（信号与信息处理专业论文）基于dsp与rfid技术的交通信息获取系统设计.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着我国城市化进程的加快，城市交通成为各个城市面临的一个共同问题，智能交 通系统( r r s ) 理论正是解决城市交通问题的一个理想方法，因此它逐渐成为当今研究 的一个热点。智能交通系统具有庞大而复杂的体系结构，其中交通信息获取技术是整个 系统功能实现的关键和基础，本文所做的工作就是研究一种智能交通系统中信息获取子 系统的设计与实现方法。 在系统功能结构上，本文采用射频识别( r f i d ) 的技术原理，通过射频基站与车载 的电子车牌之间的无线通信，来完成交通车辆信息的获取功能。在系统实现上，采用高 性能的数字信号处理器( d s p ) 作为系统的处理核心，辅以相应的外设器件，按照一种 自定义的无线通信协议，来实现基站与电子车牌之间的通信功能。在通信性能上，本文 在硬件测试平台上完成了通信协议的程序设计，并通过测试板的通信实验进行通信性能 分析，对通信协议参数进行优化选择，验证了本系统的通信能力完全满足实际通信环境 的需要。 本文主要内容包括如下几个部分： ( 1 ) 首先，本文研究了基于r f i d 技术的射频系统结构和慕丰浩博士等人提出的智 能交通系统组成方案，将二者结合设计了一种交通信息获取系统框架结构。然后通过对 常见的时分多址无线通信协议的分析，给出了该系统通信协议的设计方案。 ( 2 ) 设计了一套无线数据收发系统的硬件实现方案。本方案分为无线基站和电子 车牌两部分，采用了1 1 公司的t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列高性能d s p 处理器作为处理核心， 集成射频收发芯片作为串行无线数据收发单元，并配以时钟、电源、存储、串行通信等 专用芯片作为外围辅助电路，以满足系统功能需要。 ( 3 ) 在软件实现中以具有c 6 0 0 0 系列d s p 处理器的s e e d - v p m 6 4 2 试验开发板作 为实验开发平台，采用1 1 公司的c c s ( c o d e c o m p o s e r s t u d i o ) 集成开发环境，完成底 层硬件系统和上层无线通信协议的程序设计，实现了实验系统的通信功能。 ( 4 ) 最后通过大量联机通信试验验证了协议实现的正确性。通过对实验数据的分 析，进一步对协议参数进行优化选择，使本文所设计的通信系统也更加具有实用意义。 关键词：智能交通系统：r f i d ；d s p 基于r f i d 与d s p 技术的交通信息采集系统设计 d e s i g no fa t r a f f i ci n f o r m a t i o na c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do nr f i da n d d s p t e c h n i q u e a b s t r a c t n o w a d a y s , 1 r a f ：f i cj a mi sap r o b l e mi nm a n yc i t i e s i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ( i t s ) i sak e yt ot h ep r o b l e m m a n yp e o p l ee n g a g et h e m s e l v e si ni t i nn sw h i c hh a sah u g e a n dc o m p l e xa r c h i t e c t u r e , t r a f f i ci n f o r m a t i o na c q u i s i t i o ni sab a s i cf u n c t i o n t h em e t h o dt o d e s i g na n dr e a l i z es u c has u b s y s t e mu s e df o ri n f o r m a t i o na c q u i s i t i o ni ni t si st h ew o r ko ft h i s p a p e r i nf u n c t i o ns t r u c t u r e 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 ( r f i d ) t e c h n i q u ei sr e f e r e n c e di nt h e s y s t e md e s i g n e db yt h i sp a p e r 1 1 i es y s t e mi n c l u d e sb a s es t a t i o na n de l e c t r o n i cp l a t e a n dt h e i n f o r m a t i o na c q u i s i t i o ni sc a r r i e do u tb