高速公路不停车收费系统设计.doc

1 绪 论1.1 选题的意义与背景1.1.1 智能交通系统的发展及其重要意义80年代以来，伴随着经济的发展，交通设备日益增加，随之而来的城市交通拥堵、交通事故频发、交通环境恶化、收费制式混乱、交通落后以及能源短缺等成为当前世界各国面临的共同问题，无论是发达国家还是发展中国家都承受着不断恶化的交通困扰。据美国有关部门预测，到2020年，国内交通事故造成的经济损失每年将会超过1500亿美元，而日本东京目前因交通拥堵每年造成的经济损失约为1230亿美元。解决交通问题的传统办法是修建或扩建道路，但是，随着人口的增长，城市人均居住面积日益减少，可供修建的道路空间也越来越少。同时，交通系统是一个复杂的综合性系统，单独从道路或车辆的角度来考虑，都将很难解决交通问题。在这种背景下，把车辆和道路综合起来系统地解决交通问题的思想就油然而生，这就是智能交通系统 (Intelligent transport Systems,简称ITS)1。近年来，世界各发达国家虽然己经基本建成了四通八达的现代化国家道路网，但随着社会经济的发展，路网通过能力己满足不了交通量增长的需要，交通拥挤堵塞现象日趋严重。经过长期和广泛的研究，各个国家已从主要依靠修建更多的道路、扩大路网规模来解决日益增长的交通需求，逐渐转移到用高新技术来改造现有的道路运输系统及其管理体系，从而大幅度地提高了路网的通行能力和服务质量。日本、美国和西欧等发达国家为了解决共同面临的交通问题，竞相投入大量资金和人力，开始大规模地进行道路交通运输智能化的研究试验2。我国是当今世界上公路建设速度最快的国家之一，在未来20年内，我国道路仍然处于建设期。根据“九五”规划和2010年发展纲要，交通部计划用30年左右的时间建设12条约3.5万公里由高等级公路组成的国道主干线3。由于经济条件的制约，政府无力承担高速公路建设的巨额资金投入，我国高速公路的投资体制呈多样化，这样的建设体制导致了道路收费点的密集化，在一定程度上制约了高速公路效益的充分发挥，同时，所采用的收费制式本身的特点更加剧了这种局面。由于投资主体的多样化，加上人们当时对道路收费中出现的问题认识不足以及技术的限制等原因，我国高速公路收费制式落后于高速公路的发展，也给高速公路的管理工作增加了一定的难度。智能交通系统使交通基础设施能发挥出最大的效能，提高服务质量，规范收费方式、优化管理措施，使社会能够高效地使用交通设施和能源，从而获得巨大的社会经济效益，主要表现在：提高交通的安全水平；减少堵塞，增加交通的机动性；降低汽车运输对环境的影响；规范收费方式，优化结算体系；提高道路网的通行能力以及提高汽车运输生产率和经济效益。1.1.2 课题来源本文选题来源于河南省杰出人才创新基金项目高速公路不停车收费系统的研制中的子项目。本人的主要工作是完成不停车收费系统中非接触IC卡和外围控制器的设计与实现，并对相关的软硬件做了具体实现。1.2 高速公路收费方式及其分析高速公路目前的收费方式一般有人工收费、半自动收费和自动收费三种45。1. 人工收费方式：人工收费直接进行现金交付，既无可靠的收费监控设施，也缺乏先进的计算机管理手段，因此存在工作疏忽、司机逃票、收费员作弊等漏款现象。2. 半自动收费方式：人工判别车型，人工开票收费，采用人工发放的通行券作为收费媒介，在工作中引入计算机作为辅助管理的工具，适当提高工作效率和车辆通行效率，从而实现半自动收费。这种方式可避免纯人工收费方式的一些弊端，提高通行能力。3. 自动收费方式：完全采用专用的设备和计算机系统联网，收费车道安装IC卡读写装置，可利用微波、红外6、激光等技术与车载IC卡进行数据传输，卡上存有该车的主要信息，即车主单位、存入金额、车型类别等，可以不停车自动读写，进行自动收费。在采用人工收费方式时，不但影响了高速公路的通行能力，而且现金交易存在其它弊病，以及导致环境污染等一系列可持续发展问题。据资料统计，仅广州地区1996年因为停车等待交费而损失的车时就达数百万小时，由此导致的汽油浪费达亿元之多7。作为通行车辆和收费站的媒介，通行券在收费系统中必不可少，它的类型决定了收费智能化程度的高低，也最能反映收费系统的技术特点，从而也就产生了半自动方式和自动方式。在国内由于各路段所采用的收费技术千差万别，收费系统所使用的通行券介质种类也较多。目前国内高速公路收费系统在用的通行券主要有两大类：一次性使用通行券和重复性使用通行券。一次性使用通行券包括纸质打印通行券、纸质磁性通行券、一维条码通行券、二维条码通行券；重复性使用通行券包括磁卡、接触式IC卡、非接触式IC卡以及纸介质的月票等。