。后台系统的主要功能是 根据传送的业务数据在相应的服务器上完成用户在进出各单位或小区上数据库 的管理与处理。 传输网络 图2 3 车辆管理系统组成 前台系统的工作任务主要为识别车辆在进出道闸机的通行合法性，确定车 辆进出口地址和事件；获取车辆及车主信息；对通过车辆控制管理；对不合法 的车辆进行现场抓拍图像，捕捉证据；与后台通信联系交换数据。前台车辆识 别系统的组成示意图如图2 4 所示，系统配置设备主要有：控制计算机、天线、 读写器模块、地感检测线圈、自动栏杆、费额显示器、信号灯、报警器、抓拍 及监视录像机等。系统工作流程为：当带有车载电子标签的车辆进入地感线圈 时，地感线圈得到信号，同时r f i d 读写器与车载标签通过微波天线进行无线 通信，并判断是否合法，如果是合法的，在相应的l e d 显示屏显示相应的信息 并打开道闸，允许车辆通过，并且读取车载标签中的用户费用信息、车辆及车 主信息等，完成对车辆的收费。如果车辆不合法，则通过报警器报警并进行对 车辆进行抓拍。车辆出入的全部信息均由电脑实时记录，生成车流量的准确日 报、月报统计表并将信息传送给系统后刨1 2 】。 8 圈圈 劫 武汉理工大学硕士学位论文 后台系统的主要任务是向客户发售车载电子标签及其初始化、接收前台收 费数据文件、交易和结算等。后台系统实际上是一个具有财务结算性质的计算 机网络。 整套车辆管理系统中的设计难点之一在于r f i d 读写器与车载电子标签的 微波通信与通信流程的实现上，由于要使用现有的e t c 车载电子标签，r f i d 读写器的设计标准也应按照e t c 系统中所用的读写器参数，即要在几百毫秒内 完成可靠的射频数据通信，因此r f i d 读写器的要有优越的性能和较高的稳定 性可靠性。 显示嚣 车道控制叠 读写器 图2 4 车辆识别系统示意图 2 3r f i d 读写器设计相关标准 单位 ( 小区) 由于本课题设计中拟通过现有e t c 车载电子标签实现车辆管理，而要与 e t c 车载电子标签进行有效的通信，涉及到频率、数据传输速率、调制方式、 数据格式等参数信息，因此设计中要参考e t c 系统中相关参数，本节将对e t c 中相关参数做简单介绍。 2 3 1d s r c 国家标准 专用短程无线通信( d s r c ，d e d i c a t e ds h o r tr a n g ec o m m u n i c a t i o n s ) 是智 能运输系统( i t s ，i n t e l i g e n c et r a n s p o r ts y s t e m ) 运作的协议基础，更是e t c 系统的各种软硬件的研究与建设都要以此作为理论依据和测试标准1 3 j 。 9 武汉理工大学硕士学位论文 d s r c 的出现为智能交通领域的发展提供了协议支持，d s r c 能提供高速 的数据传输，并且能够保证通信连路的低延时，保证系统的可靠性，是专门用 于车辆通信的技术【1 4 】；作为一种短距离通信的专用标准，d s r c 负责在道路与 车辆、车辆与车辆之间建立可靠的双向通倒1 5 】。 目前各个国家均制定了相应的d s r c 标准。美国起初规定的是9 1 5 m h z 作 为通信频段，后经过多次调整，通信频段最后确定为5 8 g h z 频段i i6 j ；日本经 过国内大范围实地场外测试，确定了以5 8 g h z 作为d s r c 标准物理层通信频 段；欧洲也将d s r c 标准通信频段规定为5 8 g h z f l 7 1 。如此世界上主流的三个标 准在通信频段上基本一致，但是各个标准又有不同之处，各标准的异同点如表 2 3 所示。 表2 - 3 各国d s r c 标准比较 地区频率主( 被)调制方式通信协议传输速率 g h z动方式( k b i t s ) 欧洲5 8被动式a s k ，b p s kh d l c上行2 5 0 ， c e n 2 7 8下行5 0 0 美国a s t 5 8主( 被) q p s k t d m a5 0 0 m i e e e 动式，主 从通信 日本 5 8主动式 a s k ，q p s k f s m s m d s 1 0 2 4 t c 2 0 4a c t s 中国 5 8主动式a s kh d l c 上行5 1 2 ， t c 2 0 4下行2 5 6 d s r c 标准作为e t c 中的重要组成部分，中国也制定了相应的标准，国家 智能交通系统研究中心于2 0 0 7 年3 月，制定并发布了国家d s r c 标准 g b t 2 0 8 5 1 2 0 0 7 电子收费专用短程通信，包括：电子收费专用短程通信物 理层、电子收费专用短程通信数据链路层、电子收费专用短程通信应用层、 电子收费设备应用以及电子收费物理层主要参数测试方法共五个文档。 国家d s r c 标准的确定，为国内e t c 产业和应用带来了蓬勃的发展。 2 3 2 物理层 d s r c 标准g b t 2 0 8 5 1 2 0 0 7 中对物理层做了相应的规定，其主要技术特征 是：5 8 g h z 主动式通信，2 5 6 k b p s 下行5 1 2 k b p s 上行速率( a 类) ，1 m b p s 上下 行链路速率( b 类) ，a 类设备主要针对两片式电子不停车收费应用，b 类设备 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 则兼顾扩展了其他智能交通系统短程通信传输业务的可能性1 1 8 】。