【導(dǎo)讀】無(wú)磨損、壽命長(zhǎng)、能同時(shí)識(shí)別多個(gè)目標(biāo)等特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。將RFID應(yīng)用于車輛的自動(dòng)收費(fèi)。系統(tǒng)是十分理想的。系統(tǒng)和用戶卡中，最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)收費(fèi)。進(jìn)行了分析，然后，介紹了收費(fèi)系統(tǒng)和射頻識(shí)別技術(shù)。接著，重點(diǎn)說(shuō)明收費(fèi)系統(tǒng)的硬件。設(shè)計(jì)，以AT89S51單片機(jī)、nRF24L01無(wú)線收發(fā)芯片為元件的發(fā)送和接收模塊的設(shè)計(jì)，統(tǒng)能夠可靠地進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)通信傳輸，能夠高效地完成收費(fèi)功能，對(duì)于提高收費(fèi)效率，降低車輛擁堵率具有積極作用。

　　

【正文】 32C接口通信，必須將串行口的輸入 /輸出電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換。采用目前最常用的芯片MAX232CPE來(lái)實(shí)現(xiàn) RS232與 TTL的電平轉(zhuǎn)換。雖然也可以用幾個(gè)三極管進(jìn)行模擬轉(zhuǎn)換，但是還是用專用芯片更簡(jiǎn)單可靠。用了兩組轉(zhuǎn)換引腳的其中一組 （ 11， 12， 13， 14， 15腳 ） ，采用了三線制連接串口，也就是說(shuō)和上位機(jī)的 9針串口只連接其中的 3根線 ： 第 5 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 19 頁(yè) 腳的 GND連接 MAX232CPE的 15腳 （ GND） 、第 2腳的 RXD接 MAX232CPE的 14腳（ T10UT） 、第 3腳的 TXD接 MAX232CPE的 13腳 （ RlIN） 。這是最簡(jiǎn)單的連接方法，但是對(duì)我們來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠使用了，對(duì)單片機(jī)而言， MAX232CPE的第 12腳和單片機(jī)的 P30腳連接，第 H腳和單片機(jī)的 P31腳連接，第 15腳 (GND)和單片機(jī)的 10（ GND） 腳連接。 單片機(jī)的 XTAL1和 XTAL2引腳外接晶振，考慮到波特率的設(shè)置，本文選用。在本系統(tǒng)中由于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的功能比較簡(jiǎn)單，軟件實(shí)現(xiàn)也不太復(fù)雜，所以對(duì)單片機(jī)的可靠性要求較低，在硬件的可靠性方面，沒(méi)有額外的看門(mén)狗電路，只在 RST腳接有簡(jiǎn)單硬件復(fù)位電路。由于單片機(jī)本身的要求，需要在 P00和 P01腳外接 。 提桿機(jī)的電機(jī)也由繼電器來(lái)驅(qū)動(dòng)，本論文選用的電機(jī)為 220V正反雙向電動(dòng)機(jī)，當(dāng)繼電器閉合時(shí)，電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)提起欄桿，欄桿到達(dá)一定角度后，欄桿保護(hù)器切斷繼電器的電源，電機(jī)就停止轉(zhuǎn)動(dòng) 當(dāng)然，各個(gè)器件為了正常工 作，還要外接部分的元器件。 單片機(jī)與上位機(jī)間的接口電路圖 。 C1+1V+2C13C2+4C25V6T2OUT7R2IN8R2OUT9T2IN10T1IN11R1OUT12R1IN13T1OUT14GND15VCC16MAX232U5104PC8104PC9104PC7104PC10TXDRXD+5V1234567891110J3D Connector 9D13D121K R271K R29+5VUART 接口AT89C5112345678RST/VPD91011121314151617XTAL218XTAL119VSS20A8/21A9/22A10/23A11/24A12/25A13/26A14/27A15/28PSEN29ALE/PROG30EA/VPP31AD7/32AD6/33AD5/34AD4/35AD3/36AD2/37AD1/38AD0/39VCC40CPU? 