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　　1.1 無(wú)線射頻信號(hào)收發(fā)階段

　　當(dāng)車輛通過(guò)安裝了采集單元的龍門架前方附近時(shí)，處于采集單元內(nèi)部閱讀器天線的輻射區(qū)，電子標(biāo)簽開(kāi)始發(fā)送加密載波信號(hào)至閱讀器。二者之間屬于微波通信，通信工作頻率達(dá)2.4 GHz。對(duì)已接收車輛電子標(biāo)簽采用休眠-喚醒-休眠方式控制數(shù)據(jù)發(fā)送，避免車輛信息重復(fù)發(fā)送，降低功耗。

　　采用ALHOLA時(shí)分算法進(jìn)行多個(gè)車輛的識(shí)別，防止多個(gè)標(biāo)簽信息發(fā)送發(fā)生碰撞。電子標(biāo)簽和閱讀器之間的數(shù)據(jù)傳送采用驗(yàn)證和加密方式保證數(shù)據(jù)傳送安全。

　　閱讀器解調(diào)接收信息后，將數(shù)據(jù)送至控制模塊。

　　1.2 控制模塊信息處理及數(shù)據(jù)發(fā)送

　　控制模塊首先根據(jù)車牌前兩位判斷是否為本市車輛(只記錄本地車輛出行數(shù)據(jù))。若為本市車輛，則存入，否則繼續(xù)判讀下一條信息。將車牌信息結(jié)合當(dāng)天日期進(jìn)行編碼，存入存儲(chǔ)器。

　　控制模塊選用微處理器作為控制芯片，外接存儲(chǔ)芯片保存數(shù)據(jù)。選用以太網(wǎng)控制器芯片通過(guò)RJ45接口，連接外部以太網(wǎng)絡(luò)。傳輸協(xié)議遵守標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議，將數(shù)據(jù)發(fā)送至交控中心服務(wù)器。

　　1.3 擁堵費(fèi)計(jì)算系統(tǒng)

　　采集單元將當(dāng)天車輛出行信息發(fā)送至交控中心服務(wù)器。對(duì)各個(gè)單元內(nèi)車輛出行信息進(jìn)行篩選，去除重復(fù)數(shù)據(jù)，得出車輛當(dāng)天的出行信息。

　　月底或年終，對(duì)車輛出行信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出車輛每月或每年總的出行天數(shù)，然后可根據(jù)車輛出行天數(shù)進(jìn)行擁堵費(fèi)收取。

　　交控中心應(yīng)對(duì)安裝采集單元的路段以及擁堵費(fèi)收取費(fèi)率作必要公示。每月以短信方式通告車主當(dāng)月出行天數(shù)以及應(yīng)繳擁堵費(fèi)數(shù)額。年底，交控中心匯總計(jì)算車輛當(dāng)年應(yīng)繳擁堵費(fèi)，并通知車主擁堵費(fèi)繳納時(shí)間。對(duì)于逾期不交、拖欠等行為，交管中心可對(duì)車輛進(jìn)行適當(dāng)罰款，以作必要警示。對(duì)于故意人為破壞電子標(biāo)簽等逃避車輛識(shí)別行為，采取教育、罰款等方式，確保車輛識(shí)別率，提高城市車輛限行效果。

　　2 硬件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)中主要包括射頻收發(fā)芯片CC2430、以太網(wǎng)控制器RTL8019AS、存儲(chǔ)芯片、網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器。CC2430芯片在發(fā)送端自動(dòng)完成對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)的打包、編碼、調(diào)制，轉(zhuǎn)換為RP、信號(hào)后通過(guò)后端輸入/輸出匹配電路送入天線，完成信號(hào)發(fā)送。接收端將從天線接收到的有用信號(hào)通過(guò)CC2430解調(diào)、拆包，并進(jìn)行CRC校驗(yàn)，最終存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。CC2430芯片內(nèi)部的8051單片機(jī)，控制以太網(wǎng)控制器RTL8019AS進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送，用到的主要芯片有RTL8019AS，CSl93C46(64×16 b的E2PROM)，74HC573(8位鎖存)，62256(32KBRAM)。為分配好地址空間，采用CSI93C46進(jìn)行讀(或?qū)?操作來(lái)設(shè)置RTL8019AS端口的I/O基地址和以太網(wǎng)物理地址。8051作為中央處理器，可控制射頻芯片休眠或者將其喚醒，進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。8051的兩個(gè)外部中斷輸入端分別接開(kāi)關(guān)K1和K2。開(kāi)關(guān)K1的功能在于使用外部中斷退出單片機(jī)的掉電模式，開(kāi)關(guān)K2的功能在于實(shí)現(xiàn)單片機(jī)內(nèi)部的數(shù)據(jù)發(fā)送控制。8051單片機(jī)作為中央處理器不僅需要控制無(wú)線信號(hào)收發(fā)，同時(shí)還要對(duì)以太網(wǎng)控制器進(jìn)行控制，在軟件設(shè)計(jì)中需要判別車牌信息是否為本市車輛，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，按照時(shí)鐘定時(shí)發(fā)送或者接收交控中心發(fā)出的控制信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送操作;射頻收發(fā)芯片主要作為該系統(tǒng)的發(fā)送、接收設(shè)備，它用來(lái)實(shí)現(xiàn)車輛信息的給定，主要作用在于它可以實(shí)現(xiàn)電子標(biāo)簽和采集單元的數(shù)據(jù)交互;RTIL8019AS芯片，主要作用是實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和遠(yuǎn)程PC通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)相互通信，將8051的串行口改為能介入以太網(wǎng)的RJ 45接口，數(shù)據(jù)傳輸遵循標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議。