由于目前业界 厂商提供的基于g b 2 0 8 51 技术体系的国标e t c 产品基本上是针对a 类技术指 标开发的，此类产品适合于当前封闭路网条件下的匝道式收费模式，因此本课 题中仅针对a 类链路进行系统设计，表2 4 中给出了a 类链路的主要物理层参 数。 表2 4d s r c 物理层上下行链路参数 n o 参数下行链路上行链路 信道1 5 8 3 0 g h z5 7 9 0 g h z 1 载波频率 信道2 5 8 4 0 g h z5 8 0 0 g h z 2等效全向发射功率三- + 3 3 d b m + 1 0 d b m 3临道泄漏功率比3 0 d b3 0 d b 天线半功率 水平面 3 8 0 4 7 0 0 波瓣宽度 垂直面 i 时是稳定状态。如 果不满足绝对稳定状态，通过增加稳定电路设计使放大器工作在稳定状态。 3 3 3l n a 电路的设计 现今许多射频接收机中l n a 的设计是基于分立的解决方案，其原因是使用 晶体管的分立解决方案会使放大器的n f 与m m i c ( 单片微波集成电路) l n a 相比较低阳。但是，分立的解决方案也有自己的缺点，如集成度不高、器件不 够紧凑、占用空间大、调试困难，并且设计调试需要有相当丰富射频经验的人 员来进行，设计门槛高。而对于m m i cl n a 电路，外围元器件数量少，开发周 期短，耗电量低，噪声性能很好，并且由于大多数m m i cl n a 具有内部偏压和 反馈电路，这些器件上的阻抗匹配更加简便。因此，经过综合考虑，本设计中 采用的是基于m m i cl n a 的电路设计方案。在设计中对许多l n a 芯片的参数 进行选型，最后确定选用美国a v a g o 公司的m g a 6 6 5 p 8 芯片作为射频小信号 放大器。 m g a 6 6 5 p 8 低噪声放大器是专为0 5 到6 g h z 频率范围内的无线应用所 设计，是一款低噪声高增益的l n a ，工作电压3 v ，输出匹配到5 0 欧，具有出 色的隔离性能、匹配和电源偏置电路简单。在3 v 工作电压2 5 g h z 频率时，最 小噪声系数n f 可达到1 2 d b ，最大增益可达到1 8 4 d b ；在3 v 工作电压5 2 5 g h z 频率时，最小噪声系数n f 可达到1 4 d b ，最大增益可达到1 5 9 9 d b 3 s j 。 本课题所设计低噪声放大器的主要指标为：工作频带5 7 - - 5 9g h z ( 载波频 率5 8 g h z ) ：增益大于1 4d b ；噪声系数小于1 5d b ；无条件稳定；增益平坦度 武汉理工大学硕士学位论文 每1 0 m h z 带内小于o 1 d b ；输入输出阻抗为5 0 欧。 本课题通过a d s 2 0 0 8 射频仿真软件对l n a 进行设计和优化。a d s ( a d v a n c e dd e s i g ns y s t e m ) 是由美国a g i l e n t 公司推出的微波电路和通信系统 的仿真软件，是当今业界最流行的微波射频电路、通信系统、r f i c 设计软件。 设计步骤如下：下载并安装器件库文件；基本原理图设计；稳定性分析；噪声 系数圆和输入匹配；最大增益的输出匹配；版图的设计。下面将对这些设计优 化步骤做详细介绍。 ( 1 ) 基本原理图 m g a 6 6 5 p 8 的器件库在a v a g o 的网站可下载其模型文件，并在a d s 软件 上仿真，m g a 6 6 5 p 8 的基本仿真原理图如图3 7 所示，输入输出为5 0 欧阻抗， 2 脚为射频输入，7 脚为射频输出，c 1 和c 2 为射频耦合电容。工作电压为3 v ， 其中c 3 ( o 0 1 u f ) 为电源旁路电容，滤除电源的高频及射频杂波，使电源输出 更稳定，防止高频及射频杂波通过电源进入而影响射频小信号的放大，电阻r 1 和扼流电感l 1 同样是为了使低频直流通过，而较高频率的信号则不能通过，电 容c 4 ( 1 0 p f ) 为了进一步滤除频率更高的射频信号。 。瓷雨 。t e r m 2 。 n u m ：2 z = 5 0 0 h m ， ；回。圆；卿； ，l , i a x g a n ，s 毒够a c l o p t i o n s l m a x g a i n l s t ad | f a c t l t e md = 2 5 m a x g a n l ：m a 也宣n ( s t a b f 鬣玎= 客t a b 妻袖黼= 蔓5 。j + 。+ + v _ r e l t o i = 图3 7m g a 6 6 5 p 8 基本仿真原理图 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 稳定性分析 由公式( 3 7 ) 中可看出，要对m g a 6 6 5 p 8 的稳定性进行分析，需要对其s 参数进行复杂的运算，对应频率的s 参数可通过查看其芯片资料获得，而a d s 的仿真可以对其稳定系数进行计算和仿真。稳定系数仿真如图3 8 所示： 。，、 、 k ， 、m 6 - k 一 5 05 25 45 85 8 6 0 f r e q ，g h z 图3 -