基于CC1101無(wú)線通信的高速公路路徑識(shí)別通行卡設(shè)計(jì)

摘 要 介紹了CC1101無(wú)線通信技術(shù)在高速公路路徑識(shí)別通行卡上的應(yīng)用，并描述了通行卡的路徑識(shí)別原理、硬件組成和軟件設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】通行卡 路徑識(shí)別 二義性路徑 無(wú)線通信

近年來(lái)，隨著我國(guó)高速公路建設(shè)的快速發(fā)展，大量路網(wǎng)連接造成多路徑問(wèn)題，也就是車輛從路網(wǎng)內(nèi)的甲地行駛到乙地往往存在多條可選路徑，二義性路徑路環(huán)不斷增多，導(dǎo)致車輛通行費(fèi)的收取和拆分問(wèn)題也越來(lái)越突出。為了解決二義性路徑問(wèn)題，在高速公路分叉路口安裝標(biāo)識(shí)站，當(dāng)車輛經(jīng)過(guò)標(biāo)識(shí)站，利用無(wú)線通信技術(shù)通行卡接收該標(biāo)識(shí)站信息并保存，在高速公路出口通過(guò)讀卡器讀取通行卡內(nèi)的標(biāo)識(shí)信息確定車輛行駛路徑。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

路徑識(shí)別系統(tǒng)主要由通行卡、路面標(biāo)識(shí)站、讀卡器和收費(fèi)軟件組成。車輛進(jìn)入高速公路入口，司機(jī)取卡后通行卡由休眠模式被激活，安裝在高速公路旁的標(biāo)識(shí)站通過(guò)無(wú)線方式連續(xù)不斷發(fā)送標(biāo)識(shí)信息，當(dāng)車輛經(jīng)過(guò)該標(biāo)識(shí)站時(shí)通行卡接收標(biāo)識(shí)信息，并將該標(biāo)識(shí)信息保存，在高速公路出口通過(guò)讀卡器讀取通行卡內(nèi)的標(biāo)識(shí)信息，由收費(fèi)軟件根據(jù)標(biāo)識(shí)信息判斷車輛行駛路徑并完成通行費(fèi)的計(jì)算和拆分，讀完數(shù)據(jù)后通行卡進(jìn)入休眠模式。

本系統(tǒng)中，通行卡主要完成標(biāo)識(shí)信息的接收和保存，并根據(jù)讀卡器的指令轉(zhuǎn)換工作模式和發(fā)送通行內(nèi)存儲(chǔ)的標(biāo)識(shí)信息。

2 通行卡硬件設(shè)計(jì)

通行卡主要由MSP430單片機(jī)、CC1101無(wú)線通信芯片、非接觸CPU卡芯片和鋰電池等組成。CC1101通過(guò)SPI接口與單片機(jī)連接，無(wú)線通信天線在電路板上以蛇形走線方式實(shí)現(xiàn)。非接觸CPU卡芯片與單片機(jī)沒(méi)有數(shù)據(jù)交互，所以沒(méi)有數(shù)據(jù)接口的連接，在非接觸讀卡線圈兩端引出兩根線經(jīng)過(guò)喚醒信號(hào)電路產(chǎn)生高電平有效電平輸入至單片機(jī)的外部中斷，用于讀卡器在進(jìn)行讀寫卡的時(shí)候喚醒單片機(jī)。通過(guò)分壓電阻將鋰電池電壓輸入到單片機(jī)自帶10位200-ksps模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器，用于檢測(cè)電池電壓估算電池剩余電量，硬件框圖見圖1。

2.1 MSP430單片機(jī)

MSP430系列單片機(jī)以超低功耗而著稱，本項(xiàng)目中采用MSP430G2333，該單片機(jī)基于16bit RISC的混合信號(hào)處理器，專為滿足超低功耗、低成本需求而設(shè)計(jì)。內(nèi)置DCO時(shí)鐘和VLO超低功耗低頻時(shí)鐘，有4種低功耗模式，其中低功耗模式4最低工作電流僅為0.1uA，自帶10位200-ksps模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器。工作電壓范圍1.8V-3.6V，可以使用單節(jié)鋰電池直接為其供電，最大限度的減少元件數(shù)量、降低功耗和成本。

