基于CC1101无线通信的高速公路路径识别通行卡设计

摘 要 介绍了CC1101无线通信技术在高速公路路径识别通行卡上的应用，并描述了通行卡的路径识别原理、硬件组成和软件设计。

【关键词】通行卡 路径识别 二义性路径 无线通信

近年来，随着我国高速公路建设的快速发展，大量路网连接造成多路径问题，也就是车辆从路网内的甲地行驶到乙地往往存在多条可选路径，二义性路径路环不断增多，导致车輛通行费的收取和拆分问题也越来越突出。为了解决二义性路径问题，在高速公路分叉路口安装标识站，当车辆经过标识站，利用无线通信技术通行卡接收该标识站信息并保存，在高速公路出口通过读卡器读取通行卡内的标识信息确定车辆行驶路径。

1 系统方案设计

路径识别系统主要由通行卡、路面标识站、读卡器和收费软件组成。车辆进入高速公路入口，司机取卡后通行卡由休眠模式被激活，安装在高速公路旁的标识站通过无线方式连续不断发送标识信息，当车辆经过该标识站时通行卡接收标识信息，并将该标识信息保存，在高速公路出口通过读卡器读取通行卡内的标识信息，由收费软件根据标识信息判断车辆行驶路径并完成通行费的计算和拆分，读完数据后通行卡进入休眠模式。

本系统中，通行卡主要完成标识信息的接收和保存，并根据读卡器的指令转换工作模式和发送通行内存储的标识信息。

2 通行卡硬件设计

通行卡主要由MSP430单片机、CC1101无线通信芯片、非接触CPU卡芯片和锂电池等组成。CC1101通过SPI接口与单片机连接，无线通信天线在电路板上以蛇形走线方式实现。非接触CPU卡芯片与单片机没有数据交互，所以没有数据接口的连接，在非接触读卡线圈两端引出两根线经过唤醒信号电路产生高电平有效电平输入至单片机的外部中断，用于读卡器在进行读写卡的时候唤醒单片机。通过分压电阻将锂电池电压输入到单片机自带10位200-ksps模数（A/D）转换器，用于检测电池电压估算电池剩余电量，硬件框图见图1。

2.1 MSP430单片机

MSP430系列单片机以超低功耗而著称，本项目中采用MSP430G2333，该单片机基于16bit RISC的混合信号处理器，专为满足超低功耗、低成本需求而设计。内置DCO时钟和VLO超低功耗低频时钟，有4种低功耗模式，其中低功耗模式4最低工作电流仅为0.1uA，自带10位200-ksps模数（A/D）转换器。工作电压范围1.8V-3.6V，可以使用单节锂电池直接为其供电，最大限度的减少元件数量、降低功耗和成本。

2.2 CC1101无线通信

CC1101由Chipcon公司出品的工作在低于1GHz频段的无线数传芯片，是一款旨在用于极低功耗RF应用。该RF收发器工作在315MHz、433MHz、868MHz和915MHz的ISM（工业，科学和医学）和SRD（段距离设备）频率波段，也可以通过软件编程设置频率波段300MHz～348MHz、387MHz～464MHz和779MHz～928MHz。本系统中无线通信频率设置为433MHz，该频段为免申请段接收发射频率，具有穿透性强、通讯可靠等特点。该芯片主要用于接收路面标识站信息和与读卡器通信，接收读卡器的指令实现路径信息的发送和单片机工作模式的转换，CC1101的电路原理图如图2。

2.3 唤醒信号电路

在司机取卡之前通行卡处于休眠状态，MSP430单片机处于低功耗模式4，CC1101处于关闭状态，单片机只能通过外部中断唤醒。读写卡操作时，读卡器通过13.56MHz电磁波唤醒单片机，单片机通过CC1101无线通信方式与读卡器进行命令交互。使用全波整流方式对非接触读卡线圈产生的13.56MHz频率感应正弦波进行整流滤波，输出高电平作为单片机的唤醒信号，唤醒信号电路原理图如图3。

3 通行卡软件设计

该通行卡有3种工作状态，分别是休眠、激活和收发数据。司机取卡之前通行卡处于休眠状态，取卡时，单片机被读卡器唤醒，接收读卡器命令，根据命令切换工作状态为激活。在激活状态下，单片机定时每隔1秒钟打开CC1101，接收路面标识站信息，以最高车速160KM/h，车辆距标识站最远距离44.4米，CC1101能可靠的接收数据。当收到标识站信息时，单片机将标识信息写入内部FLASH存储器进行保存，重复接收到的相同标识信息不保存。为了节省电池电量消耗，延时5mS后关闭CC1101，单片机进入低功耗模式3，等待下一秒钟的定时周期。在高速公路出口，读卡器读取通行卡数据时，单片机进入外部中断程序，采集电池电压计算剩余电量，打开CC1101并接收读卡器命令，根据读卡器命令发送路径信息和通行卡剩余电量，最后，通行卡根据读卡器命令进入休眠状态，图4为单片机程序流程图。

4 结语

该路径识别通行卡采用低功耗近距离无线通信技术，只需在高速公路分叉路口附近安装路面标识站，通过读卡器读取通行卡收到的标识信息就可以确认车辆行驶路径，有效解决了二义性路径问题，具有路径标识率高、成本低和电池使用寿命长等特点。

参考文献

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[2]孙维明，石江宏，陈岳林.可编程RF收发器CC1100的原理及开发[J].国外电子元器件.2007（9）：40-42.

作者简介

黄涛（1983-），男，江西省南昌市人，学士学位，现为江西方兴科技有限公司工程师。主要研究方向为高速公路机电设备研发。

作者单位

江西方兴科技有限公司 江西省南昌市 330025