（通信与信息系统专业论文）智能汽车道闸控制系统的研发.pdf

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卡中的数据库内信息经行比较，核实数据的有效性，控制道闸起落。l c d 屏显 示汽车道闸控制器的基本信息和来往车辆数据，结合按键，实现对控制器内部参数修 改。另外，主控制器具有网络功能，利用l m 3 s 6 9 6 5 自带的以太网控制器与互联网实 现网络联接，使用户可以直接通过网络对系统内保存的数据库和文件进行读取和更 新，以及发送t c p i p 命令。无线通信模块的通信标准基于i e e e 8 0 2 1 5 4 标准协议， 具有低功耗、低频唤醒以及远距离传输等有点，实现了无线通信模块之间信息的无线 传输。 中文摘要智能汽车道甲j 控制系统的研发 关键词：嵌入式，物联网，以太网，数据存储，无线通信 作者： 导师： 董叶 陈小平 智能汽车道闸控制系统的研发 英文摘要 t h er e s e a r c ho fi n t e l l i g e n tb a r r i e rc o n t r o ls y s t e m a b s t r a c t t h ei n t e r n e to ft h i n g si so n eo ft h ei m p o r t a n tc o n s t i t u e n t so ft h en e wg e n e r a t i o n i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y i n t e r n e to ft h i n g si sak i n do fn e t w o r ke x p a n d e da n dd e v e l o p e d f r o mt h ei n t e m e ts i n c ei n t e r n e tf o r m si t sc o r ea n db a s i s t h r o u g ht h ei n f o r m a t i o ns e n s i n g d e v i c e sl i k er a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，i n f r a r e ds e n s o r , g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e ma n d l a s e rs c a n n e r , i n t e r n e to ft h i n g sr e a l i z e st h ec o n n e c t i o nb e t w e e nt h es t u f fa n dt h ei n t e r n e t a n da l s ot h et r a n s f e r e n c ea n dc o m m u n i c a t i o no fi n f o r m a t i o na c c o r d i n gt ot h ea g r e e d c o m m u n i c a t i o n p r o t o c 0 1 a ne f f e c t i v ea n ds e c u r em a n a g e m e n to fc a r si sg a i n i n gm o r ea t t e n t i o na sar e s u l to fi t s i n c r e a s i n gn u m b e rs p u r r e db yt h er a p i dd e v e l o p m e n to fs o c i e t y t h o u g ho fs i m p l ed e s i g n ， t h ei n t e l l e c t u a lb a r r i e rc o n t r o ls y s t e me f f e c t i v e l yr e g u l a t e st h ei n sa n do u t so fc a r s ，m a k i n g i t s e l faf a v o r i t ep l a t f o r mf o rm o r el i v i n ga r e a s ，p a r k i n gl o t sa n dc o m p a n i e s n e v e r t h e l e s s ， m a n u a ld i s t i n c t i o na n dr e g u l