CN115294669B - 高速公路通行卡的读卡识别装置以及投卡式自助缴费机 - Google Patents

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Abstract

高速公路通行卡的读卡识别装置以及投卡式自助缴费机，属于高速公路设备技术领域，读卡识别装置包括投卡口、CPC卡读写天线以及与CPC卡读写天线连接的CPC读卡主机，CPC卡读写天线为大尺寸低频磁场CPC读卡天线，CPC读卡主机包括微控制器、与微控制器连接的读写芯片以及配套的阻抗匹配电路；读写芯片包括借助总线与微控制器连接的主逻辑控制模块、与主逻辑控制模块输出端连接的天线输出驱动器以及与主逻辑控制模块接收端依次连接的信号放大器和接收解码器;投卡式自助缴费机包括高速公路通行卡的读卡识别装置。通过对读卡识别装置的结构以及读写方法进行改进，满足了CPC卡投卡识别要求，识别率很高，提高司机缴费便利性。

Description

高速公路通行卡的读卡识别装置以及投卡式自助缴费机
技术领域
本发明属于高速公路设备技术领域，具体涉及高速公路通行卡的读卡识别装置以及投卡式自助缴费机。
背景技术
目前市场上的高速公路通行卡（即CPC卡），配套的CPC卡读写器的天线线圈尺寸均不超过10cm x 10cm，且要操作的CPC卡厂家种类繁多，离散性较大，因此设计一款满足大投卡口要求的天线就是一个比较困难的事情，主要包括以下方面：
① 天线板能量密度大幅度降低根据投卡动作的多轮测试，天线板要求一边必须不小于40cm，那么天线板的面积就是现有的16倍，在读写器发射功率不变的情况下，天线板的能量密度变为原来的1/16，CPC卡种的CPU芯片进行通行就会变得异常困难；
②CPC卡内置电池和电子器件，将CPC卡投到天线板，其势必会影响天线的电感量进而影响天线的阻抗匹配性能，从而进一步减少天线板输出的能量密度；
③ 大尺寸的天线板磁场范围更广，更容易收到外界环境的干扰，从而影响读写的稳定性。
因此，在大尺寸天线板的读写器输出能量密度低，更易受外界CPC卡和金属的影响，而要想保持99.7%以上的读写成功率，这对读卡识别装置的设计是一个很大的技术挑战。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种高速公路通行卡的读卡识别装置以及投卡式自助缴费机，通过对读卡识别装置的结构以及读写方法进行改进，满足了高速公路通行卡投卡识别要求，且识别率很高，极大地提高了司机缴费的便利性。
本发明采用的技术方案是：高速公路通行卡的读卡识别装置，包括投卡口、设置在投卡口内下部的CPC卡读写天线以及借助同轴电缆与CPC卡读写天线连接的CPC读卡主机，所述CPC卡读写天线为大尺寸低频磁场CPC读卡天线，所述CPC读卡主机包括微控制器、与微控制器连接的读写芯片以及配套的阻抗匹配电路；所述读写芯片包括借助总线与微控制器连接的主逻辑控制模块、与主逻辑控制模块输出端连接的天线输出驱动器以及与主逻辑控制模块接收端依次连接的信号放大器和接收解码器；
所述读卡识别装置与CPC卡之间的识别方法包括:
A. 装置上电后，微控制器控制读写芯片将采用的默认参数设定为默认值；
所述默认参数包括天线输出驱动器的电导率GsCfgCW、接收解码器的输入最小信号强度阈值MinLevel、接收解码器可接收最小信号强度的阈值CollLevel、接收器信号电压增益值Gain；
B.装置寻卡操作
当装置寻卡成功时，则进入步骤C；
当装置寻卡不成功时，则调整读写芯片的接收器信号电压增益值Gain后重新寻卡；
若装置一直寻卡不成功则返回步骤A重新投卡；
C.装置读写操作
当装置读写CPC卡成功时，直接反馈读写结果；