圖 AT89S51與上位機(jī)連接的接口電路 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 20 頁(yè) 4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 在 AT89S51單片機(jī)系統(tǒng)中，單片機(jī)也可以以直接傳送或應(yīng)答握手的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，但由于握手方式占用其他的端口，而單片機(jī)的端口數(shù)量有限，同時(shí)由于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，所以，本論文中計(jì)算機(jī)與單片機(jī)的通信采用直接傳送的方式，下面將重點(diǎn)介紹。 nRF24L01工作模式 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要是實(shí)現(xiàn)單片機(jī) AT89S51與 nRF24L01芯片之間的通信，從而實(shí)現(xiàn)RFID讀寫(xiě) 器的射頻部分。 nRF24L01有 4種工作模式：收發(fā)模式、配置模式、空閑模式和關(guān)機(jī)模式。 nRF24L01的工作模式由 PWR_UP、 CE、 TX_EN和 CS三個(gè)引腳決定，詳見(jiàn)表 。 表 nRF24L01芯片的 4中工作模式 PWR_UP CE CS 收發(fā)模式 1 1 0 配置模式 1 0 1 空閑模式 1 0 0 關(guān)機(jī)模式 0 x x 收發(fā)模式 nRF24L01的收發(fā)模式有 ShockBurstTM收發(fā)模式和直接收發(fā)模式兩種，收發(fā)模式由器件配置字決定。本設(shè)計(jì)采用 ShockBurstTM收發(fā) 模式。 ShockBurstTM收發(fā)模式下，使用片內(nèi)的先入先出堆棧區(qū)，數(shù)據(jù)低速?gòu)奈⒖刂破魉腿?，但高?（ lMbPs） 發(fā)射，這樣可以盡量節(jié)能，因此，使用低速的微控制器也能得到很高的射頻數(shù)據(jù)發(fā)射速率。與射頻協(xié)議相關(guān)的所有高速信號(hào)處理都在片內(nèi)進(jìn)行，這種做法有三大好處：盡量節(jié)能 ； 低的系統(tǒng)費(fèi)用（低速微處理器也能進(jìn)行高速射頻發(fā)射）；數(shù)據(jù)在空中停留時(shí)間短，抗干擾性高。 nRF24L01的 ShoekBurstTM技術(shù)同時(shí)也減小了整個(gè)系統(tǒng)的平均工作電流。在 ShockBurstTM收發(fā)模式下， nRF24L01自動(dòng)處理字頭和 CRC校 驗(yàn)碼。在接收數(shù)據(jù)時(shí)，自動(dòng)把字頭和 CRC校驗(yàn)碼移去。在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，自動(dòng)加上字頭和 CRC校驗(yàn)碼，當(dāng)發(fā)送過(guò)程完成后，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備引腳通知微處理器數(shù)據(jù)發(fā)射完畢。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 21 頁(yè) ShockBurstTM發(fā)射流程： 主要通過(guò)接口引腳 CE， CLK1， DATA實(shí)現(xiàn)。 （ 1）當(dāng)微控制器有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，其把 CE置高，使 nRF24L01工作 ； （ 2）把接收機(jī)的地址和要發(fā)送的數(shù)據(jù)按時(shí)序送入 nRF24L01； （ 3）微控制器把 CE置低，激發(fā) nRF24L01進(jìn)行 ShoekBurstTM發(fā)射 ； （ 4） nRF24L01的 ShoekBurstTM發(fā)射，包括： 給射頻前端供電；射頻數(shù)據(jù)打包（加字頭、 CRC校驗(yàn)碼）；高速發(fā)射數(shù)據(jù)包；發(fā)射完成， nRF24L01進(jìn)入空閑狀態(tài)。 ShockBurstTM接收流程： 主要通過(guò)接口引腳 CE、 DR CLK1和 DATA（接收通道 l）完成。 （ 1）配置本機(jī)地址和要接收的數(shù)據(jù)包大小 ； （ 2）進(jìn)入接收狀態(tài)，把 CE置高 ； （ 3） 200us后， nRF24L01進(jìn)入監(jiān)視狀態(tài)，等待數(shù)據(jù)包的到來(lái) ； （ 4）當(dāng)接收到正確的數(shù)據(jù)包 （ 正確的地址和 CRC校驗(yàn)碼 ） ， nRF24L01自動(dòng)把字頭、地址和 CRC校驗(yàn)位移去 ； （ 5） nRF24L01通過(guò)把 DRI(這 個(gè)引腳一般引起微控制器中斷 )置高通知微控制器 ； （ 6）微控制器把數(shù)據(jù)從 nRF24L01移出 ； （ 7） 所有數(shù)據(jù)移植完 nRF24L01把 DRI置低 ，此時(shí)，如果 CE為高，則等待下一個(gè)數(shù)據(jù)包，如果 CE為低，開(kāi)始其它工作流程。 