a t i o ni sf a rf r o mb e i n ga b l et oa c h i e v es a f e t ya n de f f i c i e n c y y e tam i n o ra m i s sm a yl e a dt of a t a ld i s a s t e r t h ei n t e l l e c t u a lb a r r i e rc o n t r o ls y s t e m p r o p o s e di nm yp r o j e c t ，w i t ht h ec a p a c i t yo fa u t o - d i s t i n c t i o na n da u t o - r e g u l a t i o no f c a r - b a r r i e r s ，s o l v e st h ea b o v ep r o b l e m sa n do f f e r sa ne x c e l l e n te x a m p l eo fr e a l - l i f e a p p l i c a t i o no fi n t e r n e tt e c h n o l o g y t h i st h e s i sm a i n l yf o c u s e so nd i s c u s s i n gt w om a j o rt e c h n o l o g i e s ，e m b e d d e ds y s t e m a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y i nt h ed e s i g n i n go fh a r d w a r e ，r e a l - t i m ec o n t r o l a n dd a t at r a n s f e r e n c ea sw e l la st c p i pn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n ，o nt h eb a s i so ft h e 3 2 - d i g i tm i c r o p r o c e s s o rl m 3 s 6 9 6 5o f5 0 m h z w i t ha r mc o r t e x - - m 3a st h ek e r n e l ，a r e r e a l i z e dt h r o u g ht h es e l f - e q u i p p e ds e r i a lm o d u l e ，s y n c h r o n o u ss e r i a li n t e r f a c em o d u l e a n de t h e r n e tm o d u l e t h ed e s i g n i n go fw i r e l e s sm o d u l ea d o p t sas i n g l ec h i pw i t h8 0 51o f s i n g l ep e r i o da si t sk e r n e l ，w h i c hm a k e s i tv e r ye a s yt oe s t a b l i s ht h ec o m m u n i c a t i o no nt h e b a s i so fi e e e 8 0 2 1 5 4s t a n d a r dp r o t o c 0 1 c o n c e r n i n gt h es o f t w a r ed e s i g n i n g ，f u n c t i o n so ft h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nl i k et h e w i r e l e s st r a n s f e r e n c eb e t w e e nl o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，l o w - - f r e q u e n c ya w a k e n i n ga n d w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d u l e sw i l lb er e a l i z e df i r s t l yo nt h eb a s i so fi e e e 8 0 2 15 4 s t a n d a r dp r o t o c 0 1 a