经过多年的收费实践，收费系统对收费介质的选择越来越注重以下方面的性能和技术要求：自动化程度、读写方式、数据安全性、存储容量、介质成本、标准化与通用化 (互换性)、设备可靠性及寿命、管理成本、对分段建设及混合收费路段的适应性、对计算机网络的依赖性等。非接触IC卡作为目前国内外高速公路收费系统中使用的通行券与接触式IC卡及纸质通行券相比，具有以下优点8910：（1）可靠性高：非接触IC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，同时无需担心由于触点损坏或脱落而导致卡片失效，增强了读写设备和卡的寿命；（2）操作快捷：读写的过程瞬时完成 ，运行速度非常快，每张卡的收费或使用操作时间小于0.5秒，对快速放行起到了关键性的作用；（3）防止冲突：非接触IC卡中有防冲突机制 ，能防止卡片之间出现数据干扰，因此，读写器可以“同时”处理多张非接触式IC卡；（4）独立卡号：卡号直接烧制在卡芯片中，便于计算机管理；（5）寿命较长：读、写次数大于10万次；由于非接触IC卡具有以上优点，所以在高速公路不停车收费系统中得到了广泛的应用。伴随着高速公路建设的智能化程度越来越高，电子收费系统(ETCS)作为自动收费方式的代表，不失为未来收费方式的最佳选择11，它的研究与应用日益受到普遍的重视，并且在实践中发挥越来越重要的作用，带来了可观的经济效益和社会效益。1.3 不停车收费系统的研究与应用现状不停车收费系统(No Stop Electronic Toll Collection System, 简称NSETCS或ETC)作为智能交通系统(ITS)的重要内容，是国际上正在努力开发并推广普及的一种用于道路、大桥和隧道的电子自动收费系统。ETC收费系统采用多种技术手段使得车道收费过程自动化，常用的不停车收费系统利用非接触IC卡技术、车辆识别技术和计算机系统相联接使用。该系统建立有关车辆的信息数据库，将通过高速公路机动车的车型、车牌号码、金额存入IC卡中，并同时输入系统计算机中储存起来。当车辆通过收费车道入口时，车载电子标签与安装在路侧或门架上的阅读器自动进行信息交换，中心控制计算机根据电子标签中存储的信息识别出司机用户，系统数据库核对车卡中各数据是否合法，同时对合法的车卡写入收费站入口编号；通过出口时，系统计算机通过分析运算，在卡中扣除通过此路段的费用并自动放行。如果收费过程失败，根据存入计算机中的该用户的数据信息和汽车牌照，进行事后处理。这样一来，车辆在高速公路上行驶时，到达入口时自动提取数据，到达出口时自动扣费并自动放行，实现不停车自动收费7。采用不停车收费系统，可以使车道收费过程完全自动化，并大大提高公路的通行能力和服务水平，有效地减轻收费站工作人员的劳动强度和改善工作环境。车辆不停车通过收费口不仅使道路的通行能力得以充分发挥，而且有利于提高车辆的营运效益。并且，不停车收费使公路收费走向无纸化、无现金化管理，可以从根本上堵塞收费票款流失的漏洞，解决公路收费中的财务管理混乱问题。另外，实施不停车收费系统，从长远来讲，还可以节约基建费用和管理费用。ETC作为ITS系统的重要组成部分，它的研究与开发工作受到了广泛的关注。三菱株式会社、丰田株式会社是日本国内不停车收费系统研究的领先者。1997年春季，日本ETC采用微波技术在一些收费道路开始进行不停车收费的试运行，根据实验数据的统计，收费站的通行能力提高为原来的4倍以上。同时不停车收费己经成为欧洲、美国回收公路投资的有效手段。从1996年10月我国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7。目前国际上己经基本形成了以美国、日本和欧洲为代表的不停车收费系统12。在自发引进的形势下，造成了我国不停车收费系统比较混乱的局面；同时我国的技术水平和制造水平与发达国家有一定差距，国内还无法生产符合国际标准的针对高速公路不停车收费的某些硬件设备，还有高昂的进口价格也限制了不停车收费系统在实际中的普及应用。为适应我国高速公路建设快速发展的局面，需要针对国内用户的承受能力和相关服务功能的具体情况，做认真分析，在该领域开展广泛研究，从而确定适合我国推广应用的不停车收费系统。 1.4 论文的主要内容本论文介绍了国内外高速公路的收费方式和发展状况，分析了传统收费方式的缺点与不足，同时介绍了不停车收费系统的工作原理和具体应用。在第二章中，介绍了不停车收费系统的构成及工作原理，以及系统中所要解决的主要问题。在第三章中，研究、设计了基于nRF401射频芯片和单片机系统的可读可写式非接触IC卡，它在脱离网络的情况下仍能快速完成收费。本论文说明了所研制的可读可写式非接触IC卡的设计思路，工作原理，所采用的各种抗干扰措施和数据可靠性措施。另外，以AT89C2051单片机为平台，设计了外围控制器的红绿灯、显示屏和栏杆机的驱动电路，以及相应的配套软件和通信协议。