yt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h e m i nr e a l i z a t i o n m e t h o d ，h i g h - p e r f o r m a n c ed i 舀t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) i su s e dw i t ho t h e rc o r r e s p o n d i n g p e r i p h e r a ld e v i c e st oi m p l e m e n tt h ec o m m u n i c a t i o nf u n c t i o nu n d e r ak i n do fc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o ld e f i n e db yo u r s e l v e s i nt h ec a p a b i l i t y ，h a r d w a r et e s tb o a r di su s e da sd e v e l o p m e n t p l a t f o r m t o i m p l e m e n tc o m m u n i c a t i o n f u n c t i o n b yc o d i n g o ni t , a n dt h r o u l g ht h e c o m m u n i c a t i o nt e s td a t aa n a l y s i s ，w eg o to p t i m i z e dp a r a m e t e ro fo u rp r o t o c o la n dc o n f i r m e d t h a tt h ec a p a b i l i t yo fo u rs y s t e mc o m p l e t e l ym e e tt h ed e m a n d so fa c t u a le n v i r o n m e n t t h i sp a p e ri n c l u d e st h ef o l l o w i n gc o m p o n e n t s ： 1 1 l ef i r s tp a r ti st h es p e c i f i c a t i o no ft h er fc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，i t sb a s e do nt h e w e l lk n o w ns l o t t e d - a l o h 九w h i c hi sam e m b e ro ft h ea l o h a p r o t o c 0 1 t h i sp a p e ra n a l y s i s t h ep e r f o r m a n c eo fb o t hs l o t t e d - a l o h aa n da l o h ap r o t o c 0 1 t h e ng i v et h ed e f i n i t i o no f t h ef r a m es t r u c t u r e , d a t as t r u c t u r ea n de r r o rc o n t r o lm e c h a n i s m i nt h es e c o n dp a r t ah 盯d w a r es t r u c t u r eo ft h es y s t e mi sd e s i g n e dw h i c hi sd i v i d e di n t o t w op a r t s , w i r e l e s sb a s es t a t i o na n de l e c t r o n i cn u m b e r p l a t e i nt h eh a r d w a r es t r u c t u r ed e s i g n ， i tu s e st i st m s 3 2 0 c 6 0 0 0s e r i e sh i g h p e r f o r m a n c ed s pa st h ec o m p u t i n gu n i t , i n t e g r a t e d r fc h i pa st r a n s c e i v e rm o d u l ea n dc l o c k , p o w e r , f i a s h ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o nc h i p sa s e x t e r n a la u x i l i a r yc i r c u i tt om e e tt h ef u n c t i o n a ld e m a n d so ft h es y s t e m i nt h et h i r dp a r t , i td