毕业设计（论文）RFID技术的电子车牌系统.doc

RFID技术的电子车牌系统设计摘要 射频识别(Radio Frequency Identification, RFID)技术是自动识别技术中一个快速发展的领域，它具有高保密性、环境适应力强、抗干扰性强、识别距离远和识别速度快等优点，在智能交通管理中可望有重要应用。目前，近距离RFID技术已发展的比较成熟并获得了大规模商用，但远距离RFID技术相对滞后。在主动式(有源)标签的设计中，采用了微功耗单片机和射频芯片,以nRF24L01和MSP430为核心，分别从硬件和软件两个方面进行了主动式电子标签和阅读器的设计。低频激励器将激励信号不间断的向外发送，当载有电子车牌的车辆进入激发区时，电子标签接收激励信号，此时，电子车牌的标签将激励信号和电子车牌信息通过2.45GHz频道发送给阅读器，阅读器将接收的信息重新打包，经过基站发送给控制中心，控制中心根据激励器信息和电子标签信息，就能判断车辆在某时刻经过车道，实现车道上对经过车辆信息的统计。通过这样的电子车牌系统的设计，可以有效地监控道路上的车辆信息，结合道路的实时信息，通过对信号灯的控制，实现对交通流进行调控，减少交通拥塞。同时可完成对超速、套牌、黑名单及非法营运等车辆的识别。关键词:射频识别;电子车牌;车辆识别;缝隙天线目录第一章 绪论11.1 研究背景11.2 研究目的与意义21.3 研究内容3第二章 RFID电子车牌系统总体方案52.1 需求分析52.2 RFID电子车牌系统构成62.3 RFID电子车牌系统硬件组成72.4 RFID电子车牌系统软件组成10第三章 RFID电子车牌系统硬件设计113.1 RFID电子车牌硬件结构113.2 RFID电子车牌硬件设计113.2.1 电子车牌天线设计123.2.2 电子车牌处理器和收发模块设计143.3 电子车牌阅读器设计183.4 低频激励器设计20第四章 RFID电子车牌系统软件设计214.1 RFID电子车牌软件框架214.2 电子车牌阅读器软件设计244.3 电子车牌软件设计26第五章 结论与展望295.1 结论295.2 展望29参考文献30致谢32第一章 绪论1.1 研究背景射频识别技术是一项利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触通信并通过所传递的信息达到自动识别目标的技术。作为一种非接触式的自动识别技术，RFID技术通过远程接收射频信号来自动识别目标并获取相关数据，识别过程无需人工操作，且可在各种恶劣环境中有效工作。目前RFID技术被广泛应用到工业自动化、商业自动化和交通实时控制等领域，应用最成功的当属物流管理领域及商品流通领域。伴随科学技术发展和人民生活水平提高，汽车成为日常交通工具，如何对汽车进行有效及高效管理成为摆在人们面前的一大难题。我国在汽车管理、汽车收费、汽车GPS、汽车防盗以及路况信息系统等方面的研究和应用都比较落后，离自动化和智能化的还有相当大的差距。在发达国家相关研究成果业已部分应用到汽车产业当中，实现了汽车管理的高效化和智能化。车牌是机动车外在的唯一性标志，其主要作用体现在车牌的可视性与唯一性。如今我国使用的GA36-92型车牌在可视性与唯一性上存在缺陷，科技含量也不够高。伴随智能化交通的发展，车牌的智能性也成为需要我们考虑的问题。目前对车牌的识别大多采用图像分割与识别技术，图象识别受污染、距离、光线、位置、角度等环境因素的影响较大，且图像识别存储空间及算法实现占用资源比较多，实现起来也非常困难，而且图像识别技术对于套牌、盗牌甚至无牌车也没有办法识别。这些问题使得盗牌、套牌、盗车、劫车、肇事逃逸等违法犯罪行为成为可能，是社会治安的重大隐患，同时也可能对国民经济造成巨额损失，最终导致对机动车进行有效管理的成为巨大的难题。如何遏制上述问题的发生，只有使用新技术才能从根本上解决问题。与现有车辆管理系统中使用的图像识别技术相比，应用RFID技术的系统具有包含信息量大，环境适应能力强，不受风雪、冰雹等天气因素影响，抗干扰能力强，可穿透非金属物体进行识别，可全天候、无接触地进行自动识别、跟踪及管理，算法简单且实现起来较为简单等优点。将RFID技术引入车牌中，实现车牌的自动识别功能且会大大提高车辆管理系统的智能化程度,可以应用于下列情况：1)车辆调度。