n ds e c o n d l y , t h ew i r e l e s sd a t aa f t e rb e i n gr e c e i v e dw i l lb es t o r e di n t o m 英文摘要 智能汽车道闸控制系统的研发 t h es dc a r do ft h em a i nc o n t r o l l e ra n dt h e nb ec o m p a r e dw i t ht h ei n f o r m a t i o nt h a th a s s t o r e di n t ot h es dc a r db e f o r et oc h e c kt h ev a l i d i t y , a tl a s td e c i s i o no ft h er i s i n ga n df a l lo f t h eb a r r i e rw i l lb em a d ea c c o r d i n g l y l c dd i s p l a y , i nc o m b i n a t i o nw i t ht h eb u t t o n s ， m o d i f i e st h ep a r a m e t e r si n s i d et h ec o n t r o l l e rb yg i v i n gt h eb a s i ci n f o r m a t i o no ft h eb a r r i e r c o n t r o l l e ra n dt h ed a t ao ft h ep a s s i n gv e h i c l e s i na d d i t i o n ，s i n c et h es y s t e mi sc o n n e c t e dt o t h ei n t e r n e t ，u s e r sc a na l s od i r e c t l yg e ta n du p d a t et h es t o r e dd a t a b a s ea n dd o c u m e n t s t h r o u g ht h en e t w o r ka n ds e n dt c p i po r d e r sb yc o n n e c t i n gt h es e l f - e q u i p p e de t h e r n e t c o n t r o l l e ro fl m 3 s 6 9 6 5a n dt h ei n t e r n e t b a s e do nt h es t a n d a r d a g r e e m e n t o f i e e e 8 0 2 1 5 4 ，t h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d e li so fl o we n e r g y - c o s t ，l o w - - f r e q u e n c y a w a k i n ga n dl o n g - d i s t a n c et r a n s f e r e n c e ，m a k i n gi tp o s s i b l ef o ri n t e r - m o d e lw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n k e y w o r d s ：e m b e d e ds y s t e m ，i n t e r n e to ft h i n g s ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，e t h e r n e t ，d a t a s t o r e d w r i t t e nb y ：y ed o n g s u p e r v i s e db y ：x i a o p i n gc h e n i v 目录 第一章绪论1 1 1 本课题研究背景及意义1 1 2 本课题的研究内容与任务2 1 。2 1 本课题的研究内容2 1 2 2 本课题的研究任务3 1 3 本论文的章节安排4 第二章无线通信技术方案5 2 1r f id 无线通信方式介绍5 2 。1 1 被动式r f ld 通信7 2 1 2 半被动式r f ld 通信7 2 。1 。3 主动式r f id 通信7 2 2 组网通信方式与点对点通信方式对比7 2 。2 。