e s c r i b e st h es o f t w a r ei m p l e m e n t a t i o np r o c e s so ft h ew i r e l e s s p r o t o c o lo nt h e t e s tp l a t f o r mo fv p m 6 4 2d e v e l o p m e n tb o a r d t h r o u i g ham o u n to f c o m m u n i c a t i o nt e s t t h ec o m m n n i c a t i o np r o t o c o lh a sb e e np r o v e dt ob ef e a s i b l ea n de f f i c i e n t k e yw o r d s ：i t s ：r f i d ；d s p 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：趣 日期：鲨2 至! 塑 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查闭和借阕。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：建色堕型 导师虢憋 迦垒2 年尘月 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 智能交通系统发展概况 随着经济的飞速发展，人口与车辆数量也在不断增长，但是有限的土地资源以及经 济要素的制约却使得城市道路扩建增容有限，因此不可避免的带来一系列的交通问题。 为解决r 益严峻的交通问题，各国政府采取了大量的应对措施，但是在傲过各种尝试， 好费了大量的人力物力后，交通状况依然难有根本改观。人们逐渐认识到交通系统是一 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，必须 把车辆和道路综合起来，考虑如何在有限的道路资源条件下，提高道路资源的利用率， 这才是解决问题的关键。同时自上世纪后期以来，信息技术的迅猛发展和广泛应用也给 以上的解决思路提供了有效的技术手段支持。在这样的背景下，智能交通的概念应运而 生，并逐渐成为应用研究的热点。 世界各国在认识上逐渐达成一致后，于1 9 9 4 年1 1 月在巴黎召开了第一次世界智能 交通大会，并提出了智能交通系统( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ，即i t s ) 的概念【阍。 智能交通系统是指将先进的信息技术、电子通讯技术、自动控制技术、计算机技术以及 网络技术等有机地运用于整个交通运输管理体系而建立起的一种实时、准确、高效的交 通运输综合管理和控制系统。它是由若干子系统所组成的，通过系统集成将道路、驾驶 员和车辆有机地结合在一起，加强三者之间的联系。借助于系统的智能技术将各种交通 方式的信息及道路状况进行登记、收集、分析，并通过远程通讯和信息技术，将这些信 息实时提供给需要的人们，以增强行车安全，减少行车时间，并指导行车路线。同时管 理人员通过采集车辆、驾驶员和道路的实时信息来提高其管理效率，以达到充分利用交 通资源的目的。 i t s 与以往交通控制的本质区别是信息技术成为支撑i t s 技术中的核心技术，除了 大量实时性的信息采集、信息整合、信息传输、信息汇总、信息融合、信息存储和发布 外，还增加了大量的人、车、路间的信息交互与共享，加强了人、车、路和管理系统的 一体化运作。 对智能交通系统的研究，许多国家都投入了巨大的人力物力。一些发达国家从7 0 年代就开始了对i t s 技术的研究，政府投入巨大的资金将其应用于实际交通运输管理之 中，有效地缓解了各种交通问题，并且直接或问接带来了巨大的经济效益和社会效益。 目前已形成以美国，日本和欧洲为代表的三大研究中心。 基于r f i d 与d s p 技术的交通信息采集系统设计 在美国，i t s 的前身是i v i - i s | 6 1 ( i n t e l l i g e n tv e h i c l e - h i g h w a ys y s t e m ) 智能车路 系统。对于美国来说，i t s 的研究虽然起步最晚，但由于投入较多，目前在该领域已处 于领先水平。美国的i t s 主要是基于射频通信，工作于9 1 5 m h z 和5 8 g h z 两个频段。 日本是对i t s 进行研究最早，实用化最高的国裂”，智能交通的应用程度已相当高。 由于同本国土狭小资源有限等原因，日本在7 0 年代就开始汽车交通综合控制系统的研 究，并在全国范围内设置和修建交通管制中心。进入8 0 年代以来，又先后进行了路车 问通信系统( r a c s ) 和先进的汽车交通信息通信系统( a m l l c s ) 的研究。进入9 0 年 代后，日本积极参加国际闯的i t s 研究与合作，并成立了全国性的i t s 推进组织。目前， 日本已建立了较为完备的交通控制、信息服务等综合体系，并基本完成了覆盖全国的电 子地图的绘制工作。 