基于“时分+频分”复用技术的双向多义性路径识别系统的设计

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随着全国高速公路网的不断延伸、加密，逐渐出现了多重嵌套的多义性路径情况，多数省份基于RFID技术的单向多义性路径识别系统不再能满足社会的需求，交通领域的相关部门和广大驾驶员迫切需要一个新的系统能够提供更多的应用功能，能够实时提供通行车辆的数据、道路车辆的流量信息，让车主随时了解道路的拥堵情况，帮助车主决策车行线路，提供车辆行使路径，帮助了解跟踪车辆行驶轨迹等。

因此基于“时分+频分”复用技术的双向多义性路径识别系统能在解决路径识别的同时，能提供实时交通信息量采集和统计，为高速公路交通信息智能化、公开化提供数据支撑，进而可为大众提供众多的社会服务。

1 系统概述
所谓双向多义性路径识别系统，是相对于单向系统而言，单向系统只是单向的搜索和接收路侧标识单元广播的路径信息并存储，不做对路侧标识单元做任何反馈，所以路侧标识单元无法完成对车载单元数据信息的实时采集。

而双向系统指车载单元与路侧标识单元进行433MHz无线通信的时候，除了搜索、接收路侧标识单元下发的标识信息并存储外，同时还会将携带自身唯一ID号的反馈信息上传到路侧标识单元一端，完成该环节的双向数据交易，所以路侧标识单元可以实时采集通行车辆的数据信息，完成交通信息量的采集与统计。

基于“时分+频分”复用技术，结合了时分复用和频分复用（冯升，基于E1接口的远程视频监控系统在铁路TMIS网络中的应用：华北电力大学，2006；霍云，漫谈各种复用技术：有线电视技术，2004）两项技术的优势，克服单一使用某一技术路线时候存在的不足，目的在于提供一种基于“时分+频分”复用技术的双向多义性路径识别系统，这种多义性路径识别系统，克服了频分复用技术带来的谐波信号淹没车载单元上传信号的缺点，克服了时分复用技术带来的标识成功率下降和车载单元功耗增加的缺点，克服了相邻基站同频干扰问题，实现了单、双向标识系统的相互兼容，保证了系统的高标识成功率和低功耗长寿命，达到了双向多义性路径标识系统的实用目的。

2 系统设计
基于“时分+频分”复用技术的双向多义性路径识别系统向下兼容当前主流的基于RFID技术的单向多义性路径识别系统，主要包括双向复合通行卡（车载单元）、复合通行卡读写器、双向路侧标识单元、车道软件系统、路段和省级运营中心平台软件系统等，其中路侧标识单元根据功能模块不同，被分为标识基站、终端基站、中继基站。

该系统主要包含3种硬件设备，分别是双向复合通行卡、复合通行卡读写器、双向路侧标识单元，如图1所示（罗雄亮，RFID在广东省联网收费路径识别中的应用研究：华南理工大学，2013），从左至右，分别是车载单元、复合通行卡读写器、路
侧标识单元。

图1 多义性路径识别系统硬件设备组成
当携带双向复合通行卡的车辆经过双向路侧标识单元有效作用区域时，车载单元除了接收双向路侧标识单元广播的路径信息，还将向双向路侧标识单元上传自身ID号等车辆信息，同时接收路侧标识单元回传的确认信息，完成双向数据交易。

车道软件系统，路段、省中心后台路侧标识单元管理系统软件，需要增加入口车辆车牌号抓取及与车载单元ID号对应模块，需要增加路侧标识单元双向部分管理模块等功能，可实现在当前单向多义性路径识别系统的基础上平滑升级。

这部分主要是各省份的车
基于“时分+频分”复用技术的双向多义性路径识别系统的设计中国船舶重工集团公司第七一五研究所 陈 木
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道软件供应商及系统平台集成商完成，在此不做深入讨论。

2.1 双向车载单元设计
双向车载单元主要是存储高速公路入口、出口信息，供正常收取通行费时候使用。

在进入高速公路网后，搜索、接收路径标识信息并存储，然后上传携带自身ID 号数据的车辆信息到双向路侧标识单元端，供后台系统进行通行费用拆分与结算，以及交通信息量统计时候使用。

如同单向复合通行卡一般，双向车载单元由无源13.56MHz 和有源433MHz 组合而成，分别完成入口唤醒，途中标识和ID 号上传，出口收费及睡眠功能。

双向车载单元兼容了当前主流的单向复合通行卡所有功能和当前主流设备厂家的路侧标识单元和复合通行卡读写器；目前主流的单向复合车载单元的尺寸是85.4mm*56mm*5mm ，为了相互兼容，双向车载单元也设计成这个尺寸。

在这么小的尺寸内，需要放置单片机、433MHz 射频芯片、13.56MHz 射频芯片、两个频段的天线以及电池，既要保证小尺寸要求，又要满足天线接收发射性能（见图2）。

本设计中采用的主控制器是美国德州仪器公司的MSP430系列单片机（Texas Instruments.2011.MSP430G2553.pdf:America:Texas Instruments ），该单片机的超低功耗、节能模式、通信接口等性能满足设计的使用要求。