可实时跟踪车辆，统计路况信息，然后由交通管理部门指挥车辆避开堵塞路段。2)车辆管理。车辆管理部门可以对盗牌、套牌、盗车、劫车、肇事逃逸等行为进行更有效率的处理。3)高速公路、桥梁收费。RFID卡采用充值卡模式，阅读器读取卡中存储的ID号和车牌号，同时从卡中扣除相关费用。4)小区车辆管理。对小区内车辆起到防盗作用。5)停车场管理。用于对车辆实行自动结算收费、防盗。1.2 研究目的与意义 随着社会经济的发展，人口、车辆数量不断增长，但是有限的可用土地以及经济要素的制约却使得城市道路扩建增容有限，因此不可避免地带来一系列的交通问题。当今世界各地的大中城市无不存在着交通问题的困扰。交通拥堵使得人们每天将大量宝贵的时间消耗在路上、车中，同时也导致商业车辆在交通运输中延误，增加了运输成本。交通事故率也不断上升，每年都会带来巨大的人员伤亡和经济损失。据美国有关部门预测，到2020年，美国因交通事故造成的经济损失每年将会超过1500亿美元，而日本东京目前因交通拥堵每年造成的经济损失为1230亿美元。为解决日益严重的交通问题，各国政府采取各种措施，如对汽车以重税限制汽车的数量，实施交通管制等来加强管理。但是在做过各种尝试，花费了巨大的管理成本后，交通状况依然难有根本改观。 人们逐渐认识到交通系统是一个复杂的综合性系统，单独从道路或车辆的角度来考虑，都将很难解决交通问题，必须把车辆和道路综合起来，考虑如何在有限的道路资源条件下，提高道路资源的利用率，这才是解决问题的关键。同时自上世纪后期以来信息技术的迅猛发展和广泛应用也给以上的解决思路提供了有效的技术手段支持。在这样的背景下，智能交通系统(Intelligent Transportation Systems, ITS)的概念应运而生，成为研究应用的热点。ITS是指将先进的信息技术、电子通信技术、自动控制技术、计算机技术以及网络技术等有机地运用于整个交通运输管理体系而建立起的一种实时、准确、高效的交通运输综合管理和控制系统，它由若干子系统所组成，通过系统集成将道路、驾驶员和车辆有机地结合在一起，加强三者之间的联系，借助于系统的智能技术将各种交通方式的信息及道路状况进行登记、收集、分析，并通过远程通信和信息技术，将这些信息实时提供给需要的人们，以增强行车安全，减少行车时间，并指导行车路线。同时管理人员通过采集车辆、驾驶员和道路的实时信息来提高其管理效率，以达到充分利用交通资源的目的。在智能交通领域，目前车辆识别技术主要有两个方面:基于图像处理的识别技术和基于射频的识别技术。基于视频与图像处理技术的车牌识别，主要是依据数字图像处理技术对所拍摄的汽车牌照进行处理和识别。一般要先对原始图像进行转换、压缩、增强、水平校正等处理，再用边缘检测法对牌照进行定位与分割，最后进行模式识别。基于视频和图像处理的技术国内外己有不少的研究，但受到采集图像的噪声污染、光照影响等原因无法做到精确识别。RFID技术具有远距离识别、可存储携带较多的信息、读取速度快、可应用范围广等优点，因此基于射频识别技术的车辆识别准确性较高，非常适合在智能交通和车辆管理方面使用，在我国的研究和应用尚处在起步阶段。本课题研究的电子车牌识别系统就是一种基于RFID技术的车辆识别系统，它将为智能交通系统注入新的活力。1.3 研究内容智能电子车牌是将普通车牌与RFID技术相结合形成一种新型电子车牌。一个智能电子车牌由普通车牌和电子车牌组成。电子车牌通过发卡管理系统事先写入该车辆的基本信息，如车辆的ID号、车牌号、驾驶员信息、车型、车重等信息。并将RFID电子车牌安装在车辆上，此时车辆拥有了独一无二的身份证。应用RFID技术的车流量检测系统是在交叉路口交通信号灯上游安装阅读器，阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号，射频阅读器全天候运行，装有RFID标签的车辆进入天线工作区域时产生感应电流，送出自身信息。读取的电子车牌内的相关信息，并实时发送至控制中心，控制中心服务器经过存储、查询、对比等信息处理，配合视频监控，通过对信号灯的控制，实现对交通流进行调控，减少交通拥塞。同时可完成对超速、套牌、黑名单及非法营运等车辆的识别。文中首先对RFID电子车牌系统进行了一个整体的设计，初步完成了系统设计的总体方案，接着以nRF24L01和MSP430为核心，从硬件方面进行了主动式电子标签和阅读器的设计，最终应用C语言编程完善了电子车牌系统的软件设计。