高承，王正彥，解亞南

（青島大學(xué)，青島266071）

引 言

隨著社會(huì)的發(fā)展，城市公共交通已變成我們生活中不可或缺的一部分。目前，公交收費(fèi)主要有人工售票和刷卡投幣收費(fèi)兩種方式。人工售票雖然具有監(jiān)督性強(qiáng)、能有效防止偷票漏票現(xiàn)象的優(yōu)點(diǎn)，但是每月需要給售票員發(fā)放工資，進(jìn)而使得成本提高。刷卡和投幣收費(fèi)能解決成本問題，但是乘客上下車非常不便，特別是高峰期，大大減緩了上下車速度。當(dāng)前國內(nèi)外公交車收費(fèi)采用的射頻卡與收費(fèi)機(jī)操作距離不超過0.1 m（下面簡稱這種射頻卡為“近卡”），乘客繳費(fèi)需要從衣袋，包內(nèi)取卡，貼近收費(fèi)機(jī)刷卡，再將卡放回衣袋、包內(nèi)，這些動(dòng)作減緩了乘客上車速度，特別對雙手?jǐn)y帶東西的乘客，刷卡操作會(huì)很不方便。

本文研究的公交車自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)使用有源標(biāo)簽完成公交卡的設(shè)計(jì)，在保證較長使用壽命的基礎(chǔ)上，使感應(yīng)距離增大到1 m左右。將車載系統(tǒng)放置在距離公交車上客門口約1 m左右的距離，乘客上車時(shí)經(jīng)過車載系統(tǒng)就能夠成功刷卡，同時(shí)使用的防碰撞算法[2]保證了在乘客上車擁擠的情況下也能夠成功刷卡，成本低且效率高。近年來，地鐵交通的大力發(fā)展也為人們的出行帶來極大的方便，本系統(tǒng)經(jīng)過修改后同樣可以用于地鐵的自動(dòng)收費(fèi)，應(yīng)用空間比較廣闊。

1 系統(tǒng)的整體構(gòu)成

公交車遠(yuǎn)卡自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)總體分為兩大部分：公交卡和車載系統(tǒng)。公交卡主要由nRF24LE1射頻模塊[4]和喚醒電路組成；車載系統(tǒng)主要由主處理器STM32[3]、GPS定位模塊、液晶顯示電路、存儲(chǔ)電路、語音報(bào)站電路、喚醒電路等構(gòu)成。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

當(dāng)乘客攜帶公交卡上車經(jīng)過車載系統(tǒng)時(shí)，公交卡的ATA5283喚醒電路接收到車載系統(tǒng)讀卡器端ATA5276芯片發(fā)送的125 k Hz電磁波后，激活處在睡眠模式下的公交卡，公交卡進(jìn)入發(fā)送模式，將自己的ID號(hào)、卡內(nèi)金額發(fā)送給車載系統(tǒng)。車載系統(tǒng)給公交卡發(fā)送信息，蜂鳴器響一下表示刷卡成功，并在液晶屏顯示成功信息。同時(shí)，車載系統(tǒng)將此公交卡的ID號(hào)、金額、上車位置保存在AT24C512存儲(chǔ)器里，當(dāng)乘客要下車將公交卡再次靠近讀卡器時(shí)，公交卡再次被喚醒并向車載系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)。車載系統(tǒng)的處理器根據(jù)此公交卡的ID號(hào)找到上車時(shí)刷卡的信息來計(jì)算所需要扣費(fèi)的金額，并向公交卡發(fā)送扣費(fèi)數(shù)據(jù)；同時(shí)，會(huì)將本次乘車信息保存在數(shù)據(jù)庫中，以備查詢使用。公交車到達(dá)終點(diǎn)站后將會(huì)進(jìn)行復(fù)位操作，如果有乘客下車時(shí)未能感應(yīng)上，則按照到達(dá)終點(diǎn)站的路程進(jìn)行扣費(fèi)。

圖1 公交遠(yuǎn)卡系統(tǒng)的系統(tǒng)組成圖

2 系統(tǒng)主要部分硬件實(shí)現(xiàn)

2.1 公交卡的硬件設(shè)計(jì)