1 组网通信方式8 2 2 2 点对点通信方式8 2 3 本课题通信方式设计8 第三章智能道闸控制系统的硬件设计1 0 3 1 智能道闸控制系统的硬件组成1 0 3 2 微处理器l m 3 s 6 9 6 5 介绍l o 3 2 1l m 3 s 6 9 6 5 的主要特点1 0 3 2 2l m 3 s 6 9 6 5 的内部结构。1 1 3 3 主控制器的硬件设计1 2 3 3 1l m 3 s 6 9 6 5 基本系统设计1 2 3 3 2 人机交互模块设计1 4 3 3 3 网络模块设计1 7 3 3 4r s 2 3 2 通信电路设计1 8 3 3 5 数据存数模块硬件设计1 9 3 。3 。6 其他接口及电路2 1 3 4 无线通信的硬件设计2 2 3 4 1 无线通信激励源硬件设计一2 2 3 4 2 无线通信模块硬件设计2 4 3 5 本章小结3 0 第四章智能道闸控制系统的软件设计3 1 4 1 系统软件设计3 1 4 1 1 系统软件功能设计概述3 1 4 1 2 智能道闸控制系统的工作流程3 1 4 2 主控系统软件设计3 2 4 2 1 网络模块通信设计3 2 4 2 2 数据存储软件设计3 8 4 2 3 人机交互软件设计4 4 4 3 无线通信系统软件设计4 6 4 3 1 激励源软件设计4 6 4 3 2 无线通信模块通信软件设计4 7 4 4 本章小结4 9 第五章实验结果与分析5 0 5 1 影响无线通信的原因分析5 0 5 1 1 无线通信模块没有被唤醒5 0 5 1 2 无线通信模块的唤醒信号5 0 5 2 人机交互界面与l e d 屏显示5 l 5 2 1 人机交互界面5 l 5 2 2l e d 屏显示5 2 5 3 系统与上位机的通信5 3 5 4 本章小结5 3 第六章总结与展望5 4 参考文献。5 6 缩略语5 9 附录1 实物照片6 2 附录2 智能道闸控制系统电路图6 3 致谢7 2 智能汽车道闸控制系统的研发第一章绪论 第一章绪论 1 。1 本课题研究背景及意义 随着信息化、网络化、智能化的发展，嵌入式技术得到全面的、飞速的展开，己 经成为当今消费类产品和通信的共同发展方向。 嵌入式的核心硬件是处理器芯片。处理器芯片从起初比较单一的4 位和8 位微控 制器向向高端的1 6 位及3 2 位处理器发展，嵌入式片上系统及数字处理芯片更是现在 的技术热点。目前底层系统和硬件平台经过若干年的研究，已经相对比较成熟，实现 各种功能的芯片应有尽有。 由此可见，未来嵌入式系统的发展趋势： 1 、嵌入式技术将与互联网技术相互促进发展，未来的嵌入式产品将作为互联网 的主要终端之一，网上将出现大量的服务于嵌入式产品的软件，并有专i - j n 务于嵌入 式产品的内容。嵌入式设备网络互联逐渐成为趋势。 2 、随着微电子技术的迅猛发展，芯片的功能越加强大，这不仅可以降低产品的 成本，缩小体积，同时还能增强产品的可靠性。不但如此，届时软件硬件将结合的更 紧密，使嵌入式软件与硬件的分界线越加的模糊，嵌入式软件届时常以硬件的形态出 现，这即可提高系统的准确性，又能增强系统的可维护性，如温度传感器、摄像头、 g p s 等感知终端。 3 、无线通讯和网络终端类的产品将成为嵌入式应用的重要领域。一方面j 现今 已有的无线通信类产品将借助嵌入式软件和微电子技术来提高系统的整体性能；另一 方面，目前越来越多的电子类产品都已安装了无线通信的功能。因此，未来蓝牙等无 线通讯技术将与嵌入式软件相互促进发展，使越来越多的的产品和设备拥有无线通讯 功能。 而随着嵌入式技术与互联网技术相结合，出现了物联网这个新生代名词。顾名思 义，物联网就是“物物相连的互联网 【1 】【2 1 。物联网上部署了多种类型的传感器，每 个传感器都是一个信息源。传感器采集环境信息或接收数据，通过各种有线或无线的 长距离或短距离通讯网络与互联网融合，将数据实时准确地传递出去。物联网不仅仅 提供了传感器的连接，其本身也具有智能处理的能力，能够对物体实施智能控制。 第一章绪论智能汽车道闸控制系统的研发 目前，根据物联网技术的实质应用，可以归结为以下三种基本应用模式： 1 、对象的智能标签【3 1 4 1 。利用无线通信、二维码等技术标识特定的对象，以便区 别对象个体，例如生活中常用的智能卡，其上的条码标签的就包含了对象的识别信息； 此外还可以通过智能标签获得对象物品包含的扩展信息，例如二维码中所包含的网址 和名称，智能卡上的金额余额等。 2 、对象跟踪和环境监控【5 1 。通过将各种类型的传感器广泛分布在传感器网络中， 可以实现对特定对象行为的监控以及获取某个对象的实时状态，如通过二氧化碳传感 器监控大气中二氧化碳的浓度，通过g p s 标签跟踪车辆位置等。 3 、对象的智能控制【6 1 。基于云计算平台和智能网络的物联网，可以根据传感器 网络捕捉到的数据进行决策，对对象的行为进行控制和反馈。