第二章 RFID电子车牌系统总体方案2.1 需求分析电子车牌通过发卡管理系统事先写入该车辆的基本信息，如车辆的ID号、车牌号、驾驶员信息、车型、车重等信息。并将RFID电子车牌安装在车辆上，此时车辆拥有了独一无二的身份证。应用RFID技术的车流量检测系统是在交叉路口交通信号灯上游安装阅读器，阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号，射频阅读器全天候运行，装有RFID标签的车辆进入天线工作区域时产生感应电流，送出自身信息。读取的电子车牌内的相关信息，并实时发送至控制中心，控制中心服务器经过存储、查询、对比等信息处理，配合视频监控，通过对信号灯的控制，实现对交通流进行调控，减少交通拥塞。同时可完成对超速、套牌、黑名单及非法营运等车辆的识别1。近年来，在车辆识别技术中，电子车牌受到了人们的广泛关注。然而，在大多数所谓的电子车牌识别系统中，标签被安装在汽车挡风玻璃上，或者汽车内任何可以看得到的地方，甚至被驾驶员随身携带。这些应用方式存在着性能和安全上的弊端，例如，很多车辆的挡风玻璃上装有含金属成分的防爆膜，它会影响标签的性能，可能会导致标签无法正常工作;驾驶员有可能会忘记携带标签，甚至丢失标签，难免会造成不必要的麻烦。但如果可以将RFID标签与车号牌集为一体，不仅可以解决上述问题，还可以有效抑制盗牌、套牌等违法行为，例如，在犯罪分子盗取电子车牌时，电子车牌在损毁的同时，其防拆卸装置还可以发出电子警报，损坏的车牌对于犯罪分子来说也就毫无用处；又假设RFID标签与车牌是分离式的，那么当司机丢失的标签被不法分子获取后，还可以配合制造的假牌继续使用，但如果将RFID标签与车号牌集为一体，就会避免这一违法行为的发生。因此，为了更好地管理交通、维护公共安全，要求将RFID标签与车号牌集成在一起，从而形成真正的电子车牌。 典型的电子车牌是嵌入了主动式有源电子标签的车号牌，它由英国伯明翰的Hills Numberplates Ltd公司研发并申请了专利。所有安装了电子车牌的车辆，无论是在静止还是在移动的状态下，都能够被安全地识别。从表面上看，嵌入了RFID标签的电子车牌与传统的车号牌基本没有什么区别，但它不仅能够提供与传统车号牌相同的视觉信息，还能够提供相关的电子信息。之所以采用主动式的电子标签，是由于主动式的电子标签自身带有电池，与被动式无源电子标签相比，它拥有更远的阅读距离和较大的信息存储量，此外，如果该电子标签为读写型标签，它还可以存储阅读器发送的额外信息。 电子车牌内的主动式RFID标签由天线、标签电路和电池组成，天线是电子车牌中的关键部分，它在电子车牌和阅读器之间传递射频信号，它的选择和设计是否合理，对整个识别系统的性能有很大的影响，尤其是当系统的工作频率上升到微波频段2。若天线设计不当，就可能导致整个识别系统不能正常工作，因此对其详细地研究具有重要意义。2.2 RFID电子车牌系统构成图2.1 电子车牌系统总体结构如图2.1所示，工作时，低频激励器将跳频表、激励器ID等信息以调制方式调制在125KHz载波上形成激励信号，并不间断的向外发送，当载有电子车牌的车辆进入激发区时，被成功唤醒后，电子标签接收激励信号（激励器的跳频表和ID）等信息，此时，电子车牌的标签由被动态转为主动态，将激励信号和电子车牌信息通过2.45GHz频道发送给阅读器，阅读器将接收的信息重新打包，经过基站发送给控制中心的上位机，上位机根据激励器 ID 和电子标签 ID，就能判断车辆在某时刻经过车道，实现车道上对经过车辆数的统计3。控制中心依据统计的车辆数对交通信号灯进行动态调度。2.3 RFID电子车牌系统硬件组成典型的RFID系统主要包括三个部分:电子标签(Tag)、阅读器(Reader)和天线(Antenna)，如图2.2所示。图2.2 RFID系统组成1)电子标签(Tag)电子标签又称为射频卡，射频标签，应答器等。它由芯片和内置天线组成，通过标签天线和读写器进行通信。标签相当于条码技术中的条码符号，用来存储需要识别传输的信息。RFID系统从电子标签中获取目标对象的相关信息，并且电子标签可以从阅读器的射频场中获得能量，可为其它部分或全部电路提供电源。