CN101256681B - 一种高速公路电子不停车收费装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高速公路电子不停车收费装置，由车载装置和路侧装置组成，车载装置设子车辆上，路侧装置分别设于高速公路的入口处和出口处，车载装置和路侧装置通过无线射频连接，其特征在于，所述的车载装置由液晶显示单元、RF模块单元、数据处理单元、唤醒单元、电源管理单元和读卡单元组成，数据处理单元分别与液晶显示单元、RF模块单元、唤醒单元、电源管理单元和读卡单元连接，RF模块单元与微带天线连接。本发明的优点是车辆经过高速公路入口、出口时用户通行记录、通行费计算、收费结算等环节实时化完成，用户通行不停车，而所有的收费结算环节，包括多次信息校验，只在270毫秒内全部完成，电子化收费得到完全的体现，支持高速公路的快速联网收费。

Description

一种高速公路电子不停车收费装置

技术领域

本发明涉及一种高速公路电子不停车收费装置，采用频移键控(FSK)调制方式，基于专用短程通信协议，结合双界面CPU卡能实现车辆自动识别和电子钱包实时交易等功能的车载和路侧载波通讯装置。利用该套装置的功能，结合计算机控制设备和网络系统，可以实现车辆高速行驶高速公路过站不停车收费。属于高速公路收费技术领域。

背景技术

目前各种公路收费系统所使用的设备，除了多数采用人工收费外，现时公开的电子收费系统设备、不停车收费系统设备，均采用幅移键控(ASK)调制方式，幅移键控(ASK，Amplitude Shift Keying)通过改变载波信号的幅度值来表示数字信号“1”、“0”。上述系统设备都存在着：工作频率稳定性差，频率漂移；500Kb/s低通讯速率；工艺性差等问题或缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种工作频率稳定，通讯速率为1Mb/s的高速公路电子不停车收费装置。

为实现以上目的，本发明的技术方案是提供一种高速公路电子不停车收费装置，由车载装置和路侧装置组成，车载装置设于车辆上，路侧装置分别设于高速公路的入口处和出口处，车载装置和路侧装置通过无线射频连接，所述的车载装置由液晶显示单元、RF模块单元、数据处理单元、唤醒单元、电源管理单元和读卡单元组成，数据处理单元分别与液晶显示单元、RF模块单元、唤醒单元、电源管理单元和读卡单元连接，RF模块单元与微带天线连接，所述的路侧装置由避雷装置、RF收发单元、数据处理单元、安全密钥单元、唤醒信号发射单元、电源管理单元和接口单元组成，数据处理单元分别与避雷装置、RF收发单元、安全密钥单元、唤醒信号发射单元、电源管理单元和接口单元连接，RF收发单元与天线单元连接。

本发明采用5.8Ghz FSK调制方式的不停车收费系统装置，FSK为频移键控(FSK，Frequency Shift Keying)，是通过改变载波信号频率的方法来表示数字信号“1”、“0”的。采用了FSK射频芯片的5.8GHz无线射频模块和用于车道控制、数据采集及处理的控制模块；车载装置安装在车辆内，路侧装置分别设于高速公路的入口处和出口处，该车辆进入不停车电子收费通道入口时，高速公路收费站路侧所安装的内部同样有5.8GHz无线射频模的路侧装置通过无线射频通讯方式收到车载装置所发送的车辆信息，并从数据库中调出匹配车辆数据后，通过无线射频通讯方式进入入口交易流程，将入站信息写入插在车载装置的双界面CPU卡中，放行，储存记录，并上传至高速公路数据采集处理系统的数据管理中心；该车辆通过出口时，高速公路收费站口的路测装置读取录入在车载装置内的车辆信息、插在车载装置的双界面CPU卡内过站信息，并从数据库中调出匹配车辆数据后，通过无线射频通讯方式进入出口交易流程，结算通行费，记录出站信息，并上传至高速公路数据处理系统的数据管理中心。

本发明的优点是使车辆经过高速公路入口、出口时用户通行记录、通行费计算、收费结算等环节实时化完成，用户通行不停车，而所有的收费结算环节，包括多次信息校验，只在270毫秒内全部完成，使得工作频率稳定性明显提高，通讯速率为1Mb/s，电子化收费得到完全的体现，支持高速公路的快速联网收费。