例如根据车辆的流量自 动调整红绿灯间隔，根据光线的强弱调整路灯的亮度等。 本设计正是基于物联网技术这样一个概念，通过嵌入式技术结合无线通信技术， 对特定的车辆识别，自动的丌启或关闭道闸。通过软硬件综合设计开发，不仅实现了 使道闸自动化的功能，而且结合了网络【7 儿8 1 ，及时读取保存在内的来往车辆记录，并 对系统内的数据库及控制参数随时更新。同时在系统上整合了人机交互界面，使用户 不用通过上位机，直接在系统的l c d 上了解来往记录及修改内部控制参数。 1 2 本课题的研究内容与任务 1 2 1 本课题的研究内容 本系统主要分为两大部分：主控部分，无线通信部分。 主控部分以a r mc o r t e x - m 3 为内核、主频达5 0 m h z 的3 2 位微处理器l m 3 s 6 9 6 5 的硬件平台为基础【9 l ，利用其自身所携带的串口模块、同步串行接口模块、以及以太 网模块，主要用于实现对车辆的识别、道闸的控制、来往记录的保存、数据的及时更 新和来往车辆信息显示等功能u 0 1 。 无线通信部分主要是将沉睡的无线通信模块唤醒，并且建立基于i e e e 8 0 2 1 5 4 标准协议的通信【1 1 】。主要涉及发送特定的唤醒信号、传输车辆信息和休眠等功能。系 统构成如图卜1 所示。 2 智能汽车道闸控制系统的研发第一章绪论 道闸 1 2 2 本课题的研究任务 图1 - 1 系统演示图 1 主控系统设计 随着电子行业的飞速发展，电子产品功能也越来越集成化。本设计中的主控制器 接收无线传输的车辆数据，并在保存于s d 卡内的数据库中查询数据的有效性，同时 将数据通过r s 2 3 2 通信方式发送到l e d 显示屏，最后通过道闸控制电路控制汽车道 闸的起落。 主控系统集成了数据存储模块，将每天来往车辆的数据保存于s d 卡中1 2 1 ，同时， 系统中的网络模块移植了l w m 一轻型t c p i p 协议栈【1 3 1 。l w i p 是目前较成熟的嵌 入式t c p i p 协议栈产品，能立足于实现较复杂的网络服务，对于设计中要求的在局 域网中实现t c p 命令、文件传输等功能可以很好的实现。用户通过网络，及时读取 每天来往车辆信息，以及及时对主控系统中的数据库更新。 本次的设计中包含液晶显示功能，主要用于显示数据及查询的记录、主控系统内 一些控制参数的修改、时钟日期更改等。因为这里设计到多种命令显示及操作控制， 这就需要设计显示的菜单，并且结合按键，使液晶显示功能多样化。 2 无线通信设计 通信技术飞速发展的今天，通信方式又逐渐多样化，但主要还是分为两类：有线 通信和无线通信。在无线通信技术中又可分为好多种，按供电来分，则可分为有源通 信、无源通信，按通信方式分，又可分为被动式通信、半被动式通信、主动通信。 本设计中主要采用有源的主动通信方式。在有源通信的技术中，功耗是一个不得 不考虑的问题，尤其是用电池对通信模块供电。c c 2 5 3 0 1 1 4 】芯片拥有的休眠功能，同 时又能通过定时或外部脉冲方式将其从休眠状态下唤醒，这即保证了模块通信的基本 功能外，又大大降低通信模块的功耗，同时能极大地增加了电池的使用寿命。 3 第一章绪论智能汽屯道闸控制系统的研发 对于唤醒模式的选择，本设计选用外部脉冲方式。相对于定时唤醒方式，外部脉 冲方式即没有时间上的局限性，又可使芯片将功耗降低至允许的最低值，符合本课题 设计的要求。 1 3 本论文的章节安排 全文共分为6 章，主要研究工作及章节安排如下： 第一章绪论首先结合当前嵌入式技术发展的趋势，介绍本论文的背景及意义； 其次，根据课题所要求完成的功能，给出课题设计的方向及内容；最后介绍了本课题 在研制过程中所要涉及到的主要内容。 第二章无线通信设计方案本章介绍了系统硬件设计中所需的无线通信技术的 比较，对目前比较流行的几种无线通信的工作方式及其优缺点进行介绍和比较，并在 此基础上提出了适合于本系统的无线通信方式。 第三章智能道闸控制系统的硬件设计本章介绍了智能道闸控制系统的硬件设 计，包括无线通信、嵌入式主芯片l m 3 s 6 9 6 5 基本系统、液晶显示、时钟系统、以太 网通信和串口通信等电路的设计；本章还对嵌入式微处理器l m 3 s 6 9 6 5 做了简要介 绍。 第四章智能道闸控制系统的软件设计本章根据该产品要实现的功能进行软件 设计，主要涉及实现方法，以及软件程序流程图描述。其中无线通信软件设计部分主 要包括无线通信模块的唤醒、数据发送及与主控系统的通信；主控系统的通信接口软 件设计部分主要包括串口通信和以太网通信功能的软件设计，以及相关协议的介绍； 除此以外，还包括数据存储、系统时钟、液晶显示等功能的软件设计。 第五章实验结果与分析给出该产品设计的实验结果及分析，以及运行过程中 液晶显示屏的显示和实施远程数据传输的上位机界面显示。 