因此，基于电子标签在RFID系统中的功能，电子标签电路必须含有天线用于接收和发射电磁波能量;必须含有检波电路用于将高频电磁能量转换成为直流电源;并且可以存贮或管理能量;必须要有一定的数字电路部分用于存贮被识别对象的信息内容，并可在外部供电的情况下，进行必要的数据处理及输出相关的数据信息。另外，电子标签必须含有调制电路，可以把存储在电子标签内部的被识别对象的相关数字信息调制到反射的电磁波上。所以，电子标签可由以下几部分组成:天线、模拟电路、数子电路以及存贮器等组成。天线用于发射和接收电磁波:模拟电路主要是由检波电路和调制电路组成，用于获取直流能量并将相关信息通过调制发送出去;数字电路是电子标签的大脑用于控制相关协议、指令及相关处理功能、管理内部数据和外部数据以及执行数据转换功能4。 电子标签一般分为有源电子标签和无源电子标签，无源电子标签在阅读器的响应范围之外是处于无源状态，没有自己的供电电源(电池)。只是在阅读器的响应范围之内，这类电子标签才会从阅读器的射频场中获取能量供数字电路部分使用。电子标签工作所需要的能量是通过电磁耦合单元或天线，通过非接触的方式传送给电子标签的。有源电子标签具有自己的供电电源，其它电路与无源电子标签相同。有源电子标签通常有部分电路处于工作状态，有时被称为处于“睡眠”状态。当耦合的能量超过某一值时，有源电子标签才真正开始工作，这一过程又被称为“唤醒”。在睡眠状态有源电子标签的功耗一般很小。因此一个姆指大小的钮扣电池可以保持很长的工作时间5。然而，与有源电子标签相比，无源电子标签的寿命一般可长达几十年，而有源电子标签的寿命则通常要受电池寿命的限制而成为一大缺陷。 一般，电子标签应具有如下特点: (1)体积小，结构牢固，耐腐蚀; (2)工作寿命长(可读写次数超过10万次); (3)防水，耐高温; (4)灵敏度高，抗干扰性强; (5)含有唯一性ID号;2)阅读器(Reader)读取标签信息的设备。阅读器又称为读出装置，扫描器，读头，读写器(取决于电子标签是否支持无线修改数据)等19。其基本功能就是提供与标签进行数据传输的途径。根据支持的电子标签类型不同以及所完成功能的不同，阅读器的复杂程度是显著不同的。阅读器的基本功能就是提供与电子标签进行数据传输的途径。另外阅读器还提供相当复杂的信号状态控制、奇偶错误校验与更正功能等。电子标签中除了存储需要传输的信息外，还包含有一定的附加信息，如错误校验信息等。通常，RFID系统的阅读器由六部分组成:电源部分、射频信号收发部分、天线、CPU控制部分、存储器、接口部分组成,如图2.3所示。图2.3 阅读器内部结构（1)标准接口阅读器的高标准接口担负以下任务:产生高效的发射信号，以启动电子标签或为它提供能量;对发射信号进行调制，用于将数据安全地传送给电子标签;接受并解调来自应答器的高频信号。在高频接口中有两个分割开来的信号通道，分别用于上下行两个方向的数据流传输6。发送给应答器的数据通过发送分支，而接受到电子标签的数据通过接受分支传过来。（2) CPU控制单元 阅读器的控制单元担负下列任务:与应用系统进行通信，并执行应用系统发来的各种命令;控制与电子标签的通信过程;对发送信号进行编码和对接收信号进行解码。 对于复杂的系统还要有如下附加的功能:对阅读器与电子标签间传送的数据进行加密和解密;执行反碰撞算法;进行阅读器与电子标签间的身份验证。当然，为了完成这些复杂的任务，在绝大多数情况下控制单元都拥有微处理器作为核心部件。而且如加密过程及信号编码常常由附加的ASIC(专用集成电路)组件来完成，以减轻微处理器计算密集型过程的负担。出于性能上的考虑，对ASIC的访问是通过处理器总线实现的。3）天线(Antenna)为标签和读写器提供射频信号空间传递的设备。RFID读写器可以采用同一天线完成发射和接收，或者由采用发射天线和接收天线分离的形式，所采用天线的结构及数量应视具体应用而定。2.4 RFID电子车牌系统软件组成RFID电子车牌系统软件主要由阅读器模块，标签模块，应用系统模块组成7。从RFID系统的组成和工作原理可以看出:应用系统要从一个非接触的数据载体(电子标签)中读出数据或写入数据到一个非接触的数据载体中，则它需要一个非接触的阅读器作为接口。阅读器、标签、应用系统三者之间的关系如图2.4所示。图2.4 阅读器、标签及应用系统三者关系第三章 RFID电子车牌系统硬件设计3.1 RFID电子车牌硬件结构 RFID系统的目的就是从电子标签中获取被识别对象的相关信息，并且，电子标签可以从阅读器的射频场中获得能量，可为其它部分或全部电路提供电源8。