配置模式 nRF24L01芯片的配置是通過(guò) CS、 CLK1和 DATA三個(gè)引腳完成的。在配置模式下，巧字節(jié)的配置字被送到 nRF24L01，以完成對(duì) ShockBurstTM收發(fā)模式的配置。 ShoekBurst的配置字使 nRF24L01能夠處理射頻協(xié)議，在配置完成后，在 nRF24L01工作的過(guò)程中 ，只需要改變其最低一個(gè)字節(jié)中的內(nèi)容，以實(shí)現(xiàn)接收模式和發(fā)送模式之間的切換。表 給出了 nRF24L01芯片的配置字節(jié)信息。 從中可以看到， ShockBurstTM的配置字可以分為以下四個(gè)部分： 數(shù)據(jù)寬度 ： 聲明射頻數(shù)據(jù)包中數(shù)據(jù)占用的位數(shù)。這使得 nRF24L01能夠區(qū)分接收數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)和 CRC校驗(yàn)碼； 地址寬度 ： 聲明射頻數(shù)據(jù)包中地址占用的位數(shù)。這使得 nRF24L01能夠區(qū)分地址和 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 22 頁(yè) 數(shù)據(jù)； 地址：接收數(shù)據(jù)的地址，有通道 1的地址和通道 2的地址； CRC：使 nRF24L01能夠生成 CRC校驗(yàn)碼和解碼。 當(dāng)使用 nRF24L01片內(nèi)的 CRC技術(shù)時(shí)，要確保在配置字中 CRC校驗(yàn)被使能，并且發(fā)送和接收使用相同的協(xié)議。 表 nRF24L01芯片的配置字節(jié)信息 位 位數(shù) 名字 功能能 Shock Burst 配置 143:120 24 TEST 保留 119:112 8 DATA2_W 接收頻道 2有效數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度 111:104 8 DATA1_W 接收頻道 1有效數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度 103:64 40 ADDR2 接收頻道 2的地址，最高為 5字節(jié) 63:24 40 ADDR1 接收頻道 1的地址，最高為 5字節(jié) 23:18 6 ADDR_W 接收頻道地址位數(shù) 17 1 CRC_L 8或 6為 CRC 16 1 CRC_EN 使能 CRC檢驗(yàn) 常用器件配置 15 1 RX2_EN 使能第二頻道 14 1 CM 通信方式設(shè)置 13 1 RFDR_SB 發(fā)送數(shù)據(jù)速率 12:10 3 XO_F 晶振頻率 9:8 2 RF_PWR 發(fā)射輸出電源 7:1 7 RF_CH 頻道設(shè)置 0 1 RXEN 接收或發(fā)射操作 空閑模式 nRF24L01的空閑模式是為了減小平均工作電流而設(shè)計(jì)，其最大的優(yōu)點(diǎn)是，實(shí)現(xiàn) 節(jié)能的同時(shí)，縮短芯片的起動(dòng)時(shí)間。在空閑模式下，部分片內(nèi)晶振仍在工作，此時(shí)的工作電流跟外部晶振的頻率有關(guān)，如外部晶振為 4MHz時(shí)工作電流為 12μA，外部晶振為16MHz時(shí)工作電流為 32μA。在空閑模式下，配置字的內(nèi)容保持在 nRF24L01片內(nèi)。 關(guān)機(jī)模式 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 23 頁(yè) 在關(guān)機(jī)模式下，為了得到最小的工作電流，一般此時(shí)的工作電流小于 1μA。關(guān)機(jī)模式下，配置字的內(nèi)容也會(huì)被保持在 nRF24L01片內(nèi)，這是該模式與斷電狀態(tài)最大的區(qū)別。 關(guān)于 nRF24L01的相關(guān)收發(fā)程序見(jiàn)附錄 B和附錄 C。 車載 有源標(biāo)簽 的 軟件 設(shè)計(jì) 車主在 很少進(jìn)出收費(fèi)站的情況下，一般把該車載系統(tǒng)關(guān)掉以節(jié)省電量。而當(dāng)要通過(guò)收費(fèi)站之前，車主應(yīng)把該系統(tǒng)上電打開(kāi)。 