第六章总结与展望本章节对本论文进行总结，评价在设计过程取得的成果和 存在的不足，对该产品的市场运用前景和功能扩展进行展望。 4 智能汽车道闸控制系统的研发第二章无线通信设计方案 第二章无线通信技术方案 数据传输可以简单地分为有线( 包括架设光缆、电缆或租用电信专线) 和 无线建立专用无线数据传输系统两大类方式。 无线通信( w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ) 是利用电磁波信号可以在自由空间中传 播的特性进行信息交换的一种通信方式，近些年信息通信领域中，发展最快、 应用最广的就是无线通信技术。 无线通信模块广泛地运用在遥控、车辆监控、抄表、遥测、小型无线网络、 小区传呼、无线门禁系统、身份识别、工业数据采集系统、无线标签、非接触 r f 智能卡、无线遥控系统、小型无线数据终端、生物信号采集、安全防火系统、 水文气象监控、机器人控制、无线4 8 5 4 2 2 数据通信、无线2 3 2 数据通信、数字 音频、数字图像传输等领域中。相比较有线通讯而言，用无线通信模块建立的 无线数据传输方式具有成本低廉、建设工程周期短、适应性好、扩展性好等优 点。 2 1r f l d 无线通信方式介绍 射频识别即r f i d ( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) 技术，又称电子标签、无线 射频识别，是一种无线通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据， 而无需识别系统与特定目标之间建立的光学或机械接触。它通过发送射频信号自动识 别目标且获取对象相关数据，无需人工干预，并能工作在各种环境中。 l 、r f i d 系统主要包括三部分： 阅读器( r e a d e r ) ：读取或写入标签信息的设备，可设计为固定式或手持式。 标签( t a g ) ：由芯片及耦合元件组成，每个标签具有唯一的身份识别号( 电 子编码) ，用以辨别目标身份。 天线1 5 1 ( a n t e n n a ) ：用于在读取器和标签之间传递射频信号。 2 、r f i d 技术的基本工作原理 r f i d 技术的基本工作原理并不复杂：标签进入磁场后，接收阅读器发出的 射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息( p a s s i v e 5 第二章无线通信设计方案智能汽车道闸控制系统的研发 t a g ，无源标签或被动标签) ，或者由标签主动发送某一频率的信号( a c t i v et a g ， 有源标签或主动标签) ，阅读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有 关数据处理。 3 、r f i d 工作方式 按照r f i d 技术的基本工作原理，r f i d 可被分为被动、半被动( 也称作半 主动) 、主动三类工作方式。其中被动、半被动工作方式主要用于无源标签通 信，主动工作方式主要用于有源标签通信。 4 、r f i d 工作的频段范围 ( 1 ) 低频( 工作频段从1 2 5 k h z 到1 3 5 k h z ) 。该频段的波长大约为2 5 0 0 m ， 主要是通过电感耦合的方式进行工作，也就是在阅读器中的线圈和无源标签中 的线圈之间存在着变压器耦合作用。通过读写器交变场的作用在感应器天线中 感应的电压被整流，可作供电电压使用磁场区域能够很好的被定义，但是场强 下降的太快。其特点是穿透性强，能够产生相对均匀磁场区域，但磁场区域下 降很快，传输距离短，数据传输速率比较慢，且价格较贵。 ( 2 ) 高频( 频率为1 3 5 6 m h z ) 。该频率的波长大概为2 2 m 。工作在该频率 的无源标签不再需要线圈进行绕制，可以通过腐蚀或者印刷的方式制作天线。 无源标签一般通过负载调制的方式进行工作，也就是通过无源标签上的负载电 阻的接通和断开促使阅读器天线上的电压发生变化，实现无源标签远距离对阅 读器天线电压进行振幅调制。其优点是除了金属材料外，该频率的波长可以穿 过大多数的材料，并且可以同时读取多个电子标签的数据，同时数据传输速度 比低频快，价格不是很贵但传输距离太短，且不能靠近金属。 ( 3 ) 超高频( 工作频率为8 6 0 m h z 到9 6 0 m h z 之间) 。超高频系统通过电 场来传递能量。电场的能量下降较为缓慢，但是读取的区域不容易确定。该频 段读取数据的距离相较于高频更远，无源可达1 0 m 左右。读取数据的方式主要 是通过电容耦合进行实现，波长为3 0 c m 左右。