我国在i t s 领域的研究起步较晚，但是随着全球范围的智能交通技术研究的兴起， 进入8 0 年代，我国也加快了进行智能交通研究的步伐。一方面，北京、上海、广州、 深圳等大城市陆续从国外引进了一些较为先进的城市交通控制、道路监控等系统；另一 方面，还加大了自主开发的步例s , 9 】，国家工f 在大力组织开展系统的标准化研究工作【6 】。 现在，我国已经把智能交通系统的研究放在“国家自然科学基金”的重要位置，很多城 市在交通管理中投入了大量的人力、物力和财力，也取得了一定的成效。例如北京市在 公交系统已经实现了半自动化，国内的部分高速公路网也实现了刷卡式计费系统。 1 2 交通信息采集技术概述 对于i t s 技术的发展来说，其中最重要的一个技术就是如何应用各种方式最大限度 的获取、处理和利用交通信息。交通信息的获取可以说是整个r r s 的基础，如果没有大 量的、准确的交通数据作为系统的支撑，i t s 永远只能停留在概念阶段。目前，人们已 经越来越关注交通信息尤其是动态交通信息获取技术的应用和发展，这也构成了i t s 技 术的基础。采用不同的交通数据采集模式将直接影响智能交通系统的体系结构。 1 2 1 交通信息的分类 城市交通信息分为静态交通信息和动态交通信息0 0 , x l 】，静态交通信息主要是指表示 交通系统中如高速公路、城市道路、公路设施、停车场分布等常规组成部分的性能、特 征和指标的信息；动态交通信息不仅包括公路和城市道路上所有移动物体所具有的特定 信息，诸如车速、车型、车流量、道路路口状态、非机动车和行入的状态、突发事件等， 也包括这些信息与历史数据的对比分析，从而判断它的趋势变化。由于静态交通信息是 相对固定的，在一定时期内具有一定的稳定性，而动态交通信息采集具有数据量大、采 大连理工大学硕士学位论文 集方式多样化、信息类型复杂、信息的准确性要求高等特点，因此全面可靠的检测动态 交通信息成为智能交通系统中的一项关键技术。 动态的交通信息又分为以下几种不同的类型。 按信息采集时间：历史数据和实时动态数据； 按信息类别：宏观数据和微观数据1 1 2 , 1 3 】； 按信息特点：定性数据、定量数据和图像数据等； 按信息采集系统的不同：交通流检测系统数据、电视监视系统数据、视频检测系统 数据、浮动车采集系统数据和人工报告数据； 按信息采集的方式：固定检测器数据、移动检测器数据。 1 2 2 动态交通信息的采集方式 动态交通信息可以利用固定检钡0 技术和移动检测技术获取t 体州，固定检测技术分为 磁频采集技术、波频采集技术和视频采集技术；移动采集技术主要是浮动车采集技术和 汽车牌照自动识别技术。 ( 1 ) 固定型交通信息采集方式 固定型检测器是指运用安装在固定地点的交通检测设备对行驶的车辆进行监视，从 而实现采集交通参数的方法总称。固定型检测器的种类很多，主要有：环形线圈检测器， 超声波检测器，雷达检测器，视频检测器，红外线车辆检测器等。 磁频采集技术。当有机动车辆通过检测区域时，在电磁感应的作用下交通检测区域 内的电流会跳跃式上升。当该电路超过指定阈值时会触发记录仪，实现对车辆数及通过 时间的检测。使用磁频技术采集动态交通信息的设备主要有环型感应线圈检测器，磁力 检测器等。该技术主要有技术成熟、易于掌握，检测精度高，全天候工作和设备价格低 等优点。但它的缺点是安装时需切割路面，影响路面寿命，安装维护时需要中断交通， 对已建成的道路应用比较困难。 波频采集技术。波频采集技术有两种工作方式，其一是交通检测器向检测区域发射 具有一定波长的能量波束，当有机动车辆穿越检测区域时，该波束经车辆反射后被检测 器接受，然后经过处理分析获得所需要的交通检测参数。这种类型的设备主要有微波检 测器，超声波检测器和主动红外线检测器等。波频采集技术的另一种工作方式是检测器 对通过检测区域的机动车辆本身发射的具有一定波长的能量波束进行接收，经过分析处 理后获得所需的交通参数。这种类型的设备主要有被动红外线检测器，被动声学检测器 等。波频采集技术的优点是检测精度高，而且可检测间距很小的车流。其缺点是检测精 基于r f i d 与d s p 技术的交通信息采集系统设计 度易受环境影响，尤其是大风、暴雨等影响，而且探头下方通过的入或物也会产生反射 波，造成误检。 视频采集技术。是一种将视频图像和模式识别技术相结合应用于交通领域的采集技 术。它通过视频摄像功能，将连续的模拟图像转换成离散的数字图像，然后通过计算机 软件进行分析处理。视频采集技术可以完整记录交通事件的发生经过，数据信息量大， 但是庞大的数据量使视频采集对数据传输和处理提出了更高的要求，因此设备成本更 高。 ( 2 ) 移动型交通信息采集方式 移动型采集技术是指运用安装有特定设备的移动车辆，检测道路上的固定标识物来 采集交通信息数据。目前常用的移动交通信息采集方式是基于浮动车( f l o a t i n gc a r d e t e c t i o n ) 的动态交通采集技术，它利用在道路上行驶的浮动车，定时向交通信息中心 发送采集到的数据( 位置、速度信息等) ，使交通信息中心可以获耿车辆的行驶速度、 旅行时间等交通信息。移动信息采集技术具有较高的灵活性，能够完成很多固定型信息 采集方式无法完成的数据采集任务，但是他也需要人工参与。 