附图说明

图1为一种高速公路电子不停车收费装置结构示意图；

图2为一种车载装置结构示意图；

图3为车载装置RF模块示意图；

图4为唤醒单元示意图；

图5为电源管理单元示意图；

图6为读卡单元示意图；

图7为一种路侧装置结构示意图；

图8为RF收发单元结构示意图；

图9为唤醒信号发射单元结构示意图；

图10为接口单元示意图；

图11为车载装置和路侧装置入口通讯流程图；

图12为车载装置和路侧装置出口通讯流程图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例

如图1所示，为一种高速公路电子不停车收费装置结构示意图，一种高速公路电子不停车收费装置，其特征在于，由车载装置和路侧装置组成，车载装置设于车辆上，路侧装置分别设于高速公路的入口处和出口处，车载装置和路侧装置通过无线射频连接。

如图2所示，为一种车载装置结构示意图，所述的一种车载装置由液晶显示单元、RF模块单元、数据处理单元、唤醒单元、电源管理单元和读卡单元组成，数据处理单元分别与液晶显示单元、RF模块单元、唤醒单元、电源管理单元和读卡单元连接，RF模块单元与微带天线连接。

数据处理单元使用的微处理器为NXP公司的LPC2132单片机，LPC2132是基于一个支持实时仿真和跟踪的16/32位ARM7TDMI-S CPU，并带有64k字节(kB)嵌入的高速Flash存储器，128位宽度的存储器接口和加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用16位Thumb模式将代码规模降低超过30％，而性能的损失却很小。

由于LPC2132采用非常小的64脚封装、极低的功耗、多个32位定时器、8路10位ADC、PWM输出以及多达4个外部中断，这使它们特别适用于工业控制、医疗系统、访问控制和电子收款机(POS)等应用领域。由于内置了宽范围的串行通信接口，它也非常适合于通信网关、协议转换器、嵌入式软件调制解调器以及其它各种类型的应用。配合其他器件还可以提供以太网、802.11以及USB功能。主要技术特点如下：

(1)32位ARM7TDMI-S核，超小LQFP和HVQFN封装；

(2)16kB片内SRAM；

(3)64KB片内Flash程序存储器；

(4)128位宽度接口/加速器可实现高达60MHz工作频率；

(5)通过片内boot装载程序实现在系统编程(ISP)和在应用编程(IAP)；

(6)Embedded ICE可实现断点和观察点；

(7)嵌入式跟踪宏单元(ETM)支持对执行代码进行无干扰的高速实时跟踪；

(8)10位A/D转换器，转换时间低至2.44μs；

(9)CAN接口，带有先进的验收滤波器；

(10)多个串行接口，包括2个16C550工业标准UART、高速I2C接口(400kHz)和2个SPI接口。

数据处理单元中提供安全的信息存储器，支持3-DES算法的数据存取和访问控制，以存放访问控制密钥和ETC应用信息等。数据处理单元中数据存储区具有只读或允许读写属性，以适应公路收费业务存储不同业务数据的需要，同时数据存取具备适当的权限控制机制，内部数据不应被未经授权的操作改写。

微带天线属于微带矩形贴片天线，该天线具有低剖面、易于电路集成等特点。主要技术特点如下：

(1)该天线工作频率为5.8GHz，带宽50MHz，天线整体大小为30*20*1.5mm；

(2)PCB板采用的是聚四氟乙烯高频板，此PCB板具有低介电常数、高Q值等特点；

(3)最终设计的天线增益可达到5dBi，极化形式为垂直极化，水平面、垂直面3dB波瓣宽度在65度-70度之间，前后比可大于16dB。

液晶显示单元采用超薄液晶显示模块，提供了人机接口界面，可以中文显示每次扣费信息和剩余金额以及工作状态。

如图3所示，为车载装置RF模块示意图，所述的RF模块单元由直流整流器、MCU接口、数据缓冲单元、振荡器、芯片、功放单元、低通滤波单元、低噪声放大器、偏流单元、天线开关、接口1-4组成，MCU接口的7、23、43、51、63脚通过直流整流器、振荡器与芯片的61、62脚连接，MCU接口的33、34脚通过数据缓冲单元与芯片的30、32脚连接，MCU接口的35、36、38、40、39脚分别与芯片的5、4、2、1、6脚连接，MCU接口的31脚通过功放开关与功放单元连接，功放单元与接口1连接，芯片的21脚通过功放单元、低通滤波单元与天线开关连接，芯片的17脚分别与低噪声放大器和接口4连接，低噪声放大器分别与低通滤波单元和偏流单元连接，低通滤波单元与天线开关连接，天线开关分别与接口2、3连接。

芯片采用了调制方式为FSK的5.8GHz芯片，主要技术特点如下：

(1)FSK调制/解调方式；

(2)数据传输速率可设置为1-1.5Mb/s；

(3)灵敏度为-103dBm；

(4)芯片内可校准电压为2.7-3.6V.