2 不停车收费系统的构成及工作原理本章将介绍不停车收费系统的构成及工作原理，以及不停车收费系统中所要解决的问题。2.1 不停车收费系统的组成不停车电子自动收费系统是一种能实现不停车收费的全天候智能型分布式计算机控制、处理系统。先进技术与实际应用紧密结合的不停车电子收费系统，是电子技术、通信和计算机、自动控制、传感技术、交通工程和系统工程的综合产物。系统中不停车收费的关键是利用车载智能识别卡与收费站车辆自动识别系统(Automatic vehicle Identification，简称AVI)的无线电收发器，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账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。2.1.1 不停车收费系统的结构层次完整的收费系统结构层次如图2.1所示。图2.1 完整的不停车收费系统结构层次图本系统采用三级网络结构：收费站级、路段管理中心级、路网管理中心级。车辆经过收费站车道时，由车道管理控制系统完成车辆数据采集和通行的实时管理控制，收费站监控管理系统对各自收费车道过车数据进行采集、分类汇总和处理，将每日过车纪录通过专用网或公共网上传到路段管理中心，各路段管理中心最后再将数据汇总上传到路网结算/支付中心。本论文的侧重点是收费站级车道管理控制系统的结构和相关的软硬件设计。车道管理控制系统主要完成车辆数据采集和通行的实时管理控制。收费车道管理控制系统是整个不停车自动收费系统的前端系统，主要由车辆自动识别装置(AVI)完成车辆身份参数的快速自动识别，该装置通过无线电波与非接触IC卡实现高速数据交换，使系统可在极短时间内做出反应，因而车辆通过收费车道时，可以不停车快速通过。同时，采集通过车辆的数据信息，形成过车记录，实时控制和管理车道通行控制设备，上传过车记录数据至收费站管理系统主机，接收收费站管理系统主机下传的控制信息(如收费标准、黑名单等)4。收费车道的结构示意图如图2.2所示。图2.2 收费车道结构示意图收费车道管理控制系统的核心工作是车道控制机的设计。车道控制机是收费系统最底层的设备，是收费道口的车道控制系统(主要由PC机控制软件和相关外围控制硬件组成)，简称车道机，功能完善、稳定可靠的车道控制机是建立收费系统的技术基础。车道控制机的结构图如图2.3所示。图2.3 车道控制机结构图当载有电子标签（非接触IC卡）的车辆通过收费车道时，具体的逻辑流程是：车辆经过入口地感线圈，使地感线圈启动数码相机和阅读器工作；阅读器从电子标签中获取相关身份证据，送上位机（收费站主机）处理；数码相机拍下汽车的车型、牌照数据参数，也送上位机处理；将获取的信息相互比对核实，进行数据融合和判断，如果是合法车辆，计算本次收费额，并写回数据库；同时绿灯显示、挡车器栏杆抬起，显示收费额和车型代码；如果是非法车辆（无效卡、无卡、假卡、低值卡），红灯显示，挡车器栏杆闭合，同时进行人工收费；把本次收费数据送数码管显示；车辆经过车道的出口地感线圈，地感线圈发出信号，关闭阅读器、放下栏杆，完成收费过程。2.1.2 不停车自动收费体系的运作这里，我们通过跟踪一个通用的不停车电子自动收费的过程来描述该体系的运作。1. 办卡：用户首先到当地网段管理中心(高管局)办理电子自动收费开户手续，开立电子自动收费专用账户，在收费数据库中录入个人和车辆相关信息，预存一定数额的收费款，领取非接触IC卡。2. 通行：当车辆进入收费车道时，由车道计算机系统实时控制通行与否。3. 收费清算：收费站收集收费车道的过车记录，自动上传到网段收费中心进行收费处理，处理月票、免费、折扣信息后，产生实际收费记录，下传到各个收费站，和收费站中的数据进行同步。4. 其它：清算系统从用户账号中扣取应收费额后，产生含有接近透支、已经透支、透支止付、挂失止付等信息的黑名单，下传到各个收费站和收费车道。其中，入口车道和出口车道工作流程是自动收费运作的两个主要环节，其工作原理在本章的后半部分有详细说明。2.2 系统的设计目标作为一个可以实际应用的系统，它至少应该在系统的精确度、可靠性、稳定性、抗干扰性、兼容能力和扩充能力等各方面得到保证。例如：能够保证车辆在限制的最高速度(如100km/h)下通过收费站时不漏读；保证系统在全天24小时内不间断连续工作且不受电波干扰及外界影响；保证系统的读写误码率足够小；保证系统有足够长的平均无故障运行时间；此外，作为一个基于网络运行和处理的大型计算机系统，不停车电子自动收费系统应该能够充分发挥高速网络技术带来的优势，诸如对数据的实时快速处理、传输、归档，对交通流量的统计、分析、预测等；并且，系统应该具有远程控制和自动切换保障功能及先进的综合网络管理功能。