基于無線射頻技術的高速公路自動收費系統設計及軟件實現＊

西北工業大學自動化學院（西安 710072） 黃偉華 楊建華 譚 麗 閆旭晟

0 引言

收費是高速公路建成后營運管理的重要工作，現階段的收費模式大多是人工收費，效率不高。基于射頻技術的高速公路收費系統采用無線方式，通過安裝在車輛前部的繳費卡和置于收費站內的讀卡器進行信息交換，是一種全自動收費方式。開發基于射頻技術的高速公路自動收費系統，對于提高收費效率，降低車輛擁堵率具有積極作用。

1 系統組成

此自動收費系統硬件主要由繳費卡、讀卡器與上位機組成，如圖1所示。繳費卡和讀卡器均主要包括兩個模塊：數據處理模塊和無線收發模塊，讀卡器通過串口與上位機通信。

圖1 系統組成結構圖

圖2 無線收發模塊硬件電路

系統的工作原理為：讀卡器通過無線方式監控是否有車輛駛入收費站，當檢測到有車輛進入時，與繳費卡建立通信連接；上位機軟件發送讀命令，該命令幀以無線的方式發送至繳費卡，繳費卡隨后向讀卡器回發卡內余額數據幀，該數據幀包含當前車輛電子標簽ID和余額數據；讀卡器再將此數據幀發送至上位機收費軟件，收費軟件根據電子標簽ID對車輛身份進行識別后扣除相應的繳費金額并更新數據庫；最后，上位機發送寫命令幀，將繳費后的余額數據寫入繳費卡。至此，一個完整的車輛自動繳費過程完成。

繳費卡和讀卡器上無線收發模塊和數據處理模塊的硬件設計基本相同，兩者在自動收費過程中所處的位置不同，在通信中亦完成不同的功能。下面對已實現系統中繳費卡和讀卡器通用的無線收發模塊和數據處理模塊的硬件實現進行說明。

2 硬件設計

2.1 無線收發模塊

無線收發模塊的主控芯片CC1000是一款單片收發芯片，該模塊硬件電路[1]如圖2所示。由于CC1000工作時容易受到外部干擾，在設計時需選擇精度較高的外圍阻容器件，其中諧振電感L101需要具有較高的精度 (±0.5%)；布線時合理地分割模擬和數字信號區；同時采用電容網絡對電源進行濾波等方式來減少干擾。

2.2 處理器模塊

系統的處理器采用AVR單片機ATmega128L[2]，圖3為單片機ATmega128L與射頻芯片CC1000的連接電路示意圖。

圖3 ATmega128L與CC1000的連接

ATmega128L單片機對CC1000的配置通過三線串行數字接口PALE，PDATA，PCLK[3]完成。單片機的PORTB4～6號引腳分別與之相連，如圖3所示。按照CC1000配置時序的要求，當PALE信號為低電平時，在PCLK提供的時鐘信號的驅動下，7位寄存器地址首先通過PDATA發送到CC1000；然后PALE信號被拉高，再依次發送讀/寫控制位和8位配置數據。讀取CC1000寄存器值時步驟與之類似，但是數據流方向相反。處理器模塊與無線模塊間的數據交換通過DCLK和DIO實現，數據交換的時鐘由CC1000提供。

圖4 CC1000的初始化

3 軟件實現

3.1 下位機軟件初始化

ATmega128L的初始化[4,5]主要包括系統時鐘控制單元，定時器，IO口等的初始化。CC1000的初始化比較復雜，需要遵循嚴格的順序：首先復位芯片，重置片內所有的寄存器；然后校準壓控振蕩器(VCO)和鎖相環(PLL)；再打開偏置電路；最后按照應用要求將CC1000配置為發送或接收狀態。CC1000初始化的具體流程如圖4所示。

在CC1000初始化過程中，為了對電壓波動，溫漂進行補償，系統工作前必須先對CC1000片內的壓控振蕩器和鎖相環進行校準。為了防止校準不成功導致系統死機，在校準過程中加入了超時控制。通過校準，有效提高了鎖相環穩定性。

3.2 無線通信控制策略

系統中數據以數據幀的方式進行傳輸。通信過程中主要用到兩類數據幀：信令幀和傳輸幀。由于CC1000沒有內建通信協議，需要自行設計通信控制策略保證通信的可靠性。

本系統設計的通信控制策略為：讀卡器首先向繳費卡發送呼叫請求，然后轉入接收狀態等待接收數據；繳費卡接收到呼叫請求后轉為發送狀態開始發送傳輸幀；讀卡器接收到數據后向繳費卡發送傳輸成功信息；繳費卡接收到傳輸成功信息后重置為接收狀態等待下一次呼叫，若沒有接收到傳輸成功信息，則保持傳輸幀幀標識不變，重新發送該傳輸幀，以防止數據丟幀，保證通信的可靠性。

圖5 通信控制策略

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為了防止外界干擾造成的通信死機，通信過程中加入了超時控制：如果數據傳輸中斷超過規定的控制時間(程序中為 Timeout)，系統會自動重新建立通信連接。完整的通信控制策略如圖5所示。

3.3 上位機收費軟件設計

上位機收費軟件采用LabWindows/CVI[6,7]開發，包括繳費管理，日志管理，用戶管理三個模塊。繳費管理模塊根據車輛的電子標簽ID對車輛進行收費；日志管理模塊對當日通過該收費站進行自動繳費的車輛牌號進行記錄，方便以后查詢；通過用戶管理模塊可以方便地創建用戶賬戶，并對用戶權限進行控制。收費系統人機界面如圖6所示。

圖6 上位機收費軟件

3.4 實驗運行結果

在面向高速公路收費的應用中，繳費卡與讀卡器之間無線通信的可靠性尤為重要，為此進行了多次測試。由于條件所限，測試在實驗室中模擬外場環境進行。測試結果如表1所示。

最后，將繳費卡按照一定速率通過讀卡器的無線讀卡區域以此測試上位機收費軟件的功能。測試結果表明，讀卡器能夠迅速識別繳費器，并能按照設定的收費標準進行費用收取。

4 結束語

通過對系統軟硬件的分析以及實驗測試，證實該系統能夠可靠，穩定地進行無線通信并能高效地完成自動收費功能。同時，本系統中低功耗無線數據傳輸模塊的設計也可為環境監測，手持無線抄表設備等能量敏感的應用領域提供參考。

[1] Chipcon Corporation.CC1000 datasheet[EB/OL].2002：9～10,25～30

[2] Atmel Corporation.ATmega128L datasheet[EB/OL].2005：46～54,155～180

[3] 徐宏宇.極低功耗無線收發集成芯片CC1000[J].單片機與嵌入式系統應用,2003(7)：49～51

[4] 馬潮.高檔8位單片機ATmega128原理與開發應用指南[M].北京:北京航空航天大學出版社,2004：46～52

[5] 耿德根，宋建國，馬潮 等.AVR高速嵌入式單片機原理與應用[M].北京:北京航空航天大學出版社,2002：16～20

[6] 劉君華，賈惠芹，閻曉艷.虛擬儀器編程語言LabWindows/CVI教程[M].北京:電子工業出版社,2002：18～41,146～147

[7] 王建新，楊世鳳，隋美.LabWindows/CVI測試技術及工程應用[M].北京:化學工業出版社,2006：177～187