因此，基于电子标签在RFID系统中的功能，电子标签电路必须含有天线用于接收和发射电磁波能量；必须含有检波电路用于将高频电磁能量转换成为直流电源;并且可以存贮或管理能量；必须要有一定的数字电路部分用于存贮被识别对象的信息内容，并可在外部供电的情况下，进行必要的数据处理及输出相关的数据信息。另外，电子标签必须含有调制电路，可以把存储在电子标签内部的被识别对象的相关数字信息调制到发射的电磁波上。RFID射频标签附着在被识别的物体上，作为特定的标识18。射频标签有标签天线、芯片、存储器等组成，有源标签还需要电池。虽然电子标签的封装形式不一样，但是其内部结构却基本一致。3.2 RFID电子车牌硬件设计RFID系统从电子标签中获取目标对象的相关信息，因此，基于电子标签在RFID系统中的功能，电子标签电路必须含有天线用于接收和发射电磁波能量；必须要有一定的数字电路部分用于存贮被识别对象的信息内容，并可在外部供电的情况下，进行必要的数据处理及输出相关的数据信息。另外，电子标签必须含有调制电路，可以把存储在电子标签内部的被识别对象的相关数字信息调制到发射的电磁波上。所以，有源电子标签可由以下几部分组成：天线、模拟电路、数子电路以及电源等组成。天线用于接收和发射电磁波；模拟电路主要由调制电路组成，用于将相关信息通过调制发送出去；数字电路是电子标签的大脑用于控制相关协议、指令及相关处理功能、管理内部数据和外部数据以及执行数据转换功能。 电子车牌即装有有源电子标签的车牌。由于现有的车牌都是金属材质，如将电子车牌与汽车牌照结合在一体，由于车牌采用金属制作，当电子车牌贴近金属表面时，射频信号的发送与接收会受到很大干扰，主要是射频信号会被部分屏蔽，影响电子车牌的识别距离，达不到设计的识别效果，所以在方案中，电子标签与车牌需要进行一体化设计。目前，发展较为成熟的RFID系统主要是125kHz和13. 56MHz系统，相应的RFID专用芯片也比较多9。然而，用于UHF RFID的专用芯片却很少，为了满足用户对远识别距离的要求，一般需使用有源UHF RFID系统，而目前有源UHF RFID专用芯片更少。所以，需要寻找一款适合超高频RFID且易于开发的低成本射频芯片，来设计有源UHF RFID系统。通过分析比较发现，Nordic公司的nRF2401和nRF24L01都可用于UHF RFID系统，而nRF24L01技术更新，体积更小、成本更低，且具有一些独特的功能。nRF24L01是Nordic公司推出的高性能单片无线收发芯片，工作在ISM(工业、科学、医疗)2.4G频段，1.93.6V低工作电压，集成了频率合成、射频发射接收、调制解调、多频道切换等功能，采用抗干扰能力强的GFSK调制解调技术，传输速率可达1Mbit/s，天线接口为差分形式易于连接低成本的PCB环形天线或单端天线。nRF24L01工作频率稳定可靠，功耗极低，曼彻斯特编解码由片内硬件完成，内建待机和掉电模式，通过SPI(串行外设接口)与微控制器通信，特别适合低成本、低功耗但同时要求高性能和高集成度的应用场合10。3.2.1 电子车牌天线设计电子车牌及天线的外部结构如图3.1、图3.2所示。图3.1 电子车牌及天线设计正面图3.2 电子车牌及天线设计背面天线用于接收阅读器的射频能量和信息，提供给电子标签工作的，并发射电子标签的相关信息，它是电子标签和阅读器进行通信的桥梁，是电子标签的重要组成部分。按照RFID系统的工作方式，电子标签的天线可分为近场感应线圈天线和远场辐射天线。近场感应线圈天线通常由多匝电感线圈组成，电感线圈和相并联的电容构成并联谐振回路以获得最大的射频能量。远场辐射天线主要用于有源电子标签中，由电场偶极子天线、对称振子天线以及微带天线所组成。当使用圆机化天线时，常采用微带天线形式实现。远场辐射天线通常是谐振式，一般取为半波长。因此，工作频率的高低决定着天线的尺寸和大小。天线的大小又常常决定着电子标签的大小，较高频率的电子标签其尺寸一般比较小。与近场感应线圈天线相比，它的辐射效率较高，通信距离较远。天线的种类很多，不同的应用需要不同的天线，在微功耗、远距离的射频识别系统中，需要一个通信可靠、成本低廉的天线系统。