采用n RF24LE1作為標(biāo)簽芯片，ATA5283作為喚醒芯片[5]組成公交卡的硬件電路。nRF24LE1是一款帶有處理器的2.4 GHz收發(fā)芯片，在一個(gè)很小的芯片上集成了51內(nèi)核和n RF24L01收發(fā)內(nèi)核，與n RF24L01采用相同的內(nèi)嵌協(xié)議和GFSK調(diào)制方式，具有串口、SPI、I2C、PWM發(fā)生器、隨機(jī)函數(shù)發(fā)生器等豐富的外設(shè)資源，該芯片功耗極低且具有非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。

ATA5283是一款檢測靈敏度高和功耗超低的125 k Hz無線喚醒芯片，具有1 m V的靈敏度，在待機(jī)偵聽125 k Hz數(shù)據(jù)狀態(tài)時(shí)，功耗僅為1～2μA，在接收125 k Hz數(shù)據(jù)的過程中，功耗為2～4μA。在接收125 k Hz數(shù)據(jù)時(shí)，至少檢測到125 k Hz載波持續(xù)時(shí)間為5.64 ms才進(jìn)入正常工作模式。其中，前1.54 ms的載波周期的時(shí)間用于喚醒此芯片，后4.1 ms的載波周期用于進(jìn)行自增益調(diào)整，把接收信號(hào)的放大增益調(diào)整到合適的值。兩者再加上紐扣電池等外圍電路構(gòu)成了有源式公交卡，能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的信號(hào)發(fā)射與接收。公交卡硬件電路如圖2所示。

在沒有檢測到125 k Hz信號(hào)時(shí)，ATA5283芯片以非常低的功耗處于待機(jī)模式。在此模式下，COIL引腳的天線端一直在檢測是否有載波信號(hào)到來，N＿DATA和N＿WAKEUP引腳為高電平，復(fù)位引腳RESET處在低電平狀態(tài)。當(dāng)COIL引腳的天線端接收至少704個(gè)載波序列后，ATA5283芯片進(jìn)入工作模式，N＿DATA開始接收載波數(shù)據(jù)，N＿WAKEUP變?yōu)榈碗娖?，喚醒nRF24LE1。由于只需要喚醒功能，無需有效的載波數(shù)據(jù)傳輸，因此，只需將N＿WAKEUP與nRF24LE1的P0.6引腳相連。最后，nRF24LE1的P0.0引腳給ATA5283的RESET引腳一個(gè)高電平，使ATA5283復(fù)位，讓芯片重新回到待機(jī)監(jiān)聽模式。

圖2 公交卡硬件電路

2.2 車載系統(tǒng)射頻模塊電路設(shè)計(jì)

采用的nRF24L01射頻模塊與nRF24LE1的射頻部分是相互兼容的，也工作在2.4GHz頻率段，是通用ISM頻段的無線收發(fā)芯片。內(nèi)置射頻發(fā)送接收器、數(shù)據(jù)緩沖器、GFSK調(diào)制/解調(diào)器、增強(qiáng)模式控制單元及與處理器連接的SPI接口。nRF24L01采用SPI總線方式與處理器通信，STM32處理器自帶SPI接口。

本設(shè)計(jì)將時(shí)鐘控制信號(hào)SCK、串行數(shù)據(jù)輸出MISO、串行數(shù)據(jù)輸入MOSI、芯片使能引腳CSN、中斷信號(hào)IRQ、射頻使能引腳CE分別與處理器的PA5、PA6、PA7、PC4、PB0、PC5引腳直接相連，具體電路如圖3所示。同時(shí)，該芯片的增強(qiáng)模式具有自動(dòng)重發(fā)和自動(dòng)應(yīng)答功能，中斷信號(hào)IRQ用來告訴處理器其接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的狀態(tài)，使處理器及時(shí)根據(jù)狀態(tài)來做出相應(yīng)的處理，這些功能大大減少了MCU的工作量。

圖3 車載系統(tǒng)射頻模塊電路

2.3 車載系統(tǒng)低頻喚醒發(fā)射電路設(shè)計(jì)

采用不斷發(fā)射低頻125 k Hz電磁波的形式去激活有源標(biāo)簽，發(fā)射芯片采用ATA5276，它能發(fā)射頻率為125 k Hz的信號(hào)，該芯片驅(qū)動(dòng)天線線圈的峰值電流是可調(diào)的，輸出的最大峰值電流可以達(dá)到1.5 A，調(diào)制方式是ASK調(diào)制，波特率可達(dá)4 kps，芯片工作電壓范圍為8～24 V。處在待機(jī)模式時(shí)電流消耗小于50μA，傳輸?shù)?25 k Hz電磁波傳給相應(yīng)的接收器，通過STM32的PD0引腳可以控制該芯片工作。