具体说明如下：（1）实时性：要求每个收费车道均能24小时连续、快速的收费，并能把电脑收费的票据数目完整不漏地送往收费站保存。（2）准确性：要求每个收费车道通过计算机可靠地进行收费工作，减少人为错误，并通过专用的或公用的网络，保证收集到数据的准确性和一致性。（3）可靠性：要求整个系统具有良好的可靠性，能在较恶劣的环境下全天候连续稳定工作。（4）安全性：要求系统数据有安全措施，设计严格的管理权限，防止人为破坏；数据传输过程中确保收费金额的绝对安全和精确。（5）稳定性：中心服务器或收费站服务器某一方不能工作，收费站不允许出现死机现象；相应机器恢复工作后，下位收费机应能自动、精确无误的把待传收费资料传至相应位置。（6）可扩展性：要求系统能满足未来收费站点增加时的扩展要求以及各种功能性扩展的要求。2.3 本文的设计思路上面对系统方案的介绍中，侧重于对系统将来投入应用的整体分析，本论文从最基本、最底层、最简单做起，不管是硬件还是软件，将来逐步完善，只要留有系统升级的接口即可。我们做的模型是：（1）只有一个路段，这样就不存在收费额在不同路段清分问题。路段中有两个收费站，一个表示车辆进入高速路，一个表示车辆驶出高速路；每个收费站只有一个收费车道。（2）开发的重点有两个：其一是，两个车道控制机和相应的硬件配套设施；其二是，两个层次的收费管理软件，即收费站管理系统和路段管理系统，其中收费站管理系统和路段管理系统前人已做过不少工作。2.4 本章小结在本章中，介绍了不停车收费系统的结构层次、工作原理，并分析了不停车收费系统的运作流程。另外介绍了不停车收费系统的设计目标和设计思路，分析了系统所要具有的实时性、安全性、快速性等要求。3 非接触IC卡系统的研究及外围控制器的设计本章介绍了以AT89C2051单片机为平台，基于nRF401射频芯片的可读可写式非接触IC卡的设计思路及工作原理，以及外围控制器中红绿灯、显示屏和栏杆机的驱动电路及其相应的配套软件和通信协议。3.1 单片机的选择3.1.1 单片机的发展概况及其选择随着电子技术、微电子技术的飞速发展，微型计算机发展很快，单片机作为计算机的一个独特的分支，它是在一块芯片上集成了多种功能部件所构成的一台完整的、具有一定功能的单片微型计算机。它打破了典型微型计算机按逻辑功能划分芯片结构的传统概念，以其体积小，功能强，性能价格比高等优点广泛应用于诸多领域，如工业控制系统、智能化仪表、数据采集系统等，单片机技术的开发和应用水平已逐渐成为一个国家工业发展水平的标志之一。目前世界上有很多单片机制造公司，如美国的INTEL,ATMEL,MOTOROLA和ZILOG公司；德国的SIEMES公司；荷兰的PHILIP公司等。他们相继推出了各种类型的单片机，其中Intel公司推出的一种高性能8位单片机MCS-51系列单片机以其优越的性能，成熟的技术和高性价比迅速占了工业测控和自动化工程领域的主要市场，成为单片机领域中的主流产品。除了INTEL公司外，PHILIP, ATMEL, ADM, SIEMES等公司纷纷推出了与MCS-51系列兼容的单片机，其中ATMEL公司的89系列单片机也称Flash单片机，在内部功能和引脚上与MCS-51单片机是兼容的，它不仅继承了MCS-51原有的功能，而且又扩展了它的功能。AT89C2051是ATMEL公司的89系列单片机中的一个高性能微控制器，它采用了CMOS工艺和ATMEL公司的高密度非易失性存储器(NURAM)技术，而且其输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容。片内的Flash存储器允许在系统内改编程序或用常规的非易失性存储器编程器来编程。同时，AT89C2051有20个外引脚、宽工作电压范围和强输出驱动能力。AT89C2051以其优异的性能价格比和功能价格比在嵌入式微控制器应用领域中大受欢迎，在许多单片微控制器的应用中发挥了很好的作用。基于以上原因，本文选用AT89C2051为控制器的核心。3.1.2 AT89C2051单片机性能及串行通信功能1基本特性与MCS-51单片机兼容，含80C51核。片内有2KB可重复编程的Flash程序存储器，可擦/写1000次以上。2.7V6.0V的宽工作电压范围。全静态逻辑，工作频率可为0-24MHz。两级程序存储器加密。128字节内部RAM。15条可编程I/O口线。2个16位定时/计数器。5个中断源。1个可编程全双工串行口。 具有能直接驱动LED发光二极管的能力。片内有一个高精度的模拟比较器。提供待机和掉电两种省电工作方式。2器件引脚AT89C2051的引脚图如图3.1所示。P1口：AT89C2051精简了外部数据总线和地址总线，取消了P0口和P2口，因而也不具备寻址外部程序存储器和数据存储器的能力。