当装置读写CPC卡不成功时，则调整接收解码器的输入最小信号强度阈值MinLevel、接收解码器可接收最小信号强度的阈值CollLevel和天线输出驱动器的电导率GsCfgCW后重新读写；
若装置一直读写CPC卡不成功时，则重新投卡返回步骤A。
进一步地，所述调整读写芯片的接收器信号电压增益值Gain后重新寻卡的方法：
B1.每调整一次接收器信号电压增益值Gain，进行一次寻卡操作；
接收器信号电压增益值Gain的数值调整顺序为a1、a2…a n，其中6≥n≥3。
进一步地，所述调整接收解码器的输入最小信号强度阈值MinLevel、接收解码器可接收最小信号强度的阈值CollLevel和天线输出驱动器的电导率GsCfgCW后重新读写的方法：
C1.每调整一次接收解码器的输入最小信号强度阈值MinLevel和接收解码器可接收最小信号强度的阈值CollLevel，进行一次读写CPC卡操作，若装置读写CPC卡不成功，则进入步骤C2；
接收解码器的输入最小信号强度阈值MinLevel和接收解码器可接收最小信号强度的阈值CollLevel的数值调整范围为b1…b m，其中8≥m≥2；
接收解码器的输入最小信号强度阈值MinLevel和接收解码器可接收最小信号强度的阈值CollLevel的可选数值选完后，重新投卡返回步骤A；
C2. 每调整一次天线输出驱动器的电导率GsCfgCW，进行一次读写CPC卡操作；
天线输出驱动器的电导率GsCfgCW数值调整范围为d1、d2…dt，其中7≥t≥4；
当装置读写CPC卡不成功时，继续调整天线输出驱动器的电导率GsCfgCW，直至天线输出驱动器的电导率GsCfgCW的可选数值选完后，返回步骤C1。
进一步地，所述CPC卡读写天线包括天线线圈和天线匹配电路，所述天线线圈包括串联连接设置的带有线圈的电感Lant和电阻Rant、与电感Lant和电阻Rant并联连接的电容Cant；所述天线匹配电路包括与同轴电缆依次连接的电容Cs和电阻Rext、连接在电容Cs和电阻Rext之间且与电感Lant一端连接的电容Cp，所述电阻Rext与电阻Rant的一端连接。
进一步地，所述的大尺寸低频磁场CPC读卡天线的线圈满足的参数条件为：一个方向尺寸变宽不小于0.4m、线圈宽度不小于5mm、线圈匝数为1、线圈与高速公路通行卡读写距离设置不大于4mm。
进一步地，所述阻抗匹配电路包括与信号源内阻S1连接由电感L0、电容C0、电容C1a和电容C1b构成的T型低通滤波器、与接收解码器连接由电阻R1、电阻R2、电容C3和电容C4组成的接收电路。
进一步地，所述天线输出驱动器的电导率GsCfgCW、接收解码器的输入最小信号强度阈值MinLevel、接收解码器可接收最小信号强度的阈值CollLevel和接收器信号电压增益值Gain的默认值则为各自调整范围的最大值。
进一步地，所述天线输出驱动器的电导率GsCfgCW、接收解码器的输入最小信号强度阈值MinLevel、接收解码器可接收最小信号强度的阈值CollLevel的数值调整范围选取原则：
将各自的选取数量变为m+1或t+1；
选择各自调整范围内m+1或t+1等分值；
除去等分值最大值后形成各自数值调整范围。
基于上述高速公路通行卡的读卡识别装置，本发明还提供了一种投卡式自助缴费机。
采用本发明产生的有益效果：通过对读卡识别装置的结构以及读写方法进行改进，满足了高速公路通行卡投卡识别要求，且识别率很高，极大地提高了司机缴费的便利性。
附图说明
图1是本发明读卡识别装置的结构示意图；
图2是CPC读卡主机的结构示意图；
图3是本发明读写CPC卡的流程图。
具体实施方式