系統(tǒng)上電開(kāi)啟后，首先運(yùn)行相應(yīng)的初始化及設(shè)置程序：將車主的一些信息存貯在內(nèi)存中，并把 nRF24L01設(shè)置成接收模式，然后等待收費(fèi)站發(fā)來(lái)的收費(fèi)信息。 等接收到收費(fèi)站發(fā)來(lái)的信息后，返回車主的相關(guān)信息。等待處理結(jié)果。 將處理結(jié)果通過(guò) LCD顯示給用戶。 其程序流程圖見(jiàn) 。 系 統(tǒng) 上 電初 始 化 相 關(guān) 設(shè)置發(fā) 送 車 主 信 息查 詢 數(shù) 據(jù) 時(shí)候 正 確顯 示 相 關(guān) 信 息結(jié) 束等 待 查 詢 數(shù) 據(jù)返 回 數(shù) 據(jù) 時(shí)候 正 確等 待 返 回 數(shù) 據(jù)YNNY開(kāi) 始 圖 車載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 24 頁(yè) 收費(fèi)站 端 的軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)收費(fèi)端的工作 流程為：查詢范圍內(nèi)是否有車輛要通過(guò)，當(dāng)有車輛要求通過(guò)時(shí)，接收其車主信息，將接收到的信息通過(guò)串口發(fā)送給 PC機(jī)處理。將處理后的結(jié)果分析并處理，若扣費(fèi)成功，則返回有關(guān)信息給車主，并通過(guò) 繼電器 開(kāi)啟欄桿；若不成功，則紅燈亮起，并告知車主不予通行。 其程序流程圖見(jiàn) 。 系 統(tǒng) 上 電初 始 化 相 關(guān) 設(shè)置結(jié) 束等 待 有 車 輛 通過(guò)接 收 車 主 信 息將 車 主 信 息 發(fā)給 上 層 處 理接 收 處 理 結(jié) 果分 析 并 處 理 其數(shù) 據(jù)是 否 扣 費(fèi) 成功開(kāi) 啟 欄 桿紅 燈 亮返 回 車 主 信 息警 告 車 主YN開(kāi) 始 圖 收費(fèi)站端的軟件流程圖 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 25 頁(yè) 結(jié) 論 基于 RFID 的高速公路不停車收費(fèi)方式，越來(lái)越成為未來(lái)收費(fèi)方式的主流，本論文從信息融合的角度出發(fā)，提出了把 RFID、車型、牌照三種信息有機(jī)融合 在一起，作為收費(fèi)依據(jù)的解決思路，是適合國(guó)內(nèi)高速公路收費(fèi)實(shí)際情況的一種有益嘗試。 該系統(tǒng)具有操作快捷、實(shí)用可靠的特點(diǎn)，能有效提高高速公路的通行能力和服務(wù)水平，并且，不停車收費(fèi)使高速公路收費(fèi)走向無(wú)紙化，無(wú)現(xiàn)金化管理，可以從根本上堵塞收費(fèi)票款流失的漏洞。 本論文詳細(xì)論述了通信器和 RFID（ 電子標(biāo)簽 ） 在不停車收費(fèi)系統(tǒng)中的具體應(yīng)用，以及外圍電路的硬件和配套軟件設(shè)計(jì)過(guò)程。在基于 AT89S51 單片機(jī)的基礎(chǔ)上， 通過(guò)nRF24L01 芯片完成了車輛和收費(fèi)站之間的通訊，實(shí)現(xiàn)了不停車收費(fèi)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 。 論文所提出的不停車收費(fèi)系統(tǒng)信息 融合解決思路，從理論上是成功的，從應(yīng)用上來(lái)說(shuō)是可行的。然而，由于牌照、車型識(shí)別率等原因，在實(shí)際應(yīng)用中，有時(shí)還要借助人工來(lái)作為 自動(dòng)收費(fèi)的有效補(bǔ)充。另外，對(duì)所設(shè)計(jì)的可讀可寫(xiě)式 RFID，本論文只對(duì)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃赃M(jìn)行了研究，要想真正實(shí)用化和商品化，還要一段路要走?？傊?，要想真正實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)不停車收費(fèi)，進(jìn)一步研究的工作還很多。具體有以下幾點(diǎn) ： 有必要繼續(xù)進(jìn)行車型、牌照的識(shí)別問(wèn)題研究，進(jìn)一步提高識(shí)別率，同時(shí)，應(yīng)該把硬件處理芯片引入到圖像處理中來(lái)，以提高圖像處理的速度 ； 對(duì)可讀可寫(xiě)式 RFID 的安全性進(jìn)行研究， 找出實(shí)用的加密算法