1 3r f i d 技术原理 r f i d 是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 的缩写，即射频识别，俗称电子标签。r f i d 是一种非接触式的自动识别技术【1 7 l ，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数 据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。r f i d 技术可识别高速运动物体 并可同时识别多个标签，操作快捷方便。 r f i d 系统一般由阅读器和应答器两部分构成，其基本结构框图如图1 1 所示： 耦合元件 ( 线圈或微波天线) 图1 1r f l d 系统的基本结构框图 f i g 1 1s t m c t l l r ed i a g r a mo fr f i ds y s t e m 应答器：应答器应放置在要识别的物体上； 阅读器：阅读器可以是只读或读写装置，取决于所使用的结构和技术。 大连理工大学硕士学位论文 一台典型的阅读器包含有高频模块( 发送器和接收器) 、控制单元以及与应答器连 接的耦合元件。此外，许多阅读器还都有附加的接口( r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 等) ，以便将获得的 数据进一步传输给其它系统( 个人计算机、机器入控制装置等) 。 r f i d 技术的基本工作原理并不复杂：应答器进入阅读器磁场后，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 t a g ， 无源标签或被动标签) ，或者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。 r f i d 系统的优点主要体现在下面几个方面： ( 1 ) 无接触，阅读距离远； ( 2 ) 同时可识别多个标签： ( 3 ) 适应高速移动物体； ( 4 ) 可穿透非金属进行阅读； ( 5 ) 以无线方式通信，无需外露触点，适应环境能力强，可全天候工作。 r f i d 技术的应用领域非常广泛，典型应用有商品标签、动物跟踪、防盗系统、门禁 管理、停车场控制、自动生产线、图书管理、动物识别等等。在智能交通系统中，r f i d 技术也有着广阔的应用前景，他可以应用于交通信息采集，电子注册管理，停车管理， 电子收费管理等多个方面。 1 4 本文主要完成工作和内容安排 本文主要研究了动态交通信息获取系统的设计与实现问题，根据文献 1 8 中提出的 系统结构，分析并制定了系统要采用的无线通信协议方案，设计了系统的基站和电子车 牌的硬件组成结构，并采用与基站和电子车牌硬件结构相匹配的实验开发板编程实现了 自定义的通信协议，在硬件开发平台上实现了通信功能，最后通过开发板的联机通信实 验对协议参数进行分析和优化，以大量的通信实验验证了系统的通信能力。 本文共分为六章，其内容如下： 第一章为绪论，介绍智能交通系统发展概况，交通信息获取技术以及r f i d 技术原理。 第二章描述了文献 1 8 中提出的一种新型动态智能交通车辆监管系统的结构、工作 模式和功能单元，并通过对时分多址的多用户随机接入协议的分析，给出了一套用于实 现电子车牌与基站间通信的协议方案。 第三章研究动态交通信息获取系统的硬件组成设计。给出一种以d s p 处理器为核心 的系统结构，并结合系统功能需求阐述了系统各个功能单元的选型与设计方法 基于r f i d 与d s p 技术的交通信息采集系统设计 第四章在符合设计要求的试验平台上进行了电子车牌与基站的通信协议程序设计， 实现了通信功能。 第五章通过大量的实时通信实验及对实验结果的分析，验证了系统结构和通信协议 完全满足本系统功能要求。 最后文章在第六章对课题作出了总结与展望。 大连理工大学硕士学位论文 2 系统通信技术方案设计 本章研究交通信息获取系统在实现无线通信功能中的一些关键技术，是本文系统设 计的关键部分。r f i d 作为一种新兴的自动识别技术，由于具有远距离识别、可存储携 带较多的信息、读取速度快、可应用范围广等优点，非常适合在智能交通和停车管理方 面使用，因而被本文所采用。专用短程通信( d s r c ，d e d i c a t c ds h o r t r a n g ec o m m u n i c a t i o n ) 技术作为欧美等发达国家开发的应用于智能交通领域的通信协议技术，正在被我国所研 究和应用，它的体系结构也是本文系统通信协议设计的一个重要参考。此外，多用户随 机上报的碰撞冲突是本文系统通信中必然要面对的一个问题，通过对时分复用的随机接 入系统性能的分析，本文给出了防碰撞冲突的解决方案。 2 1 系统的功能与组成 本文所研究的是一种动态交通信息获取系统的设计，它是作为一种“新型动态无线、 红外双模式智能交通车辆监管系统【1 8 l ”方案设计的一部分，该车辆监管系统设计方案已 由慕丰浩博士等人申请发明专利。 该系统设计主要为实现以下功能： ( 1 ) 城市交通道路管理，实时、准确、高效、科学的实现车流量统计和交通运输 管理； ( 2 ) 城市车辆管理，建立车辆数据库，车牌验证，追查可疑车牌； ( 3 ) 城市车辆安全防护，防抢防盗，被盗车辆追踪； ( 4 ) 城市泊车收费管理，智能停车场管理； ( 5 ) 高速公路、桥梁、隧道等的交通管理与收费管理。 