基于CC1101無線通信的高速公路路徑識別通行卡設計

摘 要 介紹了CC1101無線通信技術在高速公路路徑識別通行卡上的應用，并描述了通行卡的路徑識別原理、硬件組成和軟件設計。

【關鍵詞】通行卡 路徑識別 二義性路徑 無線通信

近年來，隨著我國高速公路建設的快速發展，大量路網連接造成多路徑問題，也就是車輛從路網內的甲地行駛到乙地往往存在多條可選路徑，二義性路徑路環不斷增多，導致車輛通行費的收取和拆分問題也越來越突出。為了解決二義性路徑問題，在高速公路分叉路口安裝標識站，當車輛經過標識站，利用無線通信技術通行卡接收該標識站信息并保存，在高速公路出口通過讀卡器讀取通行卡內的標識信息確定車輛行駛路徑。

1 系統方案設計

路徑識別系統主要由通行卡、路面標識站、讀卡器和收費軟件組成。車輛進入高速公路入口，司機取卡后通行卡由休眠模式被激活，安裝在高速公路旁的標識站通過無線方式連續不斷發送標識信息，當車輛經過該標識站時通行卡接收標識信息，并將該標識信息保存，在高速公路出口通過讀卡器讀取通行卡內的標識信息，由收費軟件根據標識信息判斷車輛行駛路徑并完成通行費的計算和拆分，讀完數據后通行卡進入休眠模式。

本系統中，通行卡主要完成標識信息的接收和保存，并根據讀卡器的指令轉換工作模式和發送通行內存儲的標識信息。

2 通行卡硬件設計

通行卡主要由MSP430單片機、CC1101無線通信芯片、非接觸CPU卡芯片和鋰電池等組成。CC1101通過SPI接口與單片機連接，無線通信天線在電路板上以蛇形走線方式實現。非接觸CPU卡芯片與單片機沒有數據交互，所以沒有數據接口的連接，在非接觸讀卡線圈兩端引出兩根線經過喚醒信號電路產生高電平有效電平輸入至單片機的外部中斷，用于讀卡器在進行讀寫卡的時候喚醒單片機。通過分壓電阻將鋰電池電壓輸入到單片機自帶10位200-ksps模數（A/D）轉換器，用于檢測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

MSP430系列單片機以超低功耗而著稱，本項目中采用MSP430G2333，該單片機基于16bit RISC的混合信號處理器，專為滿足超低功耗、低成本需求而設計。內置DCO時鐘和VLO超低功耗低頻時鐘，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（A/D）轉換器。工作電壓范圍1.8V-3.6V，可以使用單節鋰電池直接為其供電，最大限度的減少元件數量、降低功耗和成本。

2.2 CC1101無線通信

CC1101由Chipcon公司出品的工作在低于1GHz頻段的無線數傳芯片，是一款旨在用于極低功耗RF應用。該RF收發器工作在315MHz、433MHz、868MHz和915MHz的ISM（工業，科學和醫學）和SRD（段距離設備）頻率波段，也可以通過軟件編程設置頻率波段300MHz～348MHz、387MHz～464MHz和779MHz～928MHz。本系統中無線通信頻率設置為433MHz，該頻段為免申請段接收發射頻率，具有穿透性強、通訊可靠等特點。該芯片主要用于接收路面標識站信息和與讀卡器通信，接收讀卡器的指令實現路徑信息的發送和單片機工作模式的轉換，CC1101的電路原理圖如圖2。

2.3 喚醒信號電路

在司機取卡之前通行卡處于休眠狀態，MSP430單片機處于低功耗模式4，CC1101處于關閉狀態，單片機只能通過外部中斷喚醒。讀寫卡操作時，讀卡器通過13.56MHz電磁波喚醒單片機，單片機通過CC1101無線通信方式與讀卡器進行命令交互。使用全波整流方式對非接觸讀卡線圈產生的13.56MHz頻率感應正弦波進行整流濾波，輸出高電平作為單片機的喚醒信號，喚醒信號電路原理圖如圖3。

3 通行卡軟件設計

該通行卡有3種工作狀態，分別是休眠、激活和收發數據。司機取卡之前通行卡處于休眠狀態，取卡時，單片機被讀卡器喚醒，接收讀卡器命令，根據命令切換工作狀態為激活。在激活狀態下，單片機定時每隔1秒鐘打開CC1101，接收路面標識站信息，以最高車速160KM/h，車輛距標識站最遠距離44.4米，CC1101能可靠的接收數據。當收到標識站信息時，單片機將標識信息寫入內部FLASH存儲器進行保存，重復接收到的相同標識信息不保存。為了節省電池電量消耗，延時5mS后關閉CC1101，單片機進入低功耗模式3，等待下一秒鐘的定時周期。在高速公路出口，讀卡器讀取通行卡數據時，單片機進入外部中斷程序，采集電池電壓計算剩余電量，打開CC1101并接收讀卡器命令，根據讀卡器命令發送路徑信息和通行卡剩余電量，最后，通行卡根據讀卡器命令進入休眠狀態，圖4為單片機程序流程圖。

4 結語

該路徑識別通行卡采用低功耗近距離無線通信技術，只需在高速公路分叉路口附近安裝路面標識站，通過讀卡器讀取通行卡收到的標識信息就可以確認車輛行駛路徑，有效解決了二義性路徑問題，具有路徑標識率高、成本低和電池使用壽命長等特點。

參考文獻

[1]何鵬，史望聰，陳輝.RFID技術在電子收費系統路徑識別的應用設計[J].電子設計工程，2009，17（8）：15-17.

[2]孫維明，石江宏，陳岳林.可編程RF收發器CC1100的原理及開發[J].國外電子元器件.2007（9）：40-42.

作者簡介

黃濤（1983-），男，江西省南昌市人，學士學位，現為江西方興科技有限公司工程師。主要研究方向為高速公路機電設備研發。

作者單位

江西方興科技有限公司 江西省南昌市 330025