　　2.1 電子標(biāo)簽&閱讀器

　　CC2430是真正的系統(tǒng)芯片(SoC)CMOS解決方案，能夠提高性能并滿足以ZigBee為基礎(chǔ)的2.4 GHzISM波段應(yīng)用對(duì)低成本、低功耗的要求。它結(jié)合了高性能的2.4 GHz DSSS(直接序列擴(kuò)頻)射頻收發(fā)器核心和1顆工業(yè)級(jí)小巧高效的8051控制器。CC2430在單個(gè)片上集成了ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器，使用1個(gè)8位MCU(8051)，具有32 KB/64 KB/128 KB的編程閃存和8 KB的RAM，還包含模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、定時(shí)器(Timer)、AES-128安全協(xié)處理器、看門狗定時(shí)器(Watchdog Timer)、32 kHz晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路、掉電檢測(cè)電路以及21個(gè)可編程I/O引腳。CC2430的8051內(nèi)核的目標(biāo)代碼兼容標(biāo)準(zhǔn)8051微處理器，可以使用標(biāo)準(zhǔn)8051的匯編器和編譯器進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)。其21個(gè)可編程I/O引腳均可以通過(guò)軟件設(shè)定1組SFR寄存器的位和字節(jié)，使這些引腳作為通常的I/O口或者作為接ADC、定時(shí)器或USART部件的外圍設(shè)備I/O口使用。

　　CC2430電路連接圖如圖3所示。電路選用CC2430芯片作為電子標(biāo)簽以及采集單元內(nèi)閱讀器的核心部件。選用1個(gè)32.768 kHz的石英諧振器和2個(gè)電容組成32.768 kHz的晶振電路;選用1個(gè)32 MHz的石英諧振器和2個(gè)電容組成32 MHz的晶振電路(具體晶振電路圖省略)。電壓調(diào)節(jié)器可為所有要求1.8V電壓的內(nèi)部電源供電，電容是用來(lái)作為電源濾波的去耦合電容，以提高芯片工作的穩(wěn)定性。電路中J2是I/O引腳JTAG仿真器接口。J1是CC2430芯片擴(kuò)展輸出口，在擴(kuò)展輸出口上主要預(yù)留了SPI口和整個(gè)P0 I/O口。設(shè)計(jì)了2個(gè)發(fā)光二極管指示燈，作為電路調(diào)試指示燈。使用1個(gè)非平衡天線，為了使天線性能更好，在天線與CC2430之間連接了1個(gè)非平衡變壓器。非平衡變壓器由電容和三個(gè)電感以及1個(gè)PCB微波傳輸線組成，整個(gè)結(jié)構(gòu)滿足RF輸入/輸出匹配電阻(50 Ω)的要求。

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　　在電子標(biāo)簽中，由微控制芯片8051對(duì)CC2430進(jìn)行控制，并通過(guò)SPI口將所要發(fā)送的數(shù)據(jù)送入CC2430，CC2430自動(dòng)完成對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)的打包、編碼、調(diào)制，轉(zhuǎn)換為RF信號(hào)后通過(guò)后端輸入/輸出匹配電路送入天線，完成信號(hào)發(fā)送。采集單元閱讀器中數(shù)據(jù)接收將從天線接收到的有用信號(hào)通過(guò)CC2430解調(diào)、拆包，并進(jìn)行CRC校驗(yàn)，然后送入微控制器芯片進(jìn)行處理，通過(guò)RS 232轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行輸出。經(jīng)過(guò)上述過(guò)程，進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)，RF收發(fā)器設(shè)計(jì)原理圖如圖4所示，虛線部分為閱讀器部分，通過(guò)RS 232串口送至以太網(wǎng)控制器。