設(shè)置DIO腳與STM32的PD0引腳連接，如圖4所示，PD0引腳平時(shí)處于低電平狀態(tài)，當(dāng)PD0發(fā)出高電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，DIO引腳變?yōu)榈碗娖剑珹TA 5276從待機(jī)模式轉(zhuǎn)為工作發(fā)射模式；此時(shí)，DIO為低電平，L1和C4組成的串聯(lián)諧振電路開始起振，125 k Hz能量通過電感以磁場的形式傳播出去，當(dāng)DIO引腳檢測到低電平時(shí)停止諧振。

圖4 車載系統(tǒng)低頻喚醒發(fā)射電路

3 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

軟件設(shè)計(jì)主要包括車載系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)和公交卡程序設(shè)計(jì)，車載系統(tǒng)程序包括AT24C512存儲(chǔ)器的I2C總線程序、GPS的串口通信程序、nRF24L01和ISD4004的SPI總線程序以及LCD12864的并口程序設(shè)計(jì)。公交卡程序主要包括nRF24LE1低功耗和防碰撞程序設(shè)計(jì)，采用的編程語言為C語言，靈活方便。軟件開發(fā)平臺(tái)是MDK，其集成度高，具有在線仿真和調(diào)試功能，非常適合嵌入式開發(fā)。

3.1 公交卡軟件設(shè)計(jì)

公交卡軟件設(shè)計(jì)要確保標(biāo)簽信息準(zhǔn)確及時(shí)地發(fā)送出去，并及時(shí)接收讀卡器處理完的數(shù)據(jù)。主要包括三部分：標(biāo)簽的發(fā)射與接收、低功耗設(shè)計(jì)、防碰撞算法的設(shè)計(jì)。軟件流程如圖5所示。

圖5 公交卡軟件設(shè)計(jì)流程圖

3.2 車載系統(tǒng)射頻模塊軟件設(shè)計(jì)

車載系統(tǒng)射頻模塊nRF24L01的功能是：接收卡片的數(shù)據(jù)信息，交給處理器處理。與STM32通信采用SPI總線協(xié)議，STM32帶SPI口，并且使用STM32庫函數(shù)開發(fā)，大大簡化了程序設(shè)計(jì)，只要對接口函數(shù)做出相應(yīng)配置，就可以操作SPI寄存器。nRF24L01 有多種工作模式，本設(shè)計(jì)主要使用基本的發(fā)送和接收模式，為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)應(yīng)答、自動(dòng)處理字頭和CRC校驗(yàn)碼，采用Enhanced ShockBurst TM增強(qiáng)型的模式，這樣簡化了程序設(shè)計(jì)，減小了處理器的負(fù)擔(dān)，而且使接收和發(fā)送數(shù)據(jù)更及時(shí)準(zhǔn)確。軟件實(shí)現(xiàn)流程如圖6所示。

圖6 車載系統(tǒng)射頻模塊軟件設(shè)計(jì)流程圖

結(jié) 語

本設(shè)計(jì)的車載系統(tǒng)需要在前門和后門各設(shè)置一個(gè)感應(yīng)裝置，要求乘客前門上車，后門下車。當(dāng)前門的讀卡器檢測到乘客上車時(shí)，公交卡發(fā)送信息給車載系統(tǒng)，車載系統(tǒng)做出回應(yīng)并記錄公交卡發(fā)送來的信息。車輛運(yùn)行時(shí)，不發(fā)送125 k Hz的喚醒信號(hào)，因此公交卡不能被喚醒，只有在車門被打開、乘客靠近讀卡器時(shí)，才能被喚醒。當(dāng)乘客下車、被后門感應(yīng)器檢測到時(shí)，將接收到的公交卡信息與上次檢測到的信息比較，做出相應(yīng)扣費(fèi)處理。模擬程序設(shè)計(jì)是每隔1分鐘，站數(shù)加1，表示公交車走了1站，扣費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)為每10站扣1元。采用10張公交卡進(jìn)行了測試。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能及時(shí)完成對卡片的數(shù)據(jù)讀取和數(shù)據(jù)處理。

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