目前应用在这一领域的天线主要有1/4波长鞭状天线、螺旋天线、PCB环型、PCB单端天线和微带天线。本文在设计过程中，由于考虑到标签的体积，采用了Nordic公司推荐的PCB单端天线。在使用不同形状天线时，为了得到尽可能大的收发距离，电感电容的参数应适当调整17。 由于标签因为体积空间问题采用了微型PCB单端天线，所以阅读器接收天线应该适当提高接收灵敏度来弥补标签发射增益的不足，本文采用了比较通用的3.5dB的鞭状天线，如果需要更大增益可采用5dB的鞭状天线或定向天线。本系统设计了天线内置的阅读器，既可安装全向鞭状天线也可以安装定向天线，提高了阅读器稳定性，也方便了安装和施工。3.2.2 电子车牌处理器和收发模块设计1）射频芯片nRF24L01内置地址解码器、先入先出堆栈区、解调处理器、时钟处理器、GFSK滤波器、低噪声放大器、频率合成器，功率放大器等功能模块，需要很少的外围元件，因此使用起来非常方便。nRF24L01性能参数： 小体积，QFN20 4x4mm封装 宽电压工作范围，1.9V3.6V，输入引脚可承受5V电压输入 工作温度范围，-40+80 工作频率范围，2.400GHz2.525GHz 发射功率可选择为0dBm、-6dBm、-12dBm和-18dBm 数据传输速率支持1Mbps、2Mbps 低功耗设计，接收时工作电流12.3mA，0dBm功率发射时11.3mA，掉电模式时仅为900nA 126个通讯通道，6个数据通道，满足多点通讯和调频需要 增强型“ShockBurst”工作模式，硬件的CRC校验和点对多点的地址控制 数据包每次可传输132Byte的数据 4线SPI通讯端口，通讯速率最高可达8Mbps，适合与各种MCU连接，编程简单 可通过软件设置工作频率、通讯地址、传输速率和数据包长度 MCU可通过IRQ引脚块判断是否完成数据接收和数据发送nRF24L01的引脚排列如图3.3所示。各引脚功能如下：CE：使能发射或接收;CSN，SCK，MOSI，MISO：SPI引脚端，微处理器可通过此引脚配置nRF24L01：IRQ：中断标志位;VDD：电源输入端;VSS：电源地;XC2，XC1：晶体振荡器引脚;VDD_PA：为功率放大器供电，输出为1.8 V;ANT1,ANT2：天线接口;IREF：参考电流输入。图3.3 nRF24L01引脚图nRF2401有工作模式有四种:收发模式、配置模式、空闲模式和关机模式。nRF2401的收发模式有ShockBurstTM收发模式和直接收发模式两种，收发模式由器件配置字决定。配置模式在配置模式，15字节的配置字被送到nRF24L01，这通过CS, CLK1和DATA三个引脚完成11。空闲模式nRF24L01的空闲模式是为了减小平均工作电流而设计，其最大的优点是，实现节能的同时，缩短芯片的起动时间。在空闲模式下，部分片内晶振仍在工作，此时的工作电流跟外部晶振的频率有关，如外部晶振为4MHz时工作电流为12uA，外部晶振为16MHz时工作电流为32uA。在空闲模式下，配置字的内容保持在nRF24L01片内。关机模式在关机模式下，为了得到最小的工作电流，一般此时的工作电流小于1uA。关机模式下，配置字的内容也会被保持在nRF24L01片内，这是该模式与断电状态最大的区别。 2）微控制器MSP430是TI公司的一个超低功耗微控制器系列，片内组合了不同功能模块，可以适应不同应用层次的需求。在硬件架构上，MSP430系列是16位高性能超低微功耗微控制器，工作电压为1.8-3.6V，并提供了五种低功耗模式，可最大限度地延长电子标签的电池寿命16。在运算速度方面，MSP430系列单片机能在8MHz晶体的驱动下，实现125us的指令周期。16位的数据宽度、125us的指令周期以及多功能的硬件乘法器(能实现乘加)相配合，能实现数字信号处理的某些算法(如FFT等)。MSP430系列单片机的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。当系统处于省电的备用状态时，用中断请求将它唤醒只需6us。其主要特性如下： (1)超低功耗：MSP430系列单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压及灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。