2.2 CC1101無(wú)線通信

CC1101由Chipcon公司出品的工作在低于1GHz頻段的無(wú)線數(shù)傳芯片，是一款旨在用于極低功耗RF應(yīng)用。該RF收發(fā)器工作在315MHz、433MHz、868MHz和915MHz的ISM（工業(yè)，科學(xué)和醫(yī)學(xué)）和SRD（段距離設(shè)備）頻率波段，也可以通過(guò)軟件編程設(shè)置頻率波段300MHz～348MHz、387MHz～464MHz和779MHz～928MHz。本系統(tǒng)中無(wú)線通信頻率設(shè)置為433MHz，該頻段為免申請(qǐng)段接收發(fā)射頻率，具有穿透性強(qiáng)、通訊可靠等特點(diǎn)。該芯片主要用于接收路面標(biāo)識(shí)站信息和與讀卡器通信，接收讀卡器的指令實(shí)現(xiàn)路徑信息的發(fā)送和單片機(jī)工作模式的轉(zhuǎn)換，CC1101的電路原理圖如圖2。

2.3 喚醒信號(hào)電路

在司機(jī)取卡之前通行卡處于休眠狀態(tài)，MSP430單片機(jī)處于低功耗模式4，CC1101處于關(guān)閉狀態(tài)，單片機(jī)只能通過(guò)外部中斷喚醒。讀寫卡操作時(shí)，讀卡器通過(guò)13.56MHz電磁波喚醒單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)CC1101無(wú)線通信方式與讀卡器進(jìn)行命令交互。使用全波整流方式對(duì)非接觸讀卡線圈產(chǎn)生的13.56MHz頻率感應(yīng)正弦波進(jìn)行整流濾波，輸出高電平作為單片機(jī)的喚醒信號(hào)，喚醒信號(hào)電路原理圖如圖3。

3 通行卡軟件設(shè)計(jì)

該通行卡有3種工作狀態(tài)，分別是休眠、激活和收發(fā)數(shù)據(jù)。司機(jī)取卡之前通行卡處于休眠狀態(tài)，取卡時(shí)，單片機(jī)被讀卡器喚醒，接收讀卡器命令，根據(jù)命令切換工作狀態(tài)為激活。在激活狀態(tài)下，單片機(jī)定時(shí)每隔1秒鐘打開CC1101，接收路面標(biāo)識(shí)站信息，以最高車速160KM/h，車輛距標(biāo)識(shí)站最遠(yuǎn)距離44.4米，CC1101能可靠的接收數(shù)據(jù)。當(dāng)收到標(biāo)識(shí)站信息時(shí)，單片機(jī)將標(biāo)識(shí)信息寫入內(nèi)部FLASH存儲(chǔ)器進(jìn)行保存，重復(fù)接收到的相同標(biāo)識(shí)信息不保存。為了節(jié)省電池電量消耗，延時(shí)5mS后關(guān)閉CC1101，單片機(jī)進(jìn)入低功耗模式3，等待下一秒鐘的定時(shí)周期。在高速公路出口，讀卡器讀取通行卡數(shù)據(jù)時(shí)，單片機(jī)進(jìn)入外部中斷程序，采集電池電壓計(jì)算剩余電量，打開CC1101并接收讀卡器命令，根據(jù)讀卡器命令發(fā)送路徑信息和通行卡剩余電量，最后，通行卡根據(jù)讀卡器命令進(jìn)入休眠狀態(tài)，圖4為單片機(jī)程序流程圖。

4 結(jié)語(yǔ)

該路徑識(shí)別通行卡采用低功耗近距離無(wú)線通信技術(shù)，只需在高速公路分叉路口附近安裝路面標(biāo)識(shí)站，通過(guò)讀卡器讀取通行卡收到的標(biāo)識(shí)信息就可以確認(rèn)車輛行駛路徑，有效解決了二義性路徑問(wèn)題，具有路徑標(biāo)識(shí)率高、成本低和電池使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介

黃濤（1983-），男，江西省南昌市人，學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為江西方興科技有限公司工程師。主要研究方向?yàn)楦咚俟窓C(jī)電設(shè)備研發(fā)。

作者單位

江西方興科技有限公司 江西省南昌市 330025