它的P1口是一个8位准双向I/O口。P1.2P1.7内置了上拉电阻，而P1.0和P1.1两条口线却没有，需要外接上拉电阻。P1.0和P1.1分别是内部高精度模拟比较器的+/-输入端（AIN0/AIN1）。P1口的每个引脚的输出缓冲器具有20mA的输出驱动能力，可直接点亮LED显示器。与其它51系列单片机一样，当P1口的引脚作为输入线使用时，应先对其写1。图3.1 AT89C2051引脚图P3口：AT89C2051的P3口是一个具有7位的准双向多功能口。7条I/O口线是P3.0P3.5以及P3.7。P3口的每一个也同P1口一样，具有20mA的输出驱动能力。当其作为输入口使用时也应先对它们写1。P3口的全部口线都设置了内部上拉电阻。P3口有5条线具有双功能，它们是：P3.0/RXD，P3.1/TXD，P3.2/，P3.3/，P3.4/T0，P3.5/T1，详见表3.1。表3.1 P3各端口引脚与兼用功能表端口引脚兼用功能P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5RXD (串行输入口)TXD (串行输出口)（外部中断0）（外部中断1）T0（定时器0的外部中断）T1（定时器1的外部中断）3单片机的串行通信功能利用89C2051单片机进行串行通信时必须对有关寄存器进行设置，与串行通信有关的寄存器有：PCON（电源控制寄存器）：在串行应用中，该寄存器用于对SMOD设置，完成对波特率是否加倍的设定，其格式如下：PCON中的D7位是串行口波特率选择位SMOD。当SMOD=1时，方式1、2、3的波特率加倍；当SMOD=0时，波特率不加倍。IE（中断允许控制寄存器）：该寄存器完成对全局中断和局部中断的设定，其格式如下：其中EA为CPU中断允许位，ES为串行口中断允许位。TMOD（定时器/计数器方式控制寄存器）：选择定时器/计数器及其工作方式，确定串行通信的波特率，其格式为：SCON（串行口控制寄存器）：用来定义串行口的工作方式，进行接收、发送控制以及监视串行口的工作状态。其格式如下：SM0、SM1是串行口工作方式选择位，可选择四种工作方式，如表3.2所示。表中fosc为单片机时钟频率。表3.2 串行口工作方式选择SM0SM1方式功能波特率000同步移位寄存器fosc/1201110位异步收发可变10211位异步收发fosc/64或fosc/3211311位异步收发可变在进行串行通信时，上位机（收费站本地主机）使用RS-232C逻辑电平，与一般微处理器、单片机的TTL逻辑电平是不一致的。因此，在实际应用时，必须把微处理器的信号电平转换为RS-232C电平，这两种转换是由专用电平转换芯片MAX232实现的。3.2 可读可写式非接触IC卡系统的研究3.2.1 射频芯片的选型无线射频芯片是整个非接触IC卡的核心部件，由于无线收发芯片的厂商和种类比较多，正确的选择可以使研发少走弯路，降低成本，更快地将产品推向市场。基于高速公路应用的实际需要，方案成本低，体积小，功耗低，集成度高，外围元件少，加工容易，数据传输率高，传输时间短，接口简单，开发方便等，本文选择了nRF401射频芯片，其依据为：1. 发射功率：在同等条件下，为了保证有效和可靠的通信，应该选用发射功率较高的产品。nRF401的发射功率达到+10dBm，是同类产品中最高的(考虑到性能、价格等因素)。2. 功耗：作为高速公路收费中使用的非接触IC卡，主要是满足用户的便携需要，因此应该根据需要选择综合功耗较小的产品，nRF401的工作电流在同等发射功率下是最小的。3. 数据传输速度：现有的好多无线射频芯片，数据的传输采用曼彻斯特编码，虽然可以满足数据可靠性传输的要求，但在编程上会需要较高的技巧和经验，需要更多的内存和程序容量；最重要的是曼彻斯特编码大大降低数据传输的效率，一般仅能达到标称速率的1/3，无法适应高速数据通信的需要。nRF401是采用与单片机串口相连传输数据的芯片，应用及编程非常简单，传送的效率很高，而且采用有线方式的串口传输，数据的误码率也非常低，它也是目前唯一可以串口直接连接的无线收发芯片。4. 产品成本：芯片外围元件的数量直接决定产品的成本。这方面nRF401做得很好，外围元件数量较少，并且收发天线合一。3.2.2 射频芯片的性能分析nRF401是挪威Nordic公司最新推出的单片无线收发一体芯片，是目前集成度最高的无线数传产品，具有性能优异、功耗低、使用方便等特点。nRF401的外围元件很少，只包括一个基准晶振和几个无源器件，基本无需调试，这给研制及生产带来了极大的方便。nRF401采用抗干扰能力强的频移键控(FSK)调制方式，抗干扰能力强，改善了噪声环境下的系统性能，与幅移键控(ASK)和开关键控(On-Off Keying)方式相比，这种方式的通信范围更广，特别是在附近有类似设备工作的场合通信更加可靠，更适合工业控制场合。