原创 采用27MHz无线通信模块的汽车收费系统设计

1 引言

　　目前,国内的高速公路和快速道路大多采用人工收费和计算机辅助管理的半自动收费方式,这种方式大大降低了高速公路的通行能力和服务水平,但也存在很多不足和弊端,如收费没有监督、漏洞大、车、卡不一致,某些车辆可能非法逃票等等,为了解决这些问题,满足市场发展的需求,国内已开始尝试使用国际上迅速兴起的不停车收费系统（Electronic Toll Collection,简称ETC）。在ETC中,车辆通过收费站时利用车辆自动识别技术自动完成车辆与收费站之间的无线数据通信,进行车辆自动识别和有关收费数据的交换,通过计算机网络进行收费数据的处理,从而实现不停车自动收费,由于电子处理数据的高速度和高效率,从而加快车辆通行的速度,有效缓解可能出现的公路和桥梁的堵塞现象,再结合数据信息的网络传递,使得对车辆收费的统一管理变的更为简便易行。尽管国外的不停车收费系统运动的很成功,具有一定的特色,但有些技术特点和运营方法并不适合我国国情,具体表现在以下几方面：

　　系统的造价比较高;

　　系统工作在915MHz的频段,在我国该频段分配给移动通信使用,并且与国家将要采用的5.8GHz的表标准

　车辆在经过收费点时仍需适当减速。

　　本文所设计的汽车收费系统能有效地解决上述问题,实现真正意义上的不停车收费,收费时间大大缩短,车辆流速高;结合管理信息中心统一进行货币结算,基本上杜绝资金的流失,系统成本降低,有利于不停车收费系统在我国的推广。

2 收费系统的构成

　　电子收费系统主要由无线发射器、无线接收器及管理信息中心三部分组成,如图1所示,系统设计中选用移动的车辆安装接收器,因为如果将车辆作为发射器,那么由于发射的信息与接收器将要反馈的信息内容极为相似,飞机容易出现信息的相互冲突与无法确切辨认的矛盾,考虑到每辆车实际获得的信息是相同的,故灵活地采用固定物安装发射器,将发射器固定在道路两旁,循环发射相同信息,当安装在车辆上的接收器进入发射器的有效感应区内时,接收器接收发射器的信号,并做相应的处理后存储数据,同时,通过监控程序判断是否需要报警提醒;发射器与接收器还可以通过计算机与管理信息中心通信,中心统一调整发射器的收费信息,接收器配合中心进行实际货币结算,同时更新数据以备用户查询和中心统筹管理。

3 无线通信模块及硬件设计

　　在本设计中根据具体设计要求选用台湾义统（Etorns）公司的ET13X210/ET13X221型射频发射器和接收器来实现无线通信功能。

3.1 ET13X210和ET13X221

　　ET13X221型发射器内集成了锁相环、频道选择器和发射缓存器。ET13X210型接收器集成了锁相环、混频器、中频放大器、滤波器、解调器和频道选择器,其结构图分别如图2和图3所示,该电路具有如下特点：

　　使用片内锁相环技术并可外接4MHz晶体振荡器,工作频率精准而且十分稳定,中心频率为27MHz,有10个频道可供选择,每个频道的间隔为30MHz,保证多个模块在点对点传输时互不干扰;

　　采用频移键控调制,结构简单、实用、比调幅的体制方法更具抗干扰能力;

　　功耗低,待机模式下的最大工作电流仅10μA;

　　发射功率为0dBm-3dBm,配置合适的天线,稳定传输距离高达10m。

　　以ET13X221/ET13X210为核心配合一些外围模拟电路即可构成无线通信模块。

3.2 无线通信发射模块的电路设计

　　基于ET13X221的发射模块的硬件电路如图4所示。

　　待发射的数据由DATA IN端输入,此端的输入为数字信号,信号输入后通过LC振荡电路,利用相位测试输出的信号反馈控制电路内的压控振荡器（VCO）来稳定时钟频率,由外接开关的BCD编码方式选择频道,产生一个在27MHz附近的高频载波,再用FSK形式将基带信号加在上面,然后经过滤波及放大电路,由天线将信号发射出去,基于ET13X210的接收模块的硬件电路如图5所示。

　　通过天线接收的信号首先送入RF混频的输入电路,将RFIN模块的输出信号输入到电路内部的混频器中,同时为了避免相近频率对主频的干扰,使用中频滤波器将与主频相近的频率衰减使主频的接收能正常工作,再经过解调及解码电路输出原信号,由DATA OP端送到微处理器进行控制处理。

4 软件设计

　　遥控汽车收费站的应用软件主要由发射和接收二部分组成,基本实现了系统设计所要求的功能,且软件使用结构化编程,便于读写、修改和二次开发。

4.1 发射模块

　　根据通信协议将相关信息按一定格式打包送到发射器、再通过发射器向外循环地发射信息,该模块主要由数据编码子程序和数据发射子程序组成。

4.2 接收模块

　　接收器接收到信号时,根据通信协议交验头信息确定通信的开始,从信息头开始接收完整的信息包,同时对接收的信息以进行解码与检错,如果检测后发现所接收的信息出错则重新接收,直到接收信息完全正确后再根据设计原理判断是否允许再次接收信息。

5 结束语

　　通过实验验证,系统的无线通信模块能正确地发射和接受信息,所设计的不停车自动收费系统运行稳定,车辆在有限区域内能正确地进行自动收费,且在收费过程中无须减速,实现了真正意义上,无障碍和不停车收费。