基于无线射频技术的高速公路自动收费系统设计及软件实现＊

西北工业大学自动化学院（西安 710072） 黄伟华 杨建华 谭 丽 闫旭晟

0 引言

收费是高速公路建成后营运管理的重要工作，现阶段的收费模式大多是人工收费，效率不高。基于射频技术的高速公路收费系统采用无线方式，通过安装在车辆前部的缴费卡和置于收费站内的读卡器进行信息交换，是一种全自动收费方式。开发基于射频技术的高速公路自动收费系统，对于提高收费效率，降低车辆拥堵率具有积极作用。

1 系统组成

此自动收费系统硬件主要由缴费卡、读卡器与上位机组成，如图1所示。缴费卡和读卡器均主要包括两个模块：数据处理模块和无线收发模块，读卡器通过串口与上位机通信。

图1 系统组成结构图

图2 无线收发模块硬件电路

系统的工作原理为：读卡器通过无线方式监控是否有车辆驶入收费站，当检测到有车辆进入时，与缴费卡建立通信连接；上位机软件发送读命令，该命令帧以无线的方式发送至缴费卡，缴费卡随后向读卡器回发卡内余额数据帧，该数据帧包含当前车辆电子标签ID和余额数据；读卡器再将此数据帧发送至上位机收费软件，收费软件根据电子标签ID对车辆身份进行识别后扣除相应的缴费金额并更新数据库；最后，上位机发送写命令帧，将缴费后的余额数据写入缴费卡。至此，一个完整的车辆自动缴费过程完成。

缴费卡和读卡器上无线收发模块和数据处理模块的硬件设计基本相同，两者在自动收费过程中所处的位置不同，在通信中亦完成不同的功能。下面对已实现系统中缴费卡和读卡器通用的无线收发模块和数据处理模块的硬件实现进行说明。

2 硬件设计

2.1 无线收发模块

无线收发模块的主控芯片CC1000是一款单片收发芯片，该模块硬件电路[1]如图2所示。由于CC1000工作时容易受到外部干扰，在设计时需选择精度较高的外围阻容器件，其中谐振电感L101需要具有较高的精度 (±0.5%)；布线时合理地分割模拟和数字信号区；同时采用电容网络对电源进行滤波等方式来减少干扰。

2.2 处理器模块

系统的处理器采用AVR单片机ATmega128L[2]，图3为单片机ATmega128L与射频芯片CC1000的连接电路示意图。

图3 ATmega128L与CC1000的连接

ATmega128L单片机对CC1000的配置通过三线串行数字接口PALE，PDATA，PCLK[3]完成。单片机的PORTB4～6号引脚分别与之相连，如图3所示。按照CC1000配置时序的要求，当PALE信号为低电平时，在PCLK提供的时钟信号的驱动下，7位寄存器地址首先通过PDATA发送到CC1000；然后PALE信号被拉高，再依次发送读/写控制位和8位配置数据。读取CC1000寄存器值时步骤与之类似，但是数据流方向相反。处理器模块与无线模块间的数据交换通过DCLK和DIO实现，数据交换的时钟由CC1000提供。

图4 CC1000的初始化

3 软件实现

3.1 下位机软件初始化

ATmega128L的初始化[4,5]主要包括系统时钟控制单元，定时器，IO口等的初始化。CC1000的初始化比较复杂，需要遵循严格的顺序：首先复位芯片，重置片内所有的寄存器；然后校准压控振荡器(VCO)和锁相环(PLL)；再打开偏置电路；最后按照应用要求将CC1000配置为发送或接收状态。CC1000初始化的具体流程如图4所示。

在CC1000初始化过程中，为了对电压波动，温漂进行补偿，系统工作前必须先对CC1000片内的压控振荡器和锁相环进行校准。为了防止校准不成功导致系统死机，在校准过程中加入了超时控制。通过校准，有效提高了锁相环稳定性。

3.2 无线通信控制策略

系统中数据以数据帧的方式进行传输。通信过程中主要用到两类数据帧：信令帧和传输帧。由于CC1000没有内建通信协议，需要自行设计通信控制策略保证通信的可靠性。

本系统设计的通信控制策略为：读卡器首先向缴费卡发送呼叫请求，然后转入接收状态等待接收数据；缴费卡接收到呼叫请求后转为发送状态开始发送传输帧；读卡器接收到数据后向缴费卡发送传输成功信息；缴费卡接收到传输成功信息后重置为接收状态等待下一次呼叫，若没有接收到传输成功信息，则保持传输帧帧标识不变，重新发送该传输帧，以防止数据丢帧，保证通信的可靠性。

图5 通信控制策略

?

为了防止外界干扰造成的通信死机，通信过程中加入了超时控制：如果数据传输中断超过规定的控制时间(程序中为 Timeout)，系统会自动重新建立通信连接。完整的通信控制策略如图5所示。

3.3 上位机收费软件设计

上位机收费软件采用LabWindows/CVI[6,7]开发，包括缴费管理，日志管理，用户管理三个模块。缴费管理模块根据车辆的电子标签ID对车辆进行收费；日志管理模块对当日通过该收费站进行自动缴费的车辆牌号进行记录，方便以后查询；通过用户管理模块可以方便地创建用户账户，并对用户权限进行控制。收费系统人机界面如图6所示。

图6 上位机收费软件

3.4 实验运行结果

在面向高速公路收费的应用中，缴费卡与读卡器之间无线通信的可靠性尤为重要，为此进行了多次测试。由于条件所限，测试在实验室中模拟外场环境进行。测试结果如表1所示。

最后，将缴费卡按照一定速率通过读卡器的无线读卡区域以此测试上位机收费软件的功能。测试结果表明，读卡器能够迅速识别缴费器，并能按照设定的收费标准进行费用收取。

4 结束语

通过对系统软硬件的分析以及实验测试，证实该系统能够可靠，稳定地进行无线通信并能高效地完成自动收费功能。同时，本系统中低功耗无线数据传输模块的设计也可为环境监测，手持无线抄表设备等能量敏感的应用领域提供参考。

[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.极低功耗无线收发集成芯片CC1000[J].单片机与嵌入式系统应用,2003(7)：49～51

[4] 马潮.高档8位单片机ATmega128原理与开发应用指南[M].北京:北京航空航天大学出版社,2004：46～52

[5] 耿德根，宋建国，马潮 等.AVR高速嵌入式单片机原理与应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2002：16～20

[6] 刘君华，贾惠芹，阎晓艳.虚拟仪器编程语言LabWindows/CVI教程[M].北京:电子工业出版社,2002：18～41,146～147

[7] 王建新，杨世凤，隋美.LabWindows/CVI测试技术及工程应用[M].北京:化学工业出版社,2006：177～187