参看附图1-3，高速公路通行卡的读卡识别装置，包括投卡口、设置在投卡口内下部的CPC卡读写天线以及借助同轴电缆与CPC卡读写天线连接的CPC读卡主机，所述CPC卡读写天线为大尺寸低频磁场CPC读卡天线，所述CPC读卡主机包括微控制器、与微控制器连接的读写芯片以及配套的阻抗匹配电路；所述读写芯片包括借助总线与微控制器连接的主逻辑控制模块、与主逻辑控制模块输出端连接的天线输出驱动器以及与主逻辑控制模块接收端依次连接的信号放大器和接收解码器；所述同轴电缆采用50欧的同轴线缆，所述天线输出驱动器内设有信号源内阻S1。
所述读卡识别装置与CPC卡之间的识别方法包括:
A.装置上电后，微控制器控制读写芯片将采用的默认参数设定为默认值，所述默认参数包括天线输出驱动器的电导率GsCfgCW、接收解码器的输入最小信号强度阈值MinLevel、接收解码器可接收最小信号强度的阈值CollLevel、接收器信号电压增益值Gain；
B.装置寻卡操作
当装置寻卡成功时，则进入步骤C；当装置寻卡不成功时，则进入步骤B1；
B1.调整读写芯片的接收器信号电压增益值Gain
每调整一次接收器信号电压增益值Gain，进行一次寻卡操作；
接收器信号电压增益值Gain的数值调整顺序为a1、a2…a n，其中6≥n≥3；
当寻卡成功，进入步骤C；当寻卡不成功时，继续调整接收器信号电压增益值Gain，直至接收器信号电压增益值Gain的可选数值选完后，重新投卡返回步骤A；
C.装置读写操作
当装置读写CPC卡成功时，直接反馈读写结果；当装置读写CPC卡不成功时，进入步骤C1；
C1.同步调整接收解码器的输入最小信号强度阈值MinLevel和接收解码器可接收最小信号强度的阈值CollLevel
每调整一次接收解码器的输入最小信号强度阈值MinLevel和接收解码器可接收最小信号强度的阈值CollLevel，进行一次读写CPC卡操作；
接收解码器的输入最小信号强度阈值MinLevel和接收解码器可接收最小信号强度的阈值CollLevel的数值调整范围为b1…b m，其中8≥m≥2；
当装置读写CPC卡成功时，直接反馈读写结果；当装置读写CPC卡不成功时，则进入步骤C2；
接收解码器的输入最小信号强度阈值MinLevel和接收解码器可接收最小信号强度的阈值CollLevel的可选数值选完后，重新投卡返回步骤A；
C2.调整天线输出驱动器的电导率GsCfgCW
每调整一次天线输出驱动器的电导率GsCfgCW，进行一次读写CPC卡操作；
天线输出驱动器的电导率GsCfgCW数值调整范围为d1、d2…dt，其中7≥t≥4；
当装置读写CPC卡成功时，直接反馈读写结果；当装置读写CPC卡不成功时，继续调整天线输出驱动器的电导率GsCfgCW，直至天线输出驱动器的电导率GsCfgCW的可选数值选完后，返回步骤C1。
上述的CPC读卡主机内部包含微控制器、读写芯片、和阻抗匹配电路。读写芯片采用高集成ISO14443A读写芯片；微控制器为ARM或8051内核的嵌入式处理器，它通过并行接口或者SPI等数字接口与读写芯片连接，可以通过数字接口配置读写芯片内置的64个功能寄存器，从而实现对该读写芯片各项功能的控制。
所述CPC卡读写天线包括天线线圈和天线匹配电路，所述天线线圈包括串联连接设置的带有线圈的电感Lant和电阻Rant、与电感Lant和电阻Rant并联连接的电容Cant；所述天线匹配电路包括与同轴电缆依次连接的电容Cs和电阻Rext、连接在电容Cs和电阻Rext之间且与电感Lant一端连接的电容Cp，所述电阻Rext与电阻Rant的一端连接。