nRF401工作在国际通用的数传频段433/434MHz，工作频率稳定可靠，可直接联接单片机串口。由于采用了较低发射功率，满足无线电管制要求，无需许可证。nRF401工作电压2.75V，发射电流830mA（与发射功率有关），接收电流约10mA。工作方式为半双工，速率最高20kbit/S，数据传输距离一般在开阔地可达300400米，实际使用距离与具体环境有关，可通过实验做具体调整。综上所述，nRF401无线射频芯片作为非接触IC卡的中心部件来设计系统不失为一种理想的选择。3.2.3 非接触 IC卡和阅读器的整体设计本节研究的非接触IC卡系统采用AT89C2051单片机和nRF401射频芯片作为主要元件，实现了数据收发的硬件电路设计。图3.2是nRF401的典型应用电路，图中天线接口ANT1和ANT2输出至印制天线，XC1、XC2是参考振荡器输入、输出端，DIN、DOUT是发射数据输入和接收数据输出端口，CS是通道选择端口(CS=“0”=433.92MHz(Channel#1)；CS=“1” =434.33MHz(Channel#2)，PWR_UP是电源开/(PWR_UP=“1” =Power up(Operating mode)；PWR_UP=“0”=Power down(Standby mode)，TXEN为工作模式选择端口(TXEN=“1” =发射模式；TXEN=“0”=接收模式)。图3.2 nRF401典型应用电路图3.3是数据收发合一的原理图，既可以作为阅读器，又可以作为非接触IC卡，由软件控制来完成数据的收发切换。考虑到nRF401和单片机都只有一个串口，单片机还要和上位机相连，所以本方案中用了两个单片机，一个完成和上位机的串口通信，另一个完成和nRF401的串口通信，两个单片机之间直接相连完成数据传递。下面说明可读可写式非接触IC卡的工作原理。图3.3 可读可写式非接触IC卡系统原理图图3.3中，X25045是一种集看门狗、电压监控和串行EEPROM三种功能于一身的可编程电路。X25045中的看门狗对系统提供了保护功能，当系统发生故障而超过设置时间时，也就是说，当保持1或者0的时间大于看门狗的定时时间周期，电路中的看门狗将通过RESET输出高电平信号使单片机复位。另外，X25045所具有的电压监控功能也可以保护单片机系统免受低电压的影响，它的正常工作电压是4.5V5.5V(和单片机共用)，如果电源电压低于4.5V并持续200ms，则RESET就输出高电平复位单片机，直到电源电压返回到稳定值为止。发送过程：上位机把要发送的数据送给电平转换芯片MAX232，数据经过电平变换后，送给第一个单片机 (U2)的P3.0(RXD)引脚，数据经单片机U2处理后，送给单片机U3，从串行口P3.1(TXD)引脚送出去，然后，数据通过nRF401的DIN引脚，进入到射频芯片内部，经过FSK调制，通过印刷天线发射出去。接收过程：天线接收到数据，送到nRF401芯片内部完成解调后，数据通过nRF401的串行口DOUT送给单片机U3的P3.0（TXD）,U3接收数据后，把它送给单片机U2，单片机U2再通过串行口P3.1(TXD)，把数据经电平转换后送上位机。当然在应用中，如果作为非接触IC卡来使用，可以把卡号、车型、牌照、用户余额、入口车站编号、出口车站编号等数据存入片内存储器，此时只要用一个单片机即可完成与阅读器的通信。3.3 外围控制器的分析与实现从非接触IC卡中提取数据（非接触IC卡的卡号）后，把数据送往上位机进行处理，计算出本次收费额，下传到LED进行显示；同时把处理后的结果转换为相应的控制字，来控制红绿灯和提杆机准确动作。为此，本论文设计了相应的外围控制电路、配套软件及通信协议。硬件部分以AT89C2051为设计核心，从上位机接收数据，数据进入单片机后，进行软件的相应处理，处理完毕送数码管显示收费额，同时送控制字到继电器，继电器控制红绿灯和提杆机的动作。3.3.1 外围控制器硬件原理单片机的XTL1和XTL2引脚外接晶振，考虑到波特率的设置，本文选用11.0592MHz的外接晶振。单片机从P1.0到P1.7引脚送出数据，由于要驱动3个数码管和至少3个继电器，所以送出的数据先要经过4个SN74HC377 D触发器。4个SN74HC377由它们的第一脚实现片选，分别接到单片机的P3.2P3.5，同时由单片机的P3.7脚向4个锁存器发送数据传送脉冲。由锁存器出来的信号无法提供5寸数码管工作所需的电流和电压，所以信号在驱动数码管之前还要进行信号的放大。本论文选用ULN2803A三极管反相阵来实现对数码管的驱动。