该芯片在5.8GHz ISM频段通信，即使很靠近无线局域网(WLAN)、蓝牙和微波炉也能提供清晰、可靠的通信，1-1.5Mbps数据速率使它的数据传输时间、等待时间缩短并可直接序列扩展频谱，减小了干扰，增加了电池寿命，该芯片提供完整的5.8GHz无线电解决方案。

如图4所示，为唤醒单元示意图，所述的唤醒单元由肖特基二极管检波单元、∏网络滤波、多级三极管放大和三极管控制供电模块组成，肖特基二极管检波单元一端与天线连接，另一端通过∏网络滤波、多级三极管放大和三极管控制供电模块连接。

唤醒单元使得当车载装置接收到5.8GHz的信号后，整个系统立刻被唤醒，处于工作状态，工作结束后又立即切换到休眠状态，该模块的主要作用是省电。

如图5所示，为电源管理单元示意图，所述的电源管理单元由RF控制电子开关和滤波稳压单元组成，RF控制电子开关和滤波稳压单元连接。

如图6所示，为读卡单元示意图，所述的读卡单元由SIM卡、CPU消费卡、非接触MIF卡和印刷天线组成，SIM卡、CPU消费卡、非接触MIF卡分别与印刷天线连接。

本发明采用双片式读卡方式，可同时读取接触式IC卡和非接触式片式IC卡信息(双界面CPU卡)，提高了系统应用范围，为客户的使用提供方便。

如图7所示，为一种路侧装置结构示意图，一种路侧装置，其特征在于，由避雷装置、RF收发单元、数据处理单元、安全密钥单元、唤醒信号发射单元、电源管理单元和接口单元组成，数据处理单元分别与避雷装置、RF收发单元、安全密钥单元、唤醒信号发射单元、电源管理单元和接口单元连接，RF收发单元与天线单元连接。

数据处理单元使用的微处理器与车载装置一样为NXP公司的LPC2132单片机，LPC2132是基于一个支持实时仿真和跟踪的16/32位ARM7TDMI-S CPU，并带有64k字节(kB)嵌入的高速Flash存储器，128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用16位Thumb模式将代码规模降低超过30％，而性能的损失却很小。

由于LPC2132采用非常小的64脚封装、极低的功耗、多个32位定时器、8路10位ADC、PWM输出以及多达4个外部中断，这使它们特别适用于工业控制、医疗系统、访问控制和电子收款机(POS)等应用领域。由于内置了宽范围的串行通信接口，它也非常适合于通信网关、协议转换器、嵌入式软件调制解调器以及其它各种类型的应用。配合其他器件还可以提供以太网、802.11以及USB功能。

主要技术特点如下：

(1)32位ARM7TDMI-S核，超小LQFP和HVQFN封装；

(2)16kB片内SRAM；

(3)64KB片内Flash程序存储器；

(4)128位宽度接口/加速器可实现高达60MHz工作频率；

(5)通过片内boot装载程序实现在系统编程(ISP)和在应用编程(IAP)；

(6)Embedded ICE可实现断点和观察点；

(7)嵌入式跟踪宏单元(ETM)支持对执行代码进行无干扰的高速实时跟踪；

(8)10位A/D转换器，转换时间低至2.44μs；

(9)CAN接口，带有先进的验收滤波器；

(10)多个串行接口，包括2个16C550工业标准UART、高速I2C接口(400kHz)和2个SPI接口。

安全密钥单元提供了符合ISO7816要求的PSAM卡和4个卡座接口，支持对符合PBOC金融安全交易规范要求的PSAM卡的透明指令操作。安全密钥单元的设定使得区域间的联网成为可能。

天线单元使用的是小型16单元贴片阵列天线。

主要技术特点如下：

(1)该天线属于微带贴片天线阵，具有微带天线的剖面薄、体积小、重量轻等特点，设计天线阵的尺寸只有150*160*1.5mm；

(2)该天线波瓣宽度窄，方向性强，其水平面半功率波瓣宽度小于20度，垂直半功率波瓣宽度小于30度；

(3)该天线增益Gain高，可达到18dbi，在同样标签天线相同功率的条件下，作用距离远，定向性好；

(4)该天线的极化方式采用的是右旋圆极化。在应用中天线圆极化技术避免了车载装置天线和路侧装置天线定位不准，出现极化不匹配的情况，从而影响车载装置和路侧装置之间信号的传输，最严重的情况会出现交叉极化失配的情况。在该天线阵设计中天线单元采用圆极化设计，馈电网络也采用的圆极化技术，从而保证设计出来的天线轴比比较理想；

