【正文】 塊設(shè)計(jì) 34 5 系統(tǒng)調(diào)試 37 謝 辭 38 參考文獻(xiàn) 39 附 錄 40 山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文 III 摘 要 隨著車輛數(shù)的不斷增加，高速公路人力收費(fèi)效率低的問題日益凸現(xiàn)，并影響到道路的暢通和正常運(yùn)行。 本文設(shè)計(jì)了一種高速公路自動(dòng)發(fā)卡設(shè)備，論文內(nèi)容主要包括硬件和軟件設(shè)計(jì)。硬件部分以 89C51 單片機(jī)為核心，控制 TCD720M/800M 發(fā)卡器實(shí)現(xiàn)射頻卡片吞吐，配以 RC500 作為射頻接口芯片和合適的天線設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對卡片的讀寫操作。系統(tǒng)還擴(kuò)展了DS130 MAX232 等芯片實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)時(shí)鐘、系 統(tǒng)通訊等功能。軟件規(guī)劃了系統(tǒng)主流程圖，實(shí)現(xiàn)了各自程序的功能設(shè)計(jì)。 本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)按鍵自動(dòng)發(fā)卡，同時(shí)將實(shí)時(shí)信息寫入卡片并計(jì)入系統(tǒng)非易失性存儲器。系統(tǒng)可以在很大程度上緩解交通壓力，給高速公路工作人員收費(fèi)帶來很大的方便。 關(guān)鍵詞 ： 89C51 單片機(jī)；射頻卡片；天線設(shè)計(jì)；非易失性存儲器 山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文 IV Design of Automatic Card Controller Expressway ABSTRACT With the increase of the number of cars, efficiency of Highway toll is being more low, and it affects the smooth flow of road . This paper introduces a design of Highway automatic card equipment, the main contents include the design of hardware and software. The hardware part takes 89C51 microcontroller as the core,which can achieve throughput of RF card by control card system uses RC500 as RF chip which can realize read and write process. This paper also extends the DS1302， MAX232 chip to realize the realtime clock， system munication software design of the main flow chart which can realize each function . The system automatically sends the card when the button is pressed, while information will be written to the card . The system can ease the traffic pressure in the very great degree, which brings great convenience to the staff charge. Keyword： 89C51microcontroller； RF card； Antenna design； nonvolatile memorizer 山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文 1 1 前 言 高速公路自動(dòng)發(fā)卡機(jī)的背景和意義 近些年來，隨著國民經(jīng)濟(jì) 的發(fā)展和車輛數(shù)量的不斷增加，高速公路收費(fèi)站在車流量較大的情況下時(shí)常出現(xiàn)擁堵。這不僅增加了收費(fèi)站車輛的延誤時(shí)間，而且增大了車輛的運(yùn)行成本，還增加了汽車尾氣的排放。