该系统在需要管理和监控的场合设立集信基站( 以下简称基站) ，基站采用有源 r f i d 技术原理，通过无线通信方式与安装在汽车上的电子车牌通信，获取车辆牌照( 或 其它有关信息) ，并发布必要的交通信息给电子车牌。基站还与城区中的分控中心联网， 而分控中心又与城市交通车辆管理中心联网，从而构成整个城市动态交通监管系统。图 2 1 为本文所设计的动态交通信息获取子系统的结构示意图。 基于r f i d 与d s p 技术的交通信息采集系统设计 图2 1 动态交通信息获取系统的结构示意图 f i g 2 1 s t r u c t u r eo ft h ed y n a m i ct r a f f i ci n f o r m a t i o na c q u i s i t i o ns y s t e m 无线基站主要用于各种无方向性要求的大小交通路口、广场、高速公路上，正常工 作时覆盖半径一般在5 米至2 0 0 米，在特殊工作模式时最大可达数千米。基站也可以被 装置在某种交通工具上，形成移动检查器。移动检查器具有与路边设置的基站相似的硬 件组成和功能，它可以由交通工具承载，达到路边固定基站无法覆盖到的某一区域进行 检测或是对某一目标进行追踪式检测，面向特殊功能要求，完成更灵活和更大范围的交 通信息采集任务。 分控中心和城市交通车辆管理中心根据所获取车辆牌照、地域编码和通过时间，形 成车辆行驶记录，并以数据库的形式存档。在全国范围内，城市交通车辆管理中心可通 过互联网查询任何车辆信息。 城市车辆管理中心是交通管理的通信、调度、监控、协调指挥枢纽，可分级分区设 置。主控制中心下辖多个分控中心，分控中心按不同的区域平行设置。控制中心之间可 以相互交换数据，可实现交通车辆的跨区域管理、调度与协调。分控中心的设置应该根 据交通道路的主次、道路密度及道路的交通密度来设置。 大连理工大学硕士学位论文 2 2 多用户随机接入解决方案 2 2 1 射频识别系统通信形式 射频识别系统中存在三种不同的通信形式【1 9 1 ：第一种是无线广播式，即一个读写器 向在其阅读范围内的多个电子标签发送数据流，同时被多个电子标签接收。第二种是在 一个读写器的作用范围内有多个电子标签同时传数据给读写器，这种通信形式称为多路 存取通信。第三种是多个读写器同时给多个电子标签发送数据。本文系统主要包含前两 种通信形式。 r f i d 系统通信有以下特点：每个通信通路有规定的通路容量，这种通路容量是由 这个通信通路的最大数据率以及供给它使用的时闯片确定的；读写器和电子标签之阃数 据包总的传输时间由数据包的大小和传输波特率决定，传输延时可以忽略不计；r f i d 系统包含大量的电子标签，并且是动态的( 随时有可能超出读写器的工作范围) ，通过 竞争的方法占用信道进行通信；电子标签在被读写器激活后，在通信时间段内必须独占 通信通路才能成功完成通信，多个标签同时占用通路将产生碰撞冲突。 对于r f i d 系统来说，通常只存在很短的通信动作周期，这种周期之问是一些较长 的不等的时间间隔。如何防止由于电子标签的数据包在读写器的接收过程中相互碰撞而 导致读写失败( 也就是反碰撞方法) 是r f i d 系统要解决的关键问题。 r f i d 系统常用的反碰撞法有以下四种：频分复用法( f d m a , f r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ) 、空分复用法( s d m a s p a c ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 、时分复用法 2 米，可靠传输距离可达3 0 0 - 4 0 0 0 m ( b e r = 1 2 0 0 b p s ) 。 基于r f i d 与d s p 技术的交通信息采集系统设计 图3 4c c l 0 2 0 结构简图 f i g 3 4c c l 0 2 0s i m p l i f i e db l o c kd i a g r a m ( 5 ) 多信道。s t r 系列标准配置提供8 个信道，如果用户需要，可扩展到1 6 3 2 6 4 信道。满足用户多种通信组合方式。 ( 6 ) 双串口，3 种接口方式。s t r 系列提供2 个串口3 种接口方式，c o m l 为1 几 电平u a r t 接口。c o m 2 由用户自定义为标准的r s 2 3 2 r s 4 8 5 口( 用户只需要拔插1 位短路器再上电即可定义) 。 ( 7 ) 大的数据缓冲区。格式为8 n 1 8 e 1 用户自定义，可传输无限长的数据帧，用 户编程更灵活。 ( 8 ) 智能数据控制，用户无需编制多余的程序。即使是半双工通信，用户也无需 编制多余的程序，只要从接口i | 芟，发数据即可，其它如空中收，发转换，控制等操作，s t r 自动完成。 ( 9 ) 低功耗及休眠功能。+ 5 v 供电情况下，接收电流 3 0 m a ，发射电流 4 0 m a ， 休眠电流 5 u a 。