(5)由于该天线工作频率为5.8GHz，在加工时对加工误差很敏感，调试过程也比较困难，因此通过采用高生产工艺以确保天线阵性能。

本发明采用电池供电方式，因此电池使用寿命对于产品的实际应用起到关键的作用，通过电源管理单元，将使得系统的大部分时间处于休眠状态。在没有接收到5.8GHz信号的时候，整个系统几乎都处于睡眠状态，耗电量只有几个毫安。当接收到5.8GHz信号后，整个系统立刻被唤醒，处于工作状态，工作结束后又立即切换到休眠状态。

如图8所示，为RF收发单元结构示意图，所述的RF收发单元由直流整流器、MCU接口、数据缓冲单元、振荡器、芯片、功放单元、低通滤波单元、低噪声放大器、偏流单元、天线开关、接口1-4组成，MCU接口的7、23、43、51、63脚通过直流整流器、振荡器与芯片的61、62脚连接，MCU接口的33、34脚通过数据缓冲单元与芯片的30、32脚连接，MCU接口的35、36、38、40、39脚分别与芯片的5、4、2、1、6脚连接，MCU接口的31脚通过功放开关与功放单元连接，功放单元与接口1连接，芯片的21脚通过功放单元、低通滤波单元与天线开关连接，芯片的17脚分别与低噪声放大器和接口4连接，低噪声放大器分别与低通滤波单元和偏流单元连接，低通滤波单元与天线开关连接，天线开关分别与接口2、3连接。

RF收发单元为5.8GHz射频(Radio Frequency，RF)收发单元，采用了调制方式为FSK的5.8GHz芯片。

主要技术特点如下：

(1)FSK调制/解调方式；

(2)数据传输速率可设置为1-1.5Mb/s；

(3)灵敏度为-103dBm；

(4)输出功率为0dBm；

(5)芯片内可校准电压为2.7-3.6V。

该芯片在5.8GHz ISM频段通信，即使很靠近无线局域网(WLAN)、蓝牙和微波炉也能提供清晰、可靠的通信。1-1.5Mbps数据速率使它的数据传输时间、等待时间缩短并可直接序列扩展频谱，减小了干扰，增加了电池寿命。该芯片提供完整的5.8GHz无线电解决方案。

如图9所示，为唤醒信号发射单元结构示意图，所述的唤醒单元由功放单元和方波发生器组成，功放单元和方波发生器连接。

唤醒单元使得当本发明接收到5.8GHz的信号后，整个系统立刻被唤醒，处于工作状态，工作结束后又立即切换到休眠状态，该模块的主要作用是省电。

如图10所示，为接口单元示意图，所述的接口单元由RS485接口、RS232接口、USB接口和以太网接口组成，RS485接口、RS232接口、USB接口和以太网接口分别与数据处理单元连接，以方便客户不同的应用。

如图11、12所示，为本发明通讯流程图，使用时，车辆A在高速公路运营商处购买了一个用于高速公路收费的车载装置，并安装在车内，同时购买一张IC卡，是双界面CPU卡，并充值，如同目前使用的交通卡为储值卡，在车辆安装车载装置时将车辆信息录入在车载装置数据处理单元的存储单元；车辆信息包括车牌号、车型、车辆各项参数等；路侧装置安装在高速公路出入口处和出口处，当安装有车载装置的车辆进入高速公路入口处，入口处的路侧装置通过无线射频的方式与车辆的车载装置进行通讯，读取车辆信息和双界面CPU卡信息并上传到高速公路数据采集处理系统，高速公路数据采集系统从数据库中调出匹配车辆数据后通过无线射频通讯方式进入入口交易流程，将入站信息写入双界面CPU卡中，放行，储存记录，并上传至高速公路数据采集处理系统的数据管理中心；当安装有车载装置的车辆进入高速公路出口处时，出口处的路侧装置通过无线射频的方式与车辆的车载装置进行通讯，读取车辆信息和双界面CPU卡信息，包括过站信息等，高速公路数据采集处理系统从数据库中调出匹配车辆数据后放行处理并从数据库中调出匹配车辆数据后，通过无线射频通讯方式进入出口交易流程，资费结算，扣款，记录出站信息，并上传至公路数据采集处理系统的数据管理中心。