目前国内主流的CPC卡读写器的厂商，提供的读写天线的线圈尺寸没有超过10cmx10cm的，且均不支持射频参数自动调整；现有的天线应用在本申请的400mm× 250mm的投卡口，会出现读卡成功率极低的问题。故本申请的CPC读卡天线必须为大尺寸低频磁场CPC读卡天线，天线圈满足的参数条件为：一个方向尺寸变宽不小于0.4m、线圈宽度不小于5mm、线圈匝数为1、线圈与高速公路通行卡读写距离设置不大于4mm。此大尺寸低频磁场CPC读卡天线的线圈，与插卡式缴费机比，磁场强度保持在一个数量级，这样CPC卡在大尺寸天线和普通天线上获取的能量值是基本一致的，CPC卡和读卡器之间无线通行链路的建立和保持能力也就是一致的，换言之，对于大尺寸天线和普通现象CPC卡读写的成功率是一致的。
所述阻抗匹配电路包括与信号源内阻S1连接由电感L0、电容C0、电容C1a和电容C1b构成的T型低通滤波器、与接收解码器连接由电阻R1、电阻R2、电容C3和电容C4组成的接收电路。电阻R1和电阻R2之间与接收解码器连接，电容C4的一端与信号放大器连接，电阻R2和电容C4之间与读写芯片的内部参考电压源连接。
读写芯片的工作频率是13.56MHz，这个频率要用石英振荡器产生，但同时也会产生高次谐波。为了符合国际EMC规定13.56MHz 中的三次五次和高次谐波要被良好地抑制；滤除高次谐波的主要方法是L0和C0组成一阶低通滤波器，其截止频率：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，
其中L0=1.0uH，C0=47pf带入上式得出fk=23.2MHz,而13.56MHz的三次谐波是40.68MHz＞fk，高次谐波会更大于fk，所以通过LC低通滤波器可以滤除三次和高次谐波。
接收电路使用卡响应的副载波负载调制所产生的两个边频带，使用内部产生VMID电势作为 Rx 管脚的输入电势为了减少干扰在VMID管脚连接一个电容到地。读卡机的接收部分需要在 Rx 和 VMID 引脚之间连接一个分压器。另外，建议在天线线圈和分压器之间串连一个电容。具体见图2所示，电容C3，电阻R1,电阻R2和电容C4组成接收电路信号调理电路，接收信号经过电容C3后，直流分量被滤除，转换成一个13.56MHz的交流调制信号，设经过电容C3的输入信号为Vi，那么根据电路叠加定理，集成芯片输入引脚电压VRX，则
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，
其中后半部分
Figure DEST_PATH_IMAGE003
的作用是给接收信号提供了一个可靠采集的直流分量，保证将整个交流信号提升到集成芯片可采集的电压范围内。
所述天线输出驱动器的电导率GsCfgCW、接收解码器的输入最小信号强度阈值MinLevel、接收解码器可接收最小信号强度的阈值CollLevel和接收器信号电压增益值Gain的默认值则为各自调整范围的最大值。所述天线输出驱动器的电导率GsCfgCW、接收解码器的输入最小信号强度阈值MinLevel、接收解码器可接收最小信号强度的阈值CollLevel的数值调整范围选取原则：
将各自的选取数量变为m+1或t+1；
选择各自调整范围内m+1或t+1等分值；
除去等分值最大值后形成各自数值调整范围。所述接收器信号电压增益值Gain的默认值为42，所述接收器信号电压增益值Gain的数值调整顺序为a1、a2、a 3，a1、a2、a 3的代表值分别为27、38、30。所述接收解码器的输入最小信号强度阈值MinLevel、接收解码器可接收最小信号强度的阈值CollLevel的默认值为15，所述接收解码器的输入最小信号强度阈值MinLevel和接收解码器可接收最小信号强度的阈值CollLevel的数值调整范围为b1、b2，b1、b 2的代表值分别为0、7。所述天线输出驱动器的电导率GsCfgCW的默认值为63，所述天线输出驱动器的电导率GsCfgCW数值调整范围为d1、d2…d4，d1、d2…d4的代表值分别为0、15、31、47。
