第8章仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

第8章自動(dòng)不停車收費(fèi)ETC仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)物理描述與設(shè)計(jì)部分細(xì)節(jié)物理軟件設(shè)計(jì)程序流程圖分模塊編寫程序背景分析隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，道路運(yùn)行車輛逐年增加，高速公路網(wǎng)絡(luò)逐漸形成。但是，目前高速公路收費(fèi)站所采用的人工收費(fèi)方式由于收費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)且效率低，導(dǎo)致收費(fèi)站因車輛排隊(duì)交費(fèi)而成為車輛快速通行的瓶頸之一。同時(shí)，由于停車?yán)U費(fèi)造成的車輛頻繁制動(dòng)引起的機(jī)械磨損、油耗、噪音和由此產(chǎn)生的大量有害尾氣等問題，使得開發(fā)與研究不停車收費(fèi)系統(tǒng)成為我國(guó)公路交通的迫切需要。適應(yīng)現(xiàn)代公路交通的發(fā)展需求，本章探討一種基于RFID技術(shù)的不停車收費(fèi)系統(tǒng)的架構(gòu)，并對(duì)該系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析與研究。8.1TC技術(shù)發(fā)展概述8.1.1國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r國(guó)外的ETC主要有3個(gè)技術(shù)分支：以挪威Qfree公司和瑞典康比特公司為代表的歐洲技術(shù)，以日本豐田電裝三菱為代表的日本技術(shù)，還有以無線局域網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的美國(guó)技術(shù)。3種技術(shù)的特色：

美國(guó)：E一ZPass系統(tǒng)采用射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)實(shí)現(xiàn)不停車收費(fèi)。日本：采取的是接觸式CPU卡加兩片式電子標(biāo)簽和雙ETC天線的方案法國(guó)：高速公路不停車收費(fèi)系統(tǒng)采用非接觸式IC卡計(jì)程收費(fèi)的方式。除了歐、美、日以外，新興的工業(yè)國(guó)家和發(fā)展中國(guó)家也開始著力于不停車收費(fèi)系統(tǒng)的全面開發(fā)和研究，如新加坡已經(jīng)開始在全國(guó)推行不停車收費(fèi)。馬來西亞和中國(guó)香港等地都已有不停車收費(fèi)系統(tǒng)投人實(shí)際使用，取得了良好的效果。其中較典型的是新加坡的智能交通系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要應(yīng)用于道路交通流量控制。8.1.2國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r在20世紀(jì)90年代中后期，廣東、上海和北京先后引進(jìn)國(guó)外的不停車收費(fèi)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)性使用。雖然不停車收費(fèi)系統(tǒng)的前景被廣泛看好，但是在中國(guó)的發(fā)展卻并不是一帆風(fēng)順。到2003年底，我國(guó)的不停車收費(fèi)系統(tǒng)實(shí)施取得了一定進(jìn)展，部分項(xiàng)目已進(jìn)入試運(yùn)行階段，但是總的來說，國(guó)內(nèi)不停車收費(fèi)系統(tǒng)仍處于探索和試驗(yàn)階段。為大范圍和大規(guī)模地推廣不停車收費(fèi)系統(tǒng)，特別是區(qū)域聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，交通部于2007年5月推出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，并開展不停車收費(fèi)系統(tǒng)區(qū)域聯(lián)網(wǎng)（“長(zhǎng)三角”、“珠三角”、“京津冀”）試點(diǎn)示范工程。可見，在國(guó)家交通運(yùn)輸部的大力支持下，不停車收費(fèi)系統(tǒng)是近年來逐步推廣的一項(xiàng)系統(tǒng)工程，具有廣闊的發(fā)展前景?？傮w方案不停車收費(fèi)系統(tǒng)解決方案.doc8.2車輛信息采集系統(tǒng)硬件核心元器件的選擇非接觸式IC卡與讀卡器之間通過無線電波來完成讀寫操作。二者之間的通信頻率為13.56MHz。非接觸式IC卡本身是無源卡，當(dāng)讀寫器對(duì)卡進(jìn)行讀寫操作時(shí)，讀寫器發(fā)出的信號(hào)由兩部分疊加組成：一部分是電源信號(hào)，該信號(hào)由工C卡接收后，與本身的LC諧振電路共振產(chǎn)生一個(gè)瞬間能量來供給芯片工作；另一部分則是指令和數(shù)據(jù)信號(hào)，指揮芯片完成數(shù)據(jù)的讀取、修改和儲(chǔ)存等，并返回信號(hào)給讀寫器，完成一次讀寫操作。讀寫器則由單片機(jī)、專用智能模塊和天線組成，并配有與PC的通信接口，以便應(yīng)用于不同的領(lǐng)域。8.2.1感應(yīng)式IC卡PhilipsMifare1S50MFIICS50卡為無源卡，能量由讀寫器提供。讀寫器向MF1卡發(fā)出一組固定頻率13.56MHz）的電磁波，卡內(nèi)有一個(gè)LC串聯(lián)諧振電路，其頻率與讀寫器發(fā)射的頻率相同，在電磁波的激勵(lì)下LC諧振電路產(chǎn)生共振，從而使諧振電容內(nèi)有了電荷，在這個(gè)電容的另一端接有一個(gè)單向?qū)ǖ碾娮颖?，電子泵將電容?nèi)的電荷送到模塊存儲(chǔ)電容內(nèi)儲(chǔ)存，當(dāng)所積累的電荷達(dá)到2V以上時(shí)，此電容可作為電源向模塊電路提供工作電壓，將卡內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)射出去或接收讀寫器的數(shù)據(jù)。MF1卡的操作距離可達(dá)10cm，通信速率為106kb/S。8.2.2AT89S52微控制器AT89S52是一個(gè)低功耗、高性能CMOS8位單片機(jī)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)。AT89552具有如下特點(diǎn)：SKBFlash片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，256B的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)；32個(gè)外部雙向輸入／輸出（I/0）口；