+ 2 7 v 供电情况下，接收电流 2 2 m a ，发射电流 3 3 m a ，休眠电流 5 u a 。 ( 1 0 ) 高可靠性，体积小、重量轻。采用单片射频集成电路及单片m c u ，外围电 路少，可靠性高，故障率低。 ( 1 1 ) 多种天线配置方案，满足用户不同的结构需要 ( 1 2 ) 透明的数据传输。提供透明的数据接口，能适应任何标准或非标准的用户协 议。自动过滤掉空中产生的假数据( 所收即所发) 。 大连理工大学硕士学位论文 c c l 0 2 0 的控制也十分简单，只需6 根信号线，d s p 即可对其进行控制，包括通信 频点的选择，通信功率的控制，以及数据的发送和接收。c c l 0 2 0 与d s p 的接口如图所 示。 p c l k p d i p d o 、 、 p s e l ，( o p t i o n a l ) m i c r o - c o n t r o l l e r d 1 0 d c u 【 l o c k ( o p t i o n a l ) 、 图3 5c c l 0 2 0 与微控制器的接口 f i g 3 5 m i c t o c o n t x o l l e li n t e r f a c eo fc c l 0 2 0 其中p c l k 、p d i 、p d o 、p s e l 为一个s p i 接口，是对c c l 0 2 0 的工作状态进行设 置，确定其工作频段，频点，通信方式等通信过程中用到的参数。d i o 和d c l k 是数据 线。对不同的通信方式，d i o 和d c l k 和对于不同的通信方式有不同的作用。c c l 0 2 0 有两种通信方式，一种是带缓存的通信方式，另一种是透明的通信方式。带缓存的通信 方式是一种较复杂的通信方式。在该方式中，控制器将要发送的数据送入c c l 0 2 0 的寄 存器中，之后c c l 0 2 0 对数据进入编码，之后再将其发送出去。在接收端，c c l 0 2 0 将 收到的数据解码，检查通信中是否有误码存在，若没有，则通知控制器从寄存器中读取。 该方式的优点是c c l 0 2 0 为用户完成了差错控制编码的工作，使得通信更加容易，但该 方式有一个弱点就是数据的发送时间不受控制器的控制，会有一个不确定的发送延迟， 这个延迟对于本文的分时隙通信协议是不利的。而透明传输方式则较简单，只是完成调 制解调的工作，不涉及差错控制编码，因此其发送延迟是一个定值，其发送时间是可控 的。因此，在这里本文使用c c l 0 2 0 的透明传输方式。此方式下，d i o 为发送数据的输 入端，d s p 将串行的基带信号送入d i o ，之后由c c l 0 2 0 进行调制并发送出去。d c l k 是将接收到的射频信号解调后的基带串行数据输出，送给d s p 。透明传输方式的工作波 形如图3 6 所示。 基于r f i d 与d s p 技术的交通信息采集系统设计 d c l k d i o l 阴 i r n d ( 1 k d 1 0 d c l ki sn o tu s e di 1 1t r a n s m i tm o d e a n di s u s e d n d a t a o u t p u t i nr e c e i v e m o d e i tc a n h s e t t o d e f a u l t h i g h w l o w i n t r a n s m i t m o d e d a t a p r o v i d e d b y u a r t o x d ) f s k m o d u l a t i n gs i g n a l ， i n t e r n a li nc c l 0 2 0 d e m o d u l a t e ds i g n a l ( n r z k i n t e m a li i lc c l 0 2 0 d c l ki su s e da sd a t ao u t p u t p r o v i d e db yc c l 0 2 0 c o n r l c , c tt ou a r t ( 鼢) d i oi sn o tu s e di nf e 4 c a i v em o d e u s e do n l y a sd a t ai n p u ti nt r a n s m i tm o d e 图3 6 透明异步串行传输模式 f i g 3 6t r a n s p a r e n ta s y n c h r o n o u su a r tm o d e 3 2 3f l a s h 芯片选型 f l a s h 称为闪速存储器，是一种高速的、电擦除、电改写的非易失性的存储器。 因它具有速度快、容量大、功耗低以及成本低等优点，所以在电子、计算机、通信、军 事等领域得到了广泛的应用。考虑到目前阶段本文所设计系统的应用需要，f l a s h 芯 片可选择美国s s t 公司的1 2 8 k 8 b i t 的闪速存储器s s t 2 9 l e 0 1 0 1 4 。s s t 2 9 l e 0 1 0 是s s t 公司的2 9 系列多用途闪速存储器。它的主要特点和技术指标如下。 ( 1 ) 高可靠性。