该频段有好的读取距离，同时有 很高的数据传输速率，在很短的时间可以读取大量的电子标签，但是电波不能 通过许多材料，特别是水，灰尘，雾等悬浮颗粒物资，且读取区域很难进行定 义。目前美国对频段的功率输出定义为4 w ，欧洲定义为2 w 。 ( 4 ) 有源r f i d 工作频率( 工作频率为2 4 5 g h z 、5 8g h z ) 。有源r f i d 标 6 智能汽车道闸控制系统的研发第二章无线通信设计方案 签一般都工作在这个频段中。有源r f i d 具备低发射功率、通信距离长、传输数 据量大，可靠性高和兼容性好等特点，与无源r f i d 相比，在技术上的优势非常 明显。被广泛地应用到公路收费、港口货运管理等应用中。 2 1 1 被动式r f ld 通信 被动式标签没有内部供电电源。r f i d 阅读器通过发送电磁波，驱动标签内 部的集成电路。当标签接收到的讯号足够强时，可以向阅读器发送数据。这些 数据不仅包括标签自身的识别号( 即i d 号，全球唯一标识i d ) ，同时还可以 包括预先保存与标签内e e p r o m 中的信息。 由于被动式标签具有体积小巧、无需电源、价格低廉等优点，目前市场上 大多数r f i d 标签都是被动式的。 2 1 2 半被动式r f id 通信 一般而言，被动式标签的天线有两个任务：第一，接收阅读器发出的电磁 波，用来驱动标签内部电路；第二，标签需要依靠天线的阻抗作切换，产生0 与1 的变化，藉此阅读器返回信号时。问题是，天线阻抗必须设计在“开路与 短路才得到想要有最好的回传效率，而这样设计又会使信号完全反射，致使 标签内部电路无法接收。半主动式标签却能很好的解决上述的问题。与被动式 标签相比，半主动式标签多了一个小型电池，所提供的电力刚好可以使标签内 部集成电路处在工作状态。半主动式标签的优点在于，天线可以充分作为回传 信号之用，而不用管接收电磁波的任务，而且有更好的效率，更快的反应速度。 2 1 3 主动式r fid 通信 主动式标签与被动式和半被动式标签最大的不同在于其本身具有内部电 源，可以提供内部集成电路所需要的电力和产生对外发送的信号。一般来说， 主动式标签拥有较长的读取距离和较大的记忆体容量可以用来储存读取器所传 送来的一些附加讯息，与无源r f i d 相比，虽然电路复杂，但在技术上的优势非 常明显。 2 2 组网通信方式与点对点通信方式对比 7 第二章无线通信没计方案智能汽车道| 甲j 控制系统的研发 i e e e8 0 2 1 5 4 通信标准是z i g b e e t l 6 】，w i r e l e s s h a r t ，m i w i 等规范的基础， 描述了低速率无线个人局域网的物理层和媒体接入控制协议，属于i e e e8 0 2 。1 5 工作组。在8 6 8 9 1 5 m h z 、2 4 g h z 的i s m 频段上，数据传输速率最高可达2 5 0 k b p s 。 其低功耗、低成本的优点使它在很多领域获得了广泛的应用。 2 2 1 组网通信方式 在符合i e e e8 0 2 1 5 4 通信标准中，z i g b e e 是采用组网方式完成通信的。各 设备彼此间在网络模块的通信范围内，通过彼此自动寻找，很快就可以形成一 个互联互通的z i g b e e 网络。而且设备移动，彼此间的联络还会发生变化，因而， 模块还可以通过重新寻找通信对象，确定彼此间的联络，对原有网络进行刷新。 在这种通信过程中，有一个称为网络协调器的设备，是低速率无线个人局域网 络中的主控制器。网络协调器除了直接参与应用以外，还要完成成员身份管理、 链路状态信息管理以及分组转发等任务。 2 2 2 点对点通信方式 组网通信方式外，点对点通信是最简单的一种通信系统。它只能向特定的 单位、特定的方向发送数据。其通信方式简单，容易操作，能够满足许多特定 场合的需要。 2 3 本课题通信方式设计 通过以上两小节的通信方式介绍和比较，无源r f i d 一般都采用被动式或半被动 式通信方式，操作简单，但它们的工作方式或者通信距离太短，或者穿透性太差。虽 然无源超高频r f i d 通信方式既能满足通信距离的要求，又能具有很好的穿透性，但 其发射功率太强，对长时间会对人体有伤害，且它本身技术并不完善，读写性能稳 定性不高，在国内没有统一的标准，系统成本瓶颈等因素，而且无源d 卡信息安 全的保密技术不高，容易被盗取。所以以上方案均不适宜在本课题中应用。 z i g b e e 的组网通信方式是时下相当热门的一项通信技术，不用人为的去操作它 的组网，可靠性高。但在本设计中，考虑到每个射频标签都只与主控制器通信，标签 与标签之间互不联系，而采用组网通信方式，无疑是增加了系统通信的可操作性和复 杂性。 