本设计中采用的射频芯片是台湾笙科电子的A7108，A7108是
一颗高效能的射频芯片，内建的功能可以有效地降低开发复杂度与开发成本。

2.2 复合通行卡读写器设计
复合通行卡读卡器同时具备13.56MHz 和433MHz 两个频段，主要设置于高速公路收费站入口和出口。

在入口车道，向车载单元写入入口信息，同时唤醒车载单元进入间歇性工作模式；在出口车道，读取车载单元携带的入口信息及路径标识信息，同时休眠车载单元，使其进入低功耗睡眠模式。

其中关键的元器件是13.56M H z 读写器芯片和433MHz 射频芯片。

13.56MHz 读写器芯片在设计中选用的是Philips 公司的MF RC500型读卡器，MF RC500可方便的用于各种基于ISO/IEC 14443A 标准并且要求低成本、小尺
寸、高性能以及单电源的非
图2 双向车载单元硬件原理图
接触式通信的应用场合。

MF RC500内部包括并行微控制器接口、双向。

FIFO 缓冲区、中断、数据处理单元、状态控制单元、安全和密码控制单元、模拟电路接口及天线接口。

MF RC500的外部接口包括数据总线、地址总线、控制总线(包含读写信号和中断等)和电源等。

433MHz 射频芯片在设计中选用的是CC1101（Texas 1101.pdf:America:Texas Instruments ），是CC1101的主要操作参数和64位传输/接收FIFO （先进先出堆栈）通过SPI 接口控制。

与主控单片机之间的命令和数据交换通过SPI 通道完成。

RF 收发器集成了一个高度可配置的调制解调器。

这个调制解调器支持不同的调制格式，其数据传输率可达500kbps 。

通过开启集成在调制解调器上的前向误差校正选项，能使性能得到提升。

同时，CC1101为数据包处理、数据缓冲、突发数据传输、清晰信道评估、连接质量指示和电磁波激发提供广泛的硬件支持。

2.3 路侧标识单元设计
路侧标识单元分为标识基站、中继基站、终端基站，标识基站的主要工作是持续或者间歇性广播路段标识信息，标识过往的车载单元；中继基站的主要工作是接收双向车载单元上传的ID 号，并下传确认信息给车载单元；终端基站的主要工作是接收中继基站下传的确认信息，记录车辆信息并发送给路段、省中心后台管理系统，同时作为连接标识基站和后台系统的媒介，执行命令下达或者有用
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图5 多处理器控制逻辑图
图6 主程序流程图 图7 I2C中断流程图
3.2 LED显示屏控制系统软件设计
LED 显示屏控制系统软件包括PC 机、控制模块、显示模块三部分。

LED 显示系统软件设计实现详见流程图6所示。

3.2.1 显示模块
显示模块包含扫描显示、控制模块和I2C 通信等3部分。

扫描显示程序定时从显示缓存区读取数据到移位寄存器，设置扫描线，实现一次扫描。

滚动显示效果处理主要对对缓冲区数据进行移位操作。

I 2C 通信采用PIC16C73内部中断程序实现通信控制（如图7所示）。

3.2.2 控制模块
控制模块程序包含I 2C 与显示模块的通信，I 2C 与E2PROM 的通信，PC 机与串口通信、环境光强检测与串行通信等5部分。

3.2.3 PC机通信模块
PC 机部分程序主要完成串口通信功能和点阵编辑功能的软件实现以及其他控制功能的实现。

4 总结
本文从LED 显示屏电路的基本结构、LED 显示屏硬件和软件设计思路、LED 显示屏设计目标及内容、LED 显示屏设计重点和难点等四个方面介绍了LED 显示屏电路设计的方法和思路，将LED 的相关知识与实践操作有机的融为一体，有效的解决了LED 电路实践工程问题。

基金项目：咸阳市科学技术研究计划项目（2016k0205）。

作者简介：屈毅（1974—），男，陕西乾县人，副教授，主要从事电子技术、人工智能及教学研究。

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数据的上传动作，管理整套路侧标识单元。

图3 双向路侧标识单元结构框图
图4 标识基站的射频信道A/B双信道冗余技术
该系统中，标识基站承担了路径信息发射任务，是系统中最关键的硬件模块之一。

为了提高系统稳定性，在设计标识基站的射频电路时候，特意考虑了冗余技术，具体如图4所示。

3 结语
双向系统完全兼容单向系统的所有功能，当携带车载单元的车辆通过路侧标识单元有效作用区域时候，可以将自身ID 号等车辆信息上传到路侧标识单元，车辆信息进入高速公路网后台系统后，经
整合分析、挖掘使用，可以为高速公路业主及车主提供断面实时车流量信息、道路拥堵情况等，为高速公路的信息公开化、智能化提供数据支撑。

希望在本设计的基础上，加大双向多义性路径识别系统的应用推广，鼓励更多的高速公路业主及RFID 设备厂家关注双向系统，加速双向系统设备的产品化、互联互通。

对有多义性路径识别需求的省份，尽量一次投资到位，直接实施双向系统。