可重复擦写次数在1 0 万次以上，保存时间在1 0 0 年以上。 ( 2 ) 快速写操作。每页1 2 8 b y t e ，页写时间为5 m s ( 典型值) ，片写时间为5 s ( 典 型值) 、有效字节写循环周期是3 9 ( 典型值) 。 ( 3 ) 低功耗。工作时功耗为1 0 m a ，休眠时功耗为1 0 。 ( 4 ) 兼容性好。兼容1 几电平和c m o s 电平。 ( 5 ) 单一的3 3 v 电压供电，可以直接和d s p 连接。 ( 6 ) 达到j e d e c ( 电子器件工程联合会) 标准的f l a s he e p r o m 管脚输出和命令 集。 f l a s h 与d s p 的连接如图3 7 所示。 大连理工大学硕士学位论文 图3 7h h 与d s p 的连接图 f i g 3 7 h 旺口o c o n t 如d 】e rm t c r f a c eo f f l a s h 3 2 4 u a r t 电路设计 u a r t 芯片选择采用t l l 6 凹5 2 b 通用异步收发器i 蝴，其上包含两路相互独立的异 步收发器，各自带有m o d e m 接口信号，可实现m o d e m 控制功能。可以编程控制传输速 率，最高传输速率可达1 5 m b p s 波特率( 2 4 m h z 输入时钟) 或3 m b p s 波特率( _ 4 8 m h z 输入时钟) ，可以满足本系统需要。接收和发送各带6 4 字节f i f o ，f i f o 的d m a 和中 断产生触发级可编程选择。可编程控制睡眠模式，可编程设置串口特性：可选数据位数， 自动添加奇偶校验和停止位。t l l 6 a 5 2 b 芯片功能完全适合本系统要求。 在芯片的连接上，t l l 6 凹5 2 b 采用8 位异步并行存储器接口，并采用+ 3 3 v 电源供 电，可以与d s p 芯片的外部存储器接口( e m m a ) 直接连接。t l l 6 凹5 2 b 每个通道都 包含1 8 个寄存器，通过地址a 2 一a 0 及寄存器位对它们进行寻址，a 、b 二通道分别由 片选信号选通。 另外，t l l 6 c 7 5 2 b 还提供两个中断请求信号，i n t a 、i n t b ，分别对通道a 和b 申请d s p 中断。设计上可以将i n t a 和i n t b 相与，复用到d s p 的i n t 5 引脚。 基于r f i d 与d s p 技术的交通信息采集系统设计 图3 8t l l 6 c 7 5 2 b 功能模块图 f i g 3 8t l l 6 c 7 5 2 bf u n c t i o n a lb l o c kd i a g r a m 3 2 5 异步串口接口电平转换部分电路设计 u a r t 异步接口电平转换电路采用m a x 3 1 6 0 多协议收发器f 4 3 】，使得异步串口接口 电平可配置为r s 2 3 2 r s 4 2 2 r s 4 8 5 多种电平接口标准。m a x 3 1 6 0 应用电路连接方法如 图3 9 所示。 + 3 v t o ”5 图3 9m a x 3 1 6 0 应用电路 f i g 3 9m a x 3 1 6 0t y p i c a la p p l i c a t i o nc i r c u i t 大连理工大学硕士学位论文 在r s 2 3 2 接口标准时，采用4 线制( r x d 、t x d 、r t s 、c t s ) ，而在r s 4 2 2 r s 4 8 5 接口标准时，采用2 线制( r x d 、t x d ) 。m a x 3 1 6 0 上的引脚r s 4 8 5 r s 2 3 2 用于选 择工作在r s 4 2 2 r $ 4 8 5 还是r s 2 3 2 接口标准，选则r s 4 2 2 还是r s 4 8 5 由系统控制寄存 器0 ( s y s c n t l 0 ) 来控制。引脚h d p l x 用于控制是否采用全双工模式，可以由 t l l 6 c 7 5 2 b 的引脚d t r a 和d t r b 配置为输出来控制，当h d p l x b 为0 时选用全双工， 为1 时选用半双工模式。引脚f a s t 用于控制信号转换率。为o 时选用较低的信号转换 率，为1 时选用较高的信号转换率。 3 2 6 时钟电路设计 t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列d s p 的时钟引脚为x 1 和x 2 c l k i n 。采用有源晶振，则直接 将晶振的输出连接到x 2 引脚，接法如图3 1 0 所示 图3 1 0 晶振连接 f i g 3 1 0c r y s t a li n t e r f a c e d s p 有一组引脚a m d o j c u ( m d 2 ，可以用来调整d s p 工作频率的高低，并由这 些引脚的状态来决定d s p 内部倍频的大小。倍频是指在外部晶振的基础上乘以设定的 倍数。根据各种选定型号的d s p 的不同，倍数由c u 【m d o 羽k m d 2 的值来确定。 3 2 7j t a g 仿真口电路设计 连接测试组( j t a g ，j o i n t t