如何利用先進(jìn)技術(shù)解決大車流量下高速公路出入口車輛堵塞，提高高速公路的通行效率，減少人力成本，降低收費(fèi)員的勞動(dòng)強(qiáng)度，已成為高速公路收費(fèi)管理系統(tǒng)建設(shè)工作和社會各方面密切關(guān)注的焦點(diǎn)，國內(nèi)福建、江西、四川、山東等省部分高速公路運(yùn)營單位均先后嘗試采用了 IC 通行卡自動(dòng)發(fā)卡機(jī)收費(fèi)技術(shù)，并收到了良好的效果。 相對于傳統(tǒng)手工收費(fèi)模式，采用 IC 無人值守自動(dòng)發(fā)卡 機(jī)在運(yùn)營管理上的優(yōu)勢十分明顯。主要體現(xiàn)在： (1)入口人員取消，節(jié)約人員費(fèi)用。每個(gè)入口車道可減少幾名收費(fèi)員，從而減少直接費(fèi)用。 (2)自動(dòng)完成發(fā)卡全部工作，發(fā)卡機(jī)完成讀寫、計(jì)數(shù)、發(fā)出動(dòng)作，大幅度提高了效率，在減少相關(guān)配置人員的同時(shí)，也減少了卡的污損和丟失。 (3)降低管理成本，改善運(yùn)營環(huán)境，提高管理水平。 IC 卡在車道間直接周轉(zhuǎn)，避免收費(fèi)員與管理員之間的人工交接，減少了工作量，縮短了交班時(shí)間，系統(tǒng)通過設(shè)備管卡，避免了各種人為因素的影響，進(jìn)而消除了丟卡、作弊的可能。 (4)實(shí)現(xiàn)車道間卡 的直接周轉(zhuǎn)，大量減少系統(tǒng)用卡量。 IC 卡在車道間直接周轉(zhuǎn)使用，當(dāng)班可多次循環(huán)，加快卡的周轉(zhuǎn)，提高利用率，節(jié)省大筆購卡費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)效益顯著。 (5)服務(wù)質(zhì)量客觀，不受人為因素影響，卡機(jī)全天運(yùn)轉(zhuǎn)，不休息，不換班。 (6)成為現(xiàn)代化高速公路的靚麗風(fēng)景，整潔規(guī)范，具有良好的窗口形象。 (7)取消收費(fèi)亭、收費(fèi)島，可以綠化、美化環(huán)境。 (8)在加快高速公路入口通行能力的同時(shí)，可以將原入口的人員補(bǔ)充到新增出口，或者把主要精力放到閑置外場車流引導(dǎo)上，緩解通行壓力。 高速公路自動(dòng)發(fā)卡技術(shù)的發(fā)展趨勢 自動(dòng)發(fā)卡裝置是在高速公路快速發(fā)展需要的情況下應(yīng)運(yùn)而生，也是國家大力倡導(dǎo)的高速公路不停車收費(fèi)發(fā)展過程中的一段和以后全自動(dòng)收費(fèi)的一個(gè)重要組成部分 。 目前我省及全國都處于高速公路建設(shè)高峰時(shí)期，自動(dòng)發(fā)卡裝置在省內(nèi)市場廣闊，在省外山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文 2 及全國推廣，前景可觀。從收費(fèi)管理工作本身來說，自動(dòng)發(fā)卡裝置對外起到一定的堵漏功能，對內(nèi)節(jié)約開支也有其增收作用。高速公路收費(fèi)站自動(dòng)發(fā)卡裝置的開發(fā)應(yīng)用，是社會發(fā)展的需要，是高速公路收費(fèi)站必不可少的設(shè)備，也是符合科學(xué)發(fā)展觀要求而應(yīng)運(yùn)而生的新產(chǎn)品。 高速公路自動(dòng)發(fā)卡系統(tǒng)的方案探究和硬件 設(shè)計(jì)要求 本次設(shè)計(jì)基本思路構(gòu)架如下：車輛駛?cè)肴肟谲嚨?，車道的到達(dá)線圈檢測到車輛的駛?cè)?，同時(shí)語音提示司機(jī)按鍵取卡，發(fā)卡機(jī)把信息錄入卡片，司機(jī)按自動(dòng)發(fā)卡機(jī)上的發(fā)卡鍵后取卡，自動(dòng)欄桿抬起，車輛駛過離開線圈后自動(dòng)欄桿落下，車道控制機(jī)生成入口相關(guān)數(shù)據(jù)，完成發(fā)卡過程。 這次設(shè)計(jì)對硬件設(shè)計(jì)的基本要求： 采用非接觸式 IC 卡作為識別介質(zhì)； 內(nèi)置 232 或 485 總線接口； 內(nèi)置時(shí)鐘芯片； 手動(dòng)按鈕發(fā)卡并完成卡片初始化； 可使用通訊控制發(fā)卡器發(fā)卡； 使用非 易失性存儲器存儲發(fā)卡記錄； 可導(dǎo)出發(fā)卡記錄 工作狀態(tài)指示。 