6個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)2層中斷嵌套中斷；3個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器；1個(gè)全雙工串行通信口；看門狗（WDT）電路以及片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。8.2.3基站單元MFRC500系統(tǒng)的基站單元采用Phihps公司生產(chǎn)的MFRC500芯片。完全集成了在13.56MHz下所有類型的被動(dòng)非接觸式通信方式和協(xié)議。

MFRC500支持ISO14443A的所有層，內(nèi)部的發(fā)送器部分不需要增加有源電路，就能夠直接驅(qū)動(dòng)近操作距離的天線（可達(dá)100mm)；接收器部分提供一個(gè)堅(jiān)固并有效的解調(diào)和解碼電路，用于ISO14443A兼容的應(yīng)答器信號(hào)；數(shù)字部分處理ISO14443A幀和錯(cuò)誤檢測(cè)。此外，它還支持快速CRYPT01加密算法，用于驗(yàn)證Mifare系列產(chǎn)品。方便的并行接口可直接連接到任何8位微處理器，為讀卡器和終端的設(shè)計(jì)提供了極大的靈活性。MFRC50O的內(nèi)部EEPROM分為4部分，分別用于保存產(chǎn)品有關(guān)信息、存放寄存器初始化啟動(dòng)文件以及存放加密運(yùn)算的密鑰等。

MFRC50O內(nèi)有定時(shí)器，其時(shí)鐘源于13.56MHz晶振信號(hào)。8.2.4發(fā)送接收器MAX232可以用作單片機(jī)和單片機(jī)之間、單片機(jī)和PC串行口之間的符合RS-232的串行接口電路。只要將待進(jìn)行串行傳輸?shù)脑O(shè)備的發(fā)送和接收端相應(yīng)的接上編程即可。1.RS-232發(fā)送器發(fā)送器的輸出電壓為士5V；輸出電壓的擺動(dòng)保證在EIA/TIA232E允許的范圍內(nèi)。MAX232/232A有兩個(gè)發(fā)送器，若只用其中一個(gè)發(fā)送器，另外一個(gè)發(fā)送器的輸人、輸出端可以懸空。2.RS-232接收器RS-

232接收器輸入電平為RS-232電平，輸出為TTL/CMOS電平。不使用的接收器輸入、輸出端可以懸空。8.3車輛信息采集系統(tǒng)的總體硬件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的總體硬件設(shè)計(jì)主要包括以下幾部分：Flash存儲(chǔ)器、RC50O和AT89552的接口設(shè)計(jì)、通信接口設(shè)計(jì)等，其中RC500和AT89S52的接口設(shè)計(jì)是系統(tǒng)核心設(shè)計(jì)之一。8.3.1UART串行通信接口設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要把采集到的數(shù)據(jù)通過串行口發(fā)給PC，并接收PC發(fā)來的命令，所以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要設(shè)計(jì)AT89552的串行通信接口。串行通信接口的主要功能是完成電平轉(zhuǎn)換的任務(wù)。8.3.2其他接口設(shè)計(jì)除了以上硬件設(shè)計(jì)以外，還設(shè)計(jì)了2個(gè)按鍵，按鍵采用中斷方式進(jìn)行工作，包括復(fù)位、查詢、確認(rèn)和取消鍵。另外，蜂鳴器的設(shè)計(jì)是為了在系統(tǒng)完成一次正常的操作，如讀、寫數(shù)據(jù)時(shí)，蜂鳴器發(fā)出聲響用以表明本次操作是否成功，如果操作成功，蜂鳴器連續(xù)響兩下。8.4AT89552和MFRC500接口設(shè)計(jì)接口電路圖8.5車輛信息采集系統(tǒng)的下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)8.5.1車輛信息采集系統(tǒng)和PC通信幀格式的設(shè)計(jì)關(guān)鍵的信息內(nèi)容：車輛型號(hào)、車牌號(hào)碼、行駛里程、單位里程收費(fèi)和總收費(fèi)金額。以上車輛信息再加上各項(xiàng)信息所占的字節(jié)數(shù)就構(gòu)成了一個(gè)完整的通信數(shù)據(jù)包。各項(xiàng)的數(shù)據(jù)格式均是十六進(jìn)制。8.5.2MFRc500讀寫模塊的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)與調(diào)試分模塊編程8.5.3AT89552系統(tǒng)初始化系統(tǒng)初始化主要完成以下幾部分工作：中斷向量表初始化，定時(shí)／計(jì)數(shù)器初始化，以及設(shè)置各個(gè)端口等。串口進(jìn)行初始化的主要工作包括：選擇串行通信引腳，設(shè)定通信波特率，設(shè)定通信幀數(shù)據(jù)格式等。在設(shè)定通信波特率和設(shè)定通信幀數(shù)據(jù)格式時(shí)，最為重要的寄存器是串行控制寄存器SCON。通過配置SCON來使能或禁止設(shè)定串口通信方式；設(shè)定通信幀數(shù)據(jù)格式以及起始位、停止位、數(shù)據(jù)位和奇偶校驗(yàn)位的個(gè)數(shù)。8.5.4MFRC500系統(tǒng)初始化主要包括對(duì)MFRC500復(fù)位、檢測(cè)并行接口并進(jìn)行正確的接口初始化.在MFRC500復(fù)位之后要進(jìn)行一些必需的內(nèi)部初始化，這包括配置發(fā)送器和接收器時(shí)鐘、選擇位解碼器的閾值、配置接收和發(fā)送的狀