另外也实现对6V的继电器的控制，从而完成在控制字驱动下的继电器对红绿灯和提杆机电机的动作控制。数码管采用共阳极5寸的8段LED，根据相应的引脚连接要求，完成硬件布线和驱动码字的编码，为软件实现提供基础。提杆机的电机也由继电器来驱动，本论文选用的电机为220V正反双向电动机，当继电器闭合时，电机正向转动提起栏杆，栏杆到达一定角度后，栏杆保护器切断继电器的电源，电机就停止转动。同时由地感线圈带动的车辆检测器来驱动提杆电机的反向转动，从而电机放下栏杆，在放下的时候也由栏杆保护器来控制电机的反向转动停止。当然，各个部件为了正常工作，还需外接部分的元器件。完整的电路图如图3.4所示。图3.4 外接硬件电路原理图3.3.2 外围控制器软件的分析与实现在AT89C2051单片机系统中，单片机可以以直接传送或应答握手的方式进行数据通信，但由于握手方式占用其他的端口，而单片机的端口数量有限，同时由于数据传输的实时性，本论文中计算机与单片机的通信采用直接传送的方式，下面将重点介绍。单片机89C2051的串行端口有4种工作方式，通过编程设计，可以使其工作在任一方式。单片机串行通信的波特率可以程控设定，在不同的工作方式下，由时钟频率的分频值或定时器T1的溢出率确定。单片机的串行端口有两个控制寄存器，用来设置工作方式、发送或接收的状态、特征位、数据传送的波特率以及中断标志TI和RI。单片机可以采用查询方式或中断方式实现串行数据的传送。在查询方式下，单片机循环对数据寄存器SBUF进行读写来实现数据的接收和发送；在中断方式下，对方式1、2来说，一帧数据发送或接收完后，TI/RI自动置1，请求串行中断，若CPU响应中断，则执行中断服务程序，并把TI/RI清0以再次响应中断。对在方式2、3下的接收，还要视串口控制寄存器SCON的设置才可确定RI是否被置位以及串口中断是否开放。查询方式直接，易于理解，但占用大量CPU时间。实时控制中，由于事件的突发性，常采用中断方式进行数据传送，中断方式能更大限度地提高资源的利用率，使CPU在不进行数据通信时做其他工作。在此，由于事件的偶然性和要求传送的实时性，故采用中断方式来进行现场数据传输。下面介绍单片机在方式1下的中断方式编程。方式1是10位异步通信方式，其中包括1个起始位，8个数据位和1个停止位。波特率由定时器T1的溢出率和串口控制寄存器SMOD的状态决定。在串行口工作于方式1，同时定时器1作为波特率发生器工作于方式2时，确定定时器的初值常采用如下的计算公式：其中，就是要对定时器1设定的初值，必须为整数，如果不能取整，产生的波特率可能不理想，此时，必须选择另外一种晶振频率。是晶振频率，V为波特率。K的值这样确定：当SMOD=1时，K=2；当SMOD=0时，K=1。在晶振为11.0592MHZ时，波特率常采用9600b/s，如果K=1，可计算出=253=0FDH。单片机的串行端口有一个数据寄存器SBUF，该寄存器为发送和接收所共有，在一定条件下，向SBUF写入数据就启动了发送进程，读SBUF就启动了接收进程。对SBUF进行写操作就可以启动发送，在发送位移时钟的同步下，从TXD先送出起始位，然后是8位数据位，最后是停止位，这样一帧数据发送完，中断标志TI置位。在允许接收的条件下（REN=1），当RXD出现由1到0的负跳变时，即被当成是串行发送来的一帧数据的起始位，从而启动一次接收进程。当8位数据接收完，并检测到高电平停止位后，即把收到的8位数据装入SBUF，置位RI，一帧数据的接收过程就完成了。下面是单片机以方式1在直接传送下的中断接收和发送程序。由于没有使用通信握手，所以通信双方都应作好通信准备。在计算机接收、单片机发送时，由计算机先发送字母AA，通知单片机已准备好，然后上位机处于等待状态；当单片机接收到AA时，向计算机发送Y，表示单片机也准备好了，这样，一旦计算机接收到Y就表示双方都已经准备好了，二者之间就可以交换数据了。在计算机发送、单片机接收时，计算机发送一帧数据，单片机响应中断，接收数据。单片机程序具体实现通信过程的流程图如图3.5所示。图3.5 单片机与上位机通信的软件实现部分代码如下：ORG 0000HAJMP startORG 0023H ；串行口中断入口LJMP seriORG 0100Hstart：MOV TMOD，#20H ；设置定时器1为方式2 MOV PCON，#00H ；使TMOD=0 MOV TL1，#0FDH MOV TH1，#OFDH ；设置波特率为9600b/s SETB EA ；全局开中断CLR ET1 ；关T1中断SETB ES ；开串口中断SETB TR1 ；开定时器中断CLR 71HMOV SCON，#50H ；串行方式1，允许接收MOV R1，#51HSJMP $Seri： JNB TI，RXD-INT ；判断是否发送中断 CLR TI ；TI=1，清发送中断标志 SJMP SEND RETIRXD-INT：JNB RI，endtr CLR RI ；清除接收中断标志 MOV A,SBUF ；串口接收缓冲区数据送A JB 71H,data CJNE A, #AAH, endtr ；是否接到AA,如果不是等待 MOV SBUF,A ；接到AA,发送Y SETB 71H SJMP endtr data: CJNE A,#4DH,next ；是否接到”红绿灯结束标志”,若没有转到next MOV R1,#51H ；如果接到结束标志,回到51H datasave: MOV R1,AINC R1send: MOV A,R0 ；R0为要发送的数据存放的地址 MOV SBUF，A JNB TI，$ CLR TI INC R0endtr： RETI END3.3.3 数码管、红绿灯显示的软件分析与实现数码管的个位、十位和百位的显示分别由单片机的P3.2，P3.3，P3.5脚来控制片选，红绿灯由P3.4脚来控制，同时P3.7脚用来向SN74HC377锁存器发送启动脉冲。单片机从上位机接收到的数据放在以51H开始的内存单元中，由于控制数码管和红绿灯的通信帧协议不一样，所以这些数据在向锁存器送之前，还要进行判断，从而发送相应控制字。部分程序如下： begin：MOV A，51H CJNE A，#3DH，next2 ；半段协议帧的字头 SETB 7AH SJMP do next2： CJNE A，#3AH，begin CLR 7AHdo： JB 7AH，feiyong；如果7AH中的内容是，说明接收的数据帧是费用帧 MOV P1，#00H ；如果是0，说明是红绿灯控制帧。feiyong：MOV A，51H ；51H中存的是收费额数据帧或红绿灯控制字帧的字头 CJNE A，#3DH，bb ；如果不等，字头可能是红绿灯控制字字头 ACALL NOP7 ；7个空操作 SJMP dig ；送出52H和53H中的数据bb： CJNE A，#3AH，begin ；如果不是红绿灯控制字字头，转begin CLR 7AH ；如果是红绿灯控制字，7AH中内容为0（标志） NOPLJMP rgydig： MOV A，52 ；52H中存放的是数码管的具体显示数据（个位） ANL A，0FHMOV DPTR，#digledMOVC A，A+DPTRMOV 32H,AACALL se2NOPNOPMOV A,53H ；53H中存放的是数码管的具体显示数据（十位）ANL A,#0FHMOV DPTR,#digledMOVC A, A+DPTRMOV 33H,AACALL se3NOPNOPLJMP beginrgy: MOV A,52H ；52H中存放的是红绿灯的设备号red： CJNE A，#30H，green MOV 34H，#00H ；34H中存放的是红绿灯亮灭控制字 ACALL se4 ；se4子程序：送红绿灯控制字 LJMP begingreen：基本同上 LJMP beginyellow：基本同上 LJMP begin 延时程序 se3： MOV A，33H ；向锁存器送数据，同时从P3.7脚产生启动脉冲 CLR P3.2MOV P1，ACLR P3.7ACALL NOP7SETB P3.7ACALL NOP7CLR P3.7NOPNOPACALL NOP7SETB P3.2ACALL NOP7NOPNOPSETB P3.7CLR 7AHRETse2：MOV A，32H CLR P3.4 MOV P1，A CLR P3.7 ACALL NOP7 SETB P3.7 ACALL NOP7CLR P3.7NOPNOPACALL NOP7SETB P3.4ACALL NOP7NOP NOPSETB P3.7CLR 7AHRETse4：MOV A，34HCLR P3.3MOV P1，ACLR P3.7ACALL NOP7SETB P3.7ACALL NOP CLR P3.7NOPNOPACALL NOP7SETB P3.3ACALL NOP7NOPNOPSETB P3.7CLR 7AHRETdigled：db 0C0H，0F9H，0A4H，0B0H，99H，92H，82H，0F8H，80H，90H ；共阳极数码管的09的16进制编码3.4 本章小结在单片机的基础上，运用nRF401射频芯片，完成了数据收发双方的硬件电路框架设计，实现了基本的数据接收和发送，为下一步非接触IC卡和阅读器的研发以及功能完善、升级，奠定了坚实的基础。 在基于AT89C2051单片机的基础上，完成了收费额的LED显示、红绿灯的控制等硬件电路设计以及相应通信协议、串口通信等软件实现。实验证明，通信前收、发双方达