一种高速公路收费CPC卡自动点卡、分拣装置的设计获奖科研报告

一种高速公路收费CPC卡自动点卡、分拣装置的设计获奖科研报告【摘

要】2020年1月1日开始全国高速公路实现一卡通，给高速公路通行卡（CPC卡）管理提出了新要求，本设计已经完成了与交通部CPC卡管理平台对CPC卡的自动点卡、分拣工作，同时已经做出产品应用于辽宁省高速公路收费管理工作。

【关键词】高速公路;收费;CPC卡;自动;点卡;分拣

随着高速公路收费技术的发展，全国高速公路收费由原来的各省一卡通，发展到了全国高速公路一卡通，这是中国高速公路发展的一个里程碑。全国统一费率、统一收费模式，全国统一优惠政策，给全国的物流企业带了了利好。同时给高速公路现行的通行卡（CPC卡）提出了新的课题。这与原来的各省的模式都会有很大的变化。

现行的CPC卡是带有电池的智能卡，在使用过程中会有电能消耗，随着时间的推移和使用次数的增加，电量会越来越少。这就要求在使用过程中对卡内电池电量进行监控和管理。同时对卡的工作状态也要管理，开是否处于正常的工作状态，一张不能工作的卡是不能发出的。在实际使用过程中还有一种情况，CPC卡是可以处于两种工作状态的智能卡，一种是处于收费站发出的卡，这种状态能耗较高;另一种状态就是收费站回收状态的卡，一张成功回收的卡处于收费站的库存状态时，能耗很低。但有时会出现卡是回收了，但是不是处于回收状态，这样的卡也需要进行人工操作，使其处于回收状态，否则会增加能耗，影响使用寿命。所以，收费站每次入库的卡都需要在交通部的CPC卡管理平台上进行一次点卡和分拣工作。具体做法就是用一台联网的电脑装有CPC卡读卡天线的电脑上，对入库的卡进行一次读卡操作，正常的卡记录在软件系统中，有问题的卡剔除。

一、机械结构设计

辽宁省高速公里原有收费系统车道就有收发卡机，由于目前使用的CPC卡长和宽与原来使用的通行卡一至，只是卡的厚度增加了，因此原有的收费系统的卡箱、卡机还可以继续使用，可以降低新的CPC卡自动点卡、分拣装置的研发费用。我们选用两个卡机出入卡口相对方式安装，让卡槽在同一中心线上，用一个可以连接出卡机与入卡机的通长卡槽链接两个卡机，并在新卡槽上安装带有托卡片的同步带，用步进电机直接驱动托卡皮带。配合出、收卡机工作，就可以将出卡机内的卡通过卡槽及托卡皮带的运动装入收卡机卡箱中。收发卡机机械结构完全一样，由步进电机、滚珠丝杠，卡托及上下限位组成，在卡机上下行程止点端装有行程开关，用以控制卡机托卡升降托上下位子。

在两个卡机中间部分安装一个电控卡门（坏卡门），当有非正常卡时，控制卡门打开，卡会在托卡皮带拖动并掉入坏卡回收箱中，完成分拣动作。

在出卡箱与坏卡门之间的卡槽下方装有CPC卡读卡天线，每张通过天线的卡都会在读卡天线上读取信息，来验证卡的好坏与状态。实现了点卡与分拣。为了提高工作效率，在托卡同步带轮上装有对称两个托卡片，皮带每运行半周完成一次托卡动作。

二、系统控制的实现CPC自动点卡、分拣机有三台步进电机，采用智能仪表控制工作，控制仪表直接驱动三台TB660057步进电机驱动器，驱动器控制三台57步步进电机来实现各种运行。由于STC单片机具有超强抗干扰、速度快、低功耗、可在系统可编程（ISP），无需编程器，无需仿真器等优点，该机器采用STC15F2K60S2LQFP-44单片機做为主控制芯片;为了实现汉字菜单及信息提示，采用LCM点阵19264带中文字库的液晶模块作为仪表的主显示器，采用串口工作模式，节约单片机IO口资源。键盘采用4*5矩阵薄膜按键。仪表有两个RS232接口分别实现与主控电脑、读卡天线连接，并实现（ISP）编程。控制仪表采用C51语言进行控制软件编程。

为了减少网络安全风险，不在收费网内电脑上安装软件，采用电脑读卡时同步接受串口信息，用单片机内软件同步判断CPC卡状态，并控制机器做相应动作，来实现卡的清点和分拣工作。当机器运行前，将读卡天线及交通部CPC卡管理平台处于工作模式，当有卡在读卡天线上时，会回传卡内相应信息，完成读卡操作。

CPC卡从出卡箱被同步带拖卡板拖出到读卡器上面时，拖卡皮带停止运行，单片机判断读卡器读取CPC卡内信息，如果是坏卡，打开废卡门，启动拖卡步进电机，带动皮带拖卡，并使卡掉入废卡箱内，皮带运行到起始位置时停止并关闭废卡门。出卡机内步进电机运行，使出卡机内CPC卡上升一个卡位。这个过程中收卡箱步进电机不动不进行收卡动作;如果单片机判断CPC卡读卡器返回信息是正常卡时，费卡门不打开，启动拖卡步进电机，带动皮带拖卡，并使卡掉入收卡相中。控制流程见图1。

为了提高机器运行效率，提高电机启动力矩同时降低托卡步进电机运行噪声，托卡电机采用调速运行模式。调速运行曲线见图2。该设备点卡速度月2-3秒/卡，回收箱内卡正确率达到100%。

在软件设计上，采用模块化设计。主要有运行模块、卡箱装箱模块及机器参数设定模块等。在用控制仪表设定相应参数时，都提示相