第8章仿真系统设计

第8章自动不停车收费ETC仿真系统设计物理描述与设计部分细节物理软件设计程序流程图分模块编写程序背景分析随着我国国民经济的发展，道路运行车辆逐年增加，高速公路网络逐渐形成。但是，目前高速公路收费站所采用的人工收费方式由于收费时间长且效率低，导致收费站因车辆排队交费而成为车辆快速通行的瓶颈之一。同时，由于停车缴费造成的车辆频繁制动引起的机械磨损、油耗、噪音和由此产生的大量有害尾气等问题，使得开发与研究不停车收费系统成为我国公路交通的迫切需要。适应现代公路交通的发展需求，本章探讨一种基于RFID技术的不停车收费系统的架构，并对该系统中的关键技术进行分析与研究。8.1TC技术发展概述8.1.1国外发展状况国外的ETC主要有3个技术分支：以挪威Qfree公司和瑞典康比特公司为代表的欧洲技术，以日本丰田电装三菱为代表的日本技术，还有以无线局域网技术为基础的美国技术。3种技术的特色：

美国：E一ZPass系统采用射频识别（RFID）技术实现不停车收费。日本：采取的是接触式CPU卡加两片式电子标签和双ETC天线的方案法国：高速公路不停车收费系统采用非接触式IC卡计程收费的方式。除了欧、美、日以外，新兴的工业国家和发展中国家也开始着力于不停车收费系统的全面开发和研究，如新加坡已经开始在全国推行不停车收费。马来西亚和中国香港等地都已有不停车收费系统投人实际使用，取得了良好的效果。其中较典型的是新加坡的智能交通系统，该系统主要应用于道路交通流量控制。8.1.2国内发展状况在20世纪90年代中后期，广东、上海和北京先后引进国外的不停车收费系统进行试验性使用。虽然不停车收费系统的前景被广泛看好，但是在中国的发展却并不是一帆风顺。到2003年底，我国的不停车收费系统实施取得了一定进展，部分项目已进入试运行阶段，但是总的来说，国内不停车收费系统仍处于探索和试验阶段。为大范围和大规模地推广不停车收费系统，特别是区域联网运行，交通部于2007年5月推出国家标准，并开展不停车收费系统区域联网（“长三角”、“珠三角”、“京津冀”）试点示范工程。可见，在国家交通运输部的大力支持下，不停车收费系统是近年来逐步推广的一项系统工程，具有广阔的发展前景。总体方案不停车收费系统解决方案.doc8.2车辆信息采集系统硬件核心元器件的选择非接触式IC卡与读卡器之间通过无线电波来完成读写操作。二者之间的通信频率为13.56MHz。非接触式IC卡本身是无源卡，当读写器对卡进行读写操作时，读写器发出的信号由两部分叠加组成：一部分是电源信号，该信号由工C卡接收后，与本身的LC谐振电路共振产生一个瞬间能量来供给芯片工作；另一部分则是指令和数据信号，指挥芯片完成数据的读取、修改和储存等，并返回信号给读写器，完成一次读写操作。读写器则由单片机、专用智能模块和天线组成，并配有与PC的通信接口，以便应用于不同的领域。8.2.1感应式IC卡PhilipsMifare1S50MFIICS50卡为无源卡，能量由读写器提供。读写器向MF1卡发出一组固定频率13.56MHz）的电磁波，卡内有一个LC串联谐振电路，其频率与读写器发射的频率相同，在电磁波的激励下LC谐振电路产生共振，从而使谐振电容内有了电荷，在这个电容的另一端接有一个单向导通的电子泵，电子泵将电容内的电荷送到模块存储电容内储存，当所积累的电荷达到2V以上时，此电容可作为电源向模块电路提供工作电压，将卡内数据发射出去或接收读写器的数据。MF1卡的操作距离可达10cm，通信速率为106kb/S。8.2.2AT89S52微控制器AT89S52是一个低功耗、高性能CMOS8位单片机，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构。AT89552具有如下特点：SKBFlash片内程序存储器，256B的随机存取数据存储器(RAM)；32个外部双向输入／输出（I/0）口；