r 智能汽车道闸控制系统的研发第二章无线通信设计方案 因此，综上所述，本课题采用更符合实际、操作简便的有源r f i d 主动式点对点 通信方式，充分发挥其低发射功率、通信距离长、传输数据量大，可靠性高和兼 容性好等技术优势。 9 第三章智能道闸控制系统的硬件设计智能汽车道闸控制系统的研发 第三章智能道闸控制系统的硬件设计 3 1 智能道闸控制系统的硬件组成 智能道闸控制系统的硬件设计主要包括a r m 嵌入式基本系统、无线通信激励的 设计、无线通信模块、串口2 3 2 模块、时钟模块和t c p i p 通信模块的硬件设计等。 为了实现以上各模块的功能，以及高性能、低价格、设计方便等要求。本文采用在 a r m 嵌入式基本系统的基础上架构硬件平台，对各个模块的硬件电路进行独立设计。 利用l m 3 s 6 9 6 5 内置通用异步收发器( u a r t ) 模块配合r s 2 3 2 收发电路，实现r s 2 3 2 通信；同时利用l m 3 s 6 9 6 5 内置以太网控制器模块配合自带隔离变压的r j 4 5 网络接 口构成网络通信电路；外设时钟芯片，并通过相关软件设计，实现系统时钟的实时性。 利用p i c l 6 f 6 9 0 单片机、高速m o s f e t 驱动器及1 2 5 k h z 天线组成无线通信的激励 源。c c 2 5 3 0 拥有r f 内核控制模拟无线电模块和休眠功能，配合外围的唤醒电路， 可完成低功耗、长距离无线通信的要求。系统组成如图3 1 所示。 图3 - 1 智能道闸控制系统组成 3 2 微处理器l m 3 s 6 9 6 5 介绍 在设计主控制系统时，根据控制任务的复杂程度和可靠性、稳定性、精度等指标 要求选择一种性价比合理的嵌入式芯片，所以本文选用了l m 3 s 6 9 6 5 这款基于a r m c o r t e x - - m 3 内核的芯片作为主控制器。 3 2 1l m 3 s 6 9 6 5 的主要特点 l m 3 s 6 9 6 5 一款基于a r mc o r t e x - - m 3 的微控制器。a r mc o r t e x - m 3 处理器是从 1 0 智能汽车道闸控制系统的研发第三章智能道闸控制系统的硬件设计 a r m 7 t m 处理器系列中移植过来，为高性能、低成本、低功耗的平台提供一个满足 小存储要求解决方案、简化管脚数、以及低功耗三方面要求的内核，与此同时，它还 提供出色的计算性能和优越的系统中断响应能力。 l m 3 s 6 9 6 5 它包括所有的1 6 位t h u m b 指令集和基本的3 2 位t h u m b - 2 指令集架 构，c o r t e x - m 3 处理器不能执行a r m 指令集。t h u m b - 2 在t h u m b 指令集架构( i s a ) 上进行了大量的改进，它与t h u m b 相比，具有更高的代码密度并提供1 6 3 2 位指 令的更高性能。非常适用于那些对存储器有限制或者需要较高代码密度的大批量生 产的应用。 l m 3 s 6 9 6 5 内部包含了技术需求中常用的接口。l m 3 s 6 9 6 5 主要特点如下： ( 1 ) 3 2 位a r m c o r t e x t m - - m 3v t m 架构； ( 2 ) 5 0 m h z 操作频率； ( 3 ) 含有2 5 6 k b f l a s h 和6 4 k bs r a m 内部存储器； ( 4 ) 1 0 1 0 0 m b p s 以太网控制器，由完全集成的媒体访问控制( m a c ) 和网络物 理( p h y ) 接口器件组成； ( 5 ) 4 个通用定时器模块，每个提供2 个1 6 位定时器； ( 6 ) 看门狗定时器； ( 7 ) 通用d m a 控制器； ( 8 ) 2 个内部集成电路( 1 2 c ) 模块、1 个同步串行端口( s p i s s p ) 模块以及3 个通用异步收发( u a r t ) 模块； ( 9 ) 1 个正交编码接口( q e i ) 、模数转化器、模拟比较器以及脉宽调试器 ( p w m )。 3 2 2l m 3 s 6 9 6 5 的内部结构 l m 3 s 6 9 6 5 一款基于a r mc o r t e x - m 3 的微控制器，该微控制器包含了1 0 1 0 0 m b p s 以太网控制器、3 个u a r t 、4 路模拟输入通道、1 个同步串行端口( s p i s s p ) 、2 个 1 2 c 接1 ：3 、1 个q e i 接1 ：3 和6 个脉宽调试输出端1 2 1 。 其芯片内部结构图如图3 - 2 所示。 第三章智能道闸控制系统的硬件设计智能汽车道闸控制系统的研发 3 3 主控制器的硬件设计 7 一甏慧幽“镛鳓霸鳓黝确嘲嘲鳜嬲甥嘲嬲黪嘞$ 黟 ，髯”1 ：t 嚣i 纛。i ”；写誓j 誓鬻7 +