本文的主要研究內(nèi)容和設(shè)計(jì)流程 針對目前大部分高速公路收費(fèi)系統(tǒng)存在的系統(tǒng)收費(fèi)介質(zhì)落后或依靠人力導(dǎo)致高速公路運(yùn)行欠流暢而且浪費(fèi)人力資源的問題，本文提出了一種以非接觸 IC卡為收費(fèi)介質(zhì)，通過自動(dòng)發(fā)卡機(jī)自動(dòng)發(fā)卡的系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。本系統(tǒng)所使用的技術(shù)對其它使用非接觸 IC 卡為收費(fèi)介質(zhì)的其它交通收費(fèi)系統(tǒng)也有一定的借鑒意義。在這樣的框架結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)思想的指導(dǎo)下，本文的主要研究內(nèi)容是： (1)針對現(xiàn)有大部分高速公路收費(fèi)系統(tǒng)的不足之處，闡述 一種以非接觸 IC 卡為收費(fèi)介質(zhì)的新型自動(dòng)發(fā)卡系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提出設(shè)計(jì)方法。 (2)系統(tǒng)需要對自動(dòng)發(fā)卡機(jī)設(shè)備的軟硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)。 以非接觸 IC 卡讀寫技術(shù)為核心，構(gòu)建一種性能可靠，具有較高性價(jià)比的高速公路自動(dòng)發(fā)卡系統(tǒng)，從而更好的提高高速公路運(yùn)行的流暢性。本次設(shè)計(jì)擬定研究流程為： (1)確定設(shè)計(jì)方向，了解高速公路自動(dòng)發(fā)卡機(jī)的使用情況，確定自動(dòng)發(fā)卡機(jī)帶來的山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文 3 效率，確定自動(dòng)發(fā)卡機(jī)的設(shè)計(jì)方向。 (2)文獻(xiàn)查閱，閱讀國關(guān)于自動(dòng)發(fā)卡技術(shù)的相關(guān)文獻(xiàn)， IC 卡讀寫技術(shù)資料，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫等書籍。 (3)完成設(shè)計(jì)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括兩方面：一方面確定系統(tǒng)的硬件組成和工作流程；另一方面進(jìn)行專用設(shè)備的軟硬件設(shè)計(jì)。 (4)高速公路自動(dòng)發(fā)卡系統(tǒng)軟件編程、調(diào)試。 山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文 4 2 非接觸式 IC 卡的介紹 本課題的研究目的是設(shè)計(jì)一種以非接觸 IC 卡為收費(fèi)介質(zhì)的高速公路自動(dòng)發(fā)卡機(jī)，改變目前高速公路管理中管理系統(tǒng)成本過高、浪費(fèi)人力，可靠性差、技術(shù)落后的局面，以先進(jìn)的技術(shù)和較低的成本提高高速公路管理系統(tǒng)的整體水平和服務(wù)檔次，從而達(dá)到提高高速公路收費(fèi)效率和車輛行駛的暢通。 概述 RFID 技術(shù)是一種非接觸式的自動(dòng)識別技術(shù)，其基本原理是利用射頻信號和空間耦合 (電感或電磁耦合 )傳輸特性，實(shí)現(xiàn)對被識別物體的自動(dòng)識別。 RFID 技術(shù)具有讀寫快、讀寫距離大且無需光學(xué)可視的特點(diǎn)，而且可以實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)和移動(dòng)目標(biāo)的識別。 RFID 技術(shù)的這些優(yōu)點(diǎn)，使其在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用 [1]。 非接觸式 IC 卡的技術(shù)原理 工作原理 射頻讀寫器向 IC 卡發(fā)一組固定頻率的電磁波，卡片內(nèi)有一個(gè) IC 串聯(lián)諧振電路，其頻率與讀寫器發(fā)射的頻率相同，這樣在電磁波激勵(lì)下， LC 諧振電路產(chǎn)生共振，從而使電容內(nèi)有了電荷 ；在這個(gè)電荷的另一端，接有一個(gè)單向?qū)ǖ碾娮颖?