车辆进入不停车电子收费通道入口时，入口处的路侧装置在读取车辆信息的同时还在车载装置上写入相关信息；该车辆通过出口时，出口处的路侧装置读取该相关信息并在写入相关信息。

Claims (7)

1.一种高速公路电子不停车收费装置，由车载装置和路侧装置组成，车载装置设于车辆上，路侧装置分别设于高速公路的入口处和出口处，车载装置和路侧装置通过无线射频连接，所述的车载装置由液晶显示单元、RF模块单元、数据处理单元、唤醒单元、电源管理单元和读卡单元组成，数据处理单元分别与液晶显示单元、RF模块单元、唤醒单元、电源管理单元和读卡单元连接，RF模块单元与微带天线连接，其特征在于，所述的RF模块单元由直流整流器、MCU接口、数据缓冲单元、振荡器、FSK的5.8GHz芯片、功放单元、低通滤波单元、低噪声放大器、偏流单元、天线开关、接口1-4组成，MCU接口的7、23、43、51、63脚通过直流整流器、振荡器与FSK的5.8GHz芯片的61、62脚连接，MCU接口的33、34脚通过数据缓冲单元与FSK的5.8GHz芯片的30、32脚连接，MCU接口的35、36、38、40、39脚分别与FSK的5.8GHz芯片的5、4、2、1、6脚连接，MCU接口的31脚通过功放开关与功放单元连接，功放单元与接口1连接，FSK的5.8GHz芯片的21脚通过功放单元、低通滤波单元与天线开关连接，FSK的5.8GHz芯片的17脚分别与低噪声放大器和接口4连接，低噪声放大器分别与低通滤波单元和偏流单元连接，低通滤波单元与天线开关连接，天线开关分别与接口2、3连接。

2.根据权利要求1所述的一种高速公路电子不停车收费装置，其特征在于，所述的唤醒单元由肖特基二极管检波单元、H网络滤波、多级三极管放大和三极管控制供电模块组成，肖特基二极管检波单元一端与天线连接，另一端通过∏网络滤波、多级三极管放大和三极管控制供电模块连接。

3.根据权利要求1所述的一种高速公路电子不停车收费装置，其特征在于，所述的电源管理单元由RF控制电子开关和滤波稳压单元组成，RF控制电子开关和滤波稳压单元连接。

4.根据权利要求1所述的一种高速公路电子不停车收费装置，其特征在于，所述的路侧装置由避雷装置、RF收发单元、数据处理单元、安全密钥单元、唤醒信号发射单元、电源管理单元和接口单元组成，数据处理单元分别与避雷装置、RF收发单元、安全密钥单元、唤醒信号发射单元、电源管理单元和接口单元连接，RF收发单元与天线单元连接。

5.根据权利要求4所述的一种高速公路电子不停车收费装置，其特征在于，所述的RF收发单元由直流整流器、MCU接口、数据缓冲单元、振荡器、FSK的5.8GHz芯片、功放单元、低通滤波单元、低噪声放大器、偏流单元、天线开关、接口1-4组成，MCU接口的7、23、43、51、63脚通过直流整流器、振荡器与FSK的5.8GHz芯片的61、62脚连接，MCU接口的33、34脚通过数据缓冲单元与FSK的5.8GHz芯片的30、32脚连接，MCU接口的35、36、38、40、39脚分别与FSK的5.8GHz芯片的5、4、2、1、6脚连接，MCU接口的31脚通过功放开关与功放单元连接，功放单元与接口1连接，FSK的5.8GHz芯片的21脚通过功放单元、低通滤波单元与天线开关连接，FSK的5.8GHz芯片的17脚分别与低噪声放大器和接口4连接，低噪声放大器分别与低通滤波单元和偏流单元连接，低通滤波单元与天线开关连接，天线开关分别与接口2、3连接。

6.根据权利要求4所述的一种高速公路电子不停车收费装置，其特征在于，所述的唤醒信号发射单元由功放单元和方波发生器组成，功放单元和方波发生器连接。

7.根据权利要求4所述的一种高速公路电子不停车收费装置，其特征在于，所述的接口单元由RS485接口、RS232接口、USB接口和以太网接口组成，RS485接口、RS232接口、USB接口和以太网接口分别与数据处理单元连接。

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