6个中断优先级2层中断嵌套中断；3个16位可编程定时计数器；1个全双工串行通信口；看门狗（WDT）电路以及片内时钟振荡器。8.2.3基站单元MFRC500系统的基站单元采用Phihps公司生产的MFRC500芯片。完全集成了在13.56MHz下所有类型的被动非接触式通信方式和协议。

MFRC500支持ISO14443A的所有层，内部的发送器部分不需要增加有源电路，就能够直接驱动近操作距离的天线（可达100mm)；接收器部分提供一个坚固并有效的解调和解码电路，用于ISO14443A兼容的应答器信号；数字部分处理ISO14443A帧和错误检测。此外，它还支持快速CRYPT01加密算法，用于验证Mifare系列产品。方便的并行接口可直接连接到任何8位微处理器，为读卡器和终端的设计提供了极大的灵活性。MFRC50O的内部EEPROM分为4部分，分别用于保存产品有关信息、存放寄存器初始化启动文件以及存放加密运算的密钥等。

MFRC50O内有定时器，其时钟源于13.56MHz晶振信号。8.2.4发送接收器MAX232可以用作单片机和单片机之间、单片机和PC串行口之间的符合RS-232的串行接口电路。只要将待进行串行传输的设备的发送和接收端相应的接上编程即可。1.RS-232发送器发送器的输出电压为士5V；输出电压的摆动保证在EIA/TIA232E允许的范围内。MAX232/232A有两个发送器，若只用其中一个发送器，另外一个发送器的输人、输出端可以悬空。2.RS-232接收器RS-

232接收器输入电平为RS-232电平，输出为TTL/CMOS电平。不使用的接收器输入、输出端可以悬空。8.3车辆信息采集系统的总体硬件设计本系统的总体硬件设计主要包括以下几部分：Flash存储器、RC50O和AT89552的接口设计、通信接口设计等，其中RC500和AT89S52的接口设计是系统核心设计之一。8.3.1UART串行通信接口设计数据采集系统需要把采集到的数据通过串行口发给PC，并接收PC发来的命令，所以在系统设计时要设计AT89552的串行通信接口。串行通信接口的主要功能是完成电平转换的任务。8.3.2其他接口设计除了以上硬件设计以外，还设计了2个按键，按键采用中断方式进行工作，包括复位、查询、确认和取消键。另外，蜂鸣器的设计是为了在系统完成一次正常的操作，如读、写数据时，蜂鸣器发出声响用以表明本次操作是否成功，如果操作成功，蜂鸣器连续响两下。8.4AT89552和MFRC500接口设计接口电路图8.5车辆信息采集系统的下位机软件设计8.5.1车辆信息采集系统和PC通信帧格式的设计关键的信息内容：车辆型号、车牌号码、行驶里程、单位里程收费和总收费金额。以上车辆信息再加上各项信息所占的字节数就构成了一个完整的通信数据包。各项的数据格式均是十六进制。8.5.2MFRc500读写模块的设计、实现与调试分模块编程8.5.3AT89552系统初始化系统初始化主要完成以下几部分工作：中断向量表初始化，定时／计数器初始化，以及设置各个端口等。串口进行初始化的主要工作包括：选择串行通信引脚，设定通信波特率，设定通信帧数据格式等。在设定通信波特率和设定通信帧数据格式时，最为重要的寄存器是串行控制寄存器SCON。通过配置SCON来使能或禁止设定串口通信方式；设定通信帧数据格式以及起始位、停止位、数据位和奇偶校验位的个数。8.5.4MFRC500系统初始化主要包括对MFRC500复位、检测并行接口并进行正确的接口初始化.在MFRC500复位之后要进行一些必需的内部初始化，这包括配置发送器和接收器时钟、选择位解码器的阈值、配置接收和发送的状