首先，MSP430系列单片机的电源电压采用的是1.8-3.6V电压。因而可使其在1MHz的时钟条件下运行时，芯片的电流会在0.1-400uA之间。如果程序跑飞，可用看门狗将其复位。(2)丰富的片上外围模块：MSP430系列单片机的各成员都集成了较丰富的片内外设。它们分别是看门狗（WDT）、模拟比较器A、定时器A(Timer_A)、定时器B（Timer_B）,串口0、1 (USARTO、USRAT1),硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位ADC、14位ADC（ADC14)、12位DAC、I2C总线、直接数据存取(DMA)、端口0（PO）、端口16 （P1P6）、基本定时器(BasicTimer)等的一些外围模块的不同组合。MSP430系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。 (3)方便高效的开发环境：目前MSP430系列单片机有OTP型、FLASH型和ROM型三种类型的器件，这些器件的开发手段不同。对于OTP型和ROM型的器件是使用仿真器开发成功之后再烧写或掩膜芯片:对于FLASH型则有十分方便的开发调试环境，因为器件片内有JTAG调试接口，还有可电擦写的FLASH存储器，因此采用先下载程序到FLASH内，再在器件内通过软件控制程序的运行，由JTAG接口读取片内信息供设计者调试使用的方法进行开发。这种方式只需要一台PC机和一个JTAG调试器，而不需要仿真器和编程器。开发语言有汇编语言和C语言。(4)适应工业级运行环境：MSP430系列器件均为工业级的，运行环境温度为-40+85，所设计的产品适合运行于工业环境下。由于电子标签受制于体积的限制，采用纽扣电池供电，因此需要微功耗的芯片来支持，并且电子标签的通信数据量也不大，因此采用MSP430F2101，该微控制器片内含有1KBflash和128Bram。MSP430F2101微控制器片内结构包括16位RISC ( Reduced Instruction Set Computing)精简指令的CPU，时钟系统，用于烧录程序和仿真用的JTAG (Joint Test Action Group，联合测试行动小组)接口，1 KFlash, 128BRAM, Watchdog(看门狗电路)，片上外围模块，I/O接口等组成。如图3.4所示。图3.4 MSP430F2101微控制器结构考虑到电源的功耗和标签体积，电源采用3V-500mAh纽扣电池，MSP430F2101单片机的晶振采用35768Hz晶振，虽然时钟周期比较长，但是这样可以使微控制器待机功耗降至最低，已经完全能满足实际需要12。电子标签电路硬件主要分为射频接口和控制系统两大部分。射频接口即为nRF24L01射频模块(包含外围元件及PCB环形天线)，射频接口nRF24L01只需要很少的外围元件。nRF24L01应用电路一般工作为3V，它由低功耗微控制器MSP430F2101进行控制。控制电路基于MSP微功耗系列微控制器搭建。微控制器通过SPI接口控制nRF24L01，其中微控制器(MCU)采用低电压、微功耗、高性能COMS 16位单片机MSP430F2101，该微控制器采用C语言开发，内含128 B的随机存取数据存储器RAM和1 kB的E²PROM，可以将驱动及控制nRF24L01的程序写入该闪存，无需外接EPROM 而简化了电路设计降低了系统功耗。MSP单片机内置看门狗定时器，可有效避免程序跑飞，使系统抗干扰性大大增强。3.3 电子车牌阅读器设计1）射频芯片 nRF24L01内置地址解码器、先入先出堆栈区、解调处理器、时钟处理器、GFSK滤波器、低噪声放大器、频率合成器，功率放大器等功能模块，需要很少的外围元件，因此使用起来非常方便。nRF24L01性能参数、引脚排列图以及引脚功能在前文已详细介绍。 2）微控制器 由于阅读器没有像标签那样有体积的限制，可采用外接支流电源供电，但微功耗微处理器可以降低对电源的要求，并且采用和电子标签同一系列的微控制器对整体开发也是有利的。阅读器对数据处理的量比标签要大很多，因此采用MSP430F123，该微控制器片内含有8KBflash和256Bram。