，將電容?nèi)的電荷送到另一個(gè)電容內(nèi)存儲，當(dāng)所積累的電荷達(dá)到 2V時(shí)，此電容可作為電源為其它電路提供工作電壓，將卡內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)射出去或接受讀寫器的數(shù)據(jù)。 發(fā)射原理 非接觸性 IC 卡與讀卡器之間通過無線電波來完成讀寫操作。二者之間的通訊頻率為 。非接觸性 IC 卡本身是無源卡，當(dāng)讀寫器對卡進(jìn)行讀寫操作時(shí)，讀寫器發(fā)出的信號由兩部分疊加組成 :一部分是電源信號，該信號由卡接收后，與本身的 L/C產(chǎn)生一個(gè)瞬間能量來供給芯片工作。另一部分則是指令和數(shù)據(jù)信號，指 揮芯片完成數(shù)據(jù)的讀取、修改、儲存等，并返回信號給讀寫器 ,完成一次讀寫操作。讀寫器則一般由單片機(jī)，專用智能模塊和天線組成，并配有與 PC 的通訊接口，打印口， I/O 口等，以便應(yīng)用于不同的領(lǐng)域。 收費(fèi)介質(zhì)的選擇－非接觸 IC 卡的優(yōu)勢 在這里對接觸式 IC 卡和非接觸式 IC 卡對比介紹： 接觸式 IC 卡。相對磁卡安全可靠（數(shù)據(jù)加密存儲，加密讀寫），數(shù)據(jù)存儲容量大，可以一卡多用，可靠性及壽命比磁卡高，讀寫機(jī)構(gòu)比磁卡讀寫機(jī)構(gòu)簡單，造價(jià)便宜，山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文 5 維護(hù)較方便。但是成本略高，由于觸點(diǎn)外露而容易導(dǎo)致污染、損傷及 靜電損毀。多次讀寫時(shí)會造成觸點(diǎn)磨損損壞，卡本身壽命較低。用戶使用時(shí)需要將 IC 卡插入讀卡器插卡口中才能實(shí)現(xiàn)讀寫過程，造成系統(tǒng)對卡的識別時(shí)間較長。 非接觸 IC 卡。與接觸式 IC 卡相比較 ,非接觸式 IC 卡具有以下優(yōu)點(diǎn) ： (1)可靠性高。非接觸式 IC 卡與讀寫器之間無機(jī)械接觸 ,避免了由于接觸讀寫而產(chǎn)生的各種故障 ,既便于卡片的印刷 ,又提高了卡片的使用可靠性； (2)操作方便、快捷。由于非接觸通信 ,讀寫器在 100mm 范圍內(nèi)就可以對卡片操作 ,所以不必插拔卡 ,而且非接觸式 IC 卡使用時(shí)沒有方向性 ,大 大提高了每次使用的速度； (3)防止沖突。非接觸式 IC 卡中有防沖突機(jī)制 ,能防止卡片之間出現(xiàn)數(shù)據(jù)干擾 ,可以“同時(shí) ”處理多張非接觸式 IC 卡 ,提高了應(yīng)用的并行性 ,無形中提高了系統(tǒng)工作速度； (4)可以適應(yīng)于多種應(yīng)用。非接觸式 IC 卡的存儲器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使它一卡多用 ,能應(yīng)用于不同的系統(tǒng) ,用戶可以根據(jù)不同的應(yīng)用設(shè)置不同的密碼和訪問條件； (5)加密性能好。非接觸式 IC 卡與讀寫器之間采用雙向驗(yàn)證機(jī)制和三次相互確認(rèn) ,卡中各個(gè)扇區(qū)都有自己的操作密碼和訪問條件 ,而且具有傳遞數(shù)據(jù)加密 ,傳輸密碼和訪問密碼保護(hù)。除了上述優(yōu)點(diǎn) ,在 一些條件惡劣 ,干擾很大的環(huán)境里 ,非接觸式 IC 卡更具有突出的優(yōu)點(diǎn)。由于其完全封閉的封裝形式 ,不僅可以防止由于粗暴插卡 ,非卡外物插入 ,灰塵和油污等導(dǎo)致接觸不良 ,而且具有防水汽、防靜電、防震動(dòng)和防電磁干擾的優(yōu)良特性。 非接觸式 IC 卡的應(yīng)用 正是由于非接觸式 IC 卡具有突出的特點(diǎn)及接觸式 IC 卡所無法比擬的優(yōu)越性 ,使得其在許多惡劣的環(huán)境和不適合接觸式 IC 卡應(yīng)用的條件下 ,有著極廣泛的應(yīng)用前景。以下就簡要介紹幾種典型應(yīng)用。 公路自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)。該系統(tǒng)在公路收費(fèi)站設(shè)有尋呼器、自動(dòng)跟蹤攝像機(jī)及信息綜合處理 系統(tǒng) ,汽車上裝有非接觸式 IC 卡作為公路付費(fèi)卡 ,付費(fèi)卡中存儲著駕駛員信息、車輛信息、有關(guān)帳戶或金額 ,該系統(tǒng)具體的工作過程為 :(1)汽車以一定速度駛?cè)雽ず羝鞴ぷ鲄^(qū) ,付費(fèi)卡接收到尋呼器的無線號； (2)付費(fèi)卡根據(jù)收到信號處理通行費(fèi)用 ,將