MSP430F123微控制器片内结构包括16位RISC (Reduced Instruction Set-Computing)精简指令的CPU，时钟系统，用于烧录程序和仿真用的JTAG（Joint Test Action Group，联合测试行动小组)接口，8KFIash, 256BRAM，Watchdog(看门狗电路)，片上外围模块，I/O接口等组成。如图3.5所示。图3.5 MSP430F2101微控制器结构 阅读器电路硬件主要分为射频接口、控制系统和输出接口三大部分。射频接口即为nRF24L01射频模块(包含外围元件及PCB环形天线)，射频接口nRF24L01只需要很少的外围元件。nRF24L01应用电路一般工作为3V，它由低功耗微控制器MSP430F123进行控制。控制电路基于MSP微功耗系列微控制器搭建。微控制器通过SPI接口控制nRF24L01，其中微控制器(MCU)采用低电压、微功耗、高性能COMS 16位单片机MSP430F123，该微控制器采用C语言开发，内含256 B的随机存取数据存储器RAM和8 kB的E²ROM，可以将驱动及控制nRF24L01的程序写入该闪存，无需外接EPROM 而简化了电路设计降低了系统功耗。MSP单片机内置看门狗定时器，可有效避免程序跑飞，使系统抗干扰性大大增强13。阅读器的输出数据一般是提供给计算机后台的，所以在设计接口时必须考虑信号的传输，RS232简单实用，通用性强，但是它的传输距离只有15米，很难满足现场的数据传输，所以本系统采用了目前工业上比较常用的RS485接口。RS485电路如图3.6所示。图3.6 RS485接口电路图RS485传输速率高，传输距离远。在电路设计时，采用了专用的MAX485接口芯片，把微控制器读取处理后的数据通过485总线（必须用双绞线，或者网线的其中一组）方式传输到控制中心。3.4 低频激励器设计低频激励器是有源射频识别系统的重要组成部件，用于激活处于休眠状态的有源电子标签，实现局域定位功能。工作频率为125KHz，性能卓越、操作简单、发射功率低、激励距离远。125K低频激励器是激发信号发射器，主要功能是激活休眠状态的有源电子标签。激励器结构简单，上电即可使用。其外形结构如图3.7所示。图3.7 低频激励器外形不同的激励器之间可以串联在一起，同时供电，如图3.8所示。图3.8 激励器串联方式串联的相邻激励器间距：2-4米；激励器串联最长距离：15米(可以继联)；激励器编号：A0是必要的，其它编号安装顺序为*0-*1-*2-*1-*2-。金属会影响激励器信号，避免将激励器安装在大块金属旁。第四章 RFID电子车牌系统软件设计4.1 RFID电子车牌软件框架RFID电子车牌系统软件主要由阅读器模块，标签模块，应用系统模块组成。如图4.1所示，读卡工作过程如下:图4.1 读卡工作流程图 上电复位后，进行系统的初始化；通过串口接收程序接收应用系统发送的指令，并进行判断；如果为防冲突操作指令则进入防冲突处理过程，如果为单卡操作指令则直接进入读信息，中止指令等标签操作过程；如果操作成功，则通过串口发送程序进行获取数据并保存数据库中。如果操作失败，则返回标签操作程序进行指令的重新操作；如果数据保存数据库成功，则读标签终止，如果未保存到数据库则重新读取标签内容。阅读器通过RS485接口与后台电脑数据库服务器相连接，设置好端口号、波特率、校验位、数据位和停止位等参数后，当电子标签处于阅读器的读卡范围内后，即可测试到电子标签。 应用系统包括一个应用程序以及数据库，应用程序用来完成车辆信息采集的任务，通过各个控件所发出的指令完成对阅读器的控制，使阅读器能够按照其要求对电子标签进行读/写操作，数据库主要是用来存放这些车辆信息，方便管理部门对车辆的监控和管理14。 应用系统软件采用Visual C+编程，数据库采用Microsoft SQL Server 2000。当贴有电子标签的车辆进入到阅读器的读卡范围内时，电子标签被激活，阅读器就开始读取车辆信息，由上面设计可知，阅读器的控制器通过RS485串口与后台计算机相连接并传输电子标签内的数据，因此，应用程序要不停地扫描串口，当有数据时，接收数据并保持数据到数据库内15。应用程序在扫描串口并接收数据后，将二进制的车辆信息解码后传到后台数据库中保存，数据保存后，通过交通参数计算模块，计算出该段道路上的交通参数，并通过交通信息的查询界面查询任何时间段内的交通信息。应用程序的流程设计如图4.2所示:图4.2