读写器主机中的高集成ISO14443A的读写芯片内部由三个功能是可以设置的：
①天线输出驱动器的电导率GsCfgCW，取值范围0～63，默认值为63；
②接收解码器的输入最小信号强度阈值MinLevel和可接收最小信号强度的阈值CollLevel，取值范围均为0～15，默认值为15；
③接收器信号电压增益Gain,共分为4级：27，30，38和42，默认值为42db。
图1和2中，天线输出驱动器中的S1相当于信号源的内阻，可以影响读写器主机和天线之间的阻抗匹配；MinLevel、CollLevel、Gain等三个参数决定了读写器主机接收信号的灵敏度和抗干扰性。
基于上述高速公路通行卡的读卡识别装置，本发明还提供了一种投卡式自助缴费机。应用高速公路通行卡读卡识别装置，配合大尺寸投卡口的自助缴费机具备如下优势：传统的缴费机需要司机将卡插入10mm高、80mm宽的卡槽，部分司机因停车位置原因无法顺利将卡插入，需要下车插卡或者寻求外人帮助，由此造成交易时间延长。本申请的自助缴费机前端开有400mm× 250mm的投卡口，司机轻轻松松把卡投入卡窗，插卡变投卡，为司机交卡提供了方便，大的投卡口配合高速公路通行卡读卡识别装置，经现场验证，车辆通行时间由15-20秒缩减到5-10秒，极大地提升了司机的通过效率。

Claims (9)

1.高速公路通行卡的读卡识别装置，包括投卡口、设置在投卡口内下部的CPC卡读写天线以及借助同轴电缆与CPC卡读写天线连接的CPC读卡主机，其特征在于：所述CPC卡读写天线为大尺寸低频磁场CPC读卡天线，所述CPC读卡主机包括微控制器、与微控制器连接的读写芯片以及配套的阻抗匹配电路；所述读写芯片包括借助总线与微控制器连接的主逻辑控制模块、与主逻辑控制模块输出端连接的天线输出驱动器以及与主逻辑控制模块接收端依次连接的信号放大器和接收解码器；
所述读卡识别装置与CPC卡之间的识别方法包括：
A.装置上电后，微控制器控制读写芯片将采用的默认参数设定为默认值；
所述默认参数包括天线输出驱动器的电导率GsCfgCW、接收解码器的输入最小信号强度阈值MinLevel、接收解码器可接收最小信号强度的阈值CollLevel、接收器信号电压增益值Gain；
B.装置寻卡操作
当装置寻卡成功时，则进入步骤C；
当装置寻卡不成功时，则调整读写芯片的接收器信号电压增益值Gain后重新寻卡；
若装置一直寻卡不成功则返回步骤A重新投卡；
C.装置读写操作
当装置读写CPC卡成功时，直接反馈读写结果；
当装置读写CPC卡不成功时，则调整接收解码器的输入最小信号强度阈值MinLevel、接收解码器可接收最小信号强度的阈值CollLevel和天线输出驱动器的电导率GsCfgCW后重新读写；
若装置一直读写CPC卡不成功时，则重新投卡返回步骤A。
2.根据权利要求1所述的高速公路通行卡的读卡识别装置，其特征在于所述调整读写芯片的接收器信号电压增益值Gain后重新寻卡的方法：
B1.每调整一次接收器信号电压增益值Gain，进行一次寻卡操作；
接收器信号电压增益值Gain的数值调整顺序为a1、a2…a n，其中6≥n≥3。
3.根据权利要求1所述的高速公路通行卡的读卡识别装置，其特征在于所述调整接收解码器的输入最小信号强度阈值MinLevel、接收解码器可接收最小信号强度的阈值CollLevel和天线输出驱动器的电导率GsCfgCW后重新读写的方法：
C1.每调整一次接收解码器的输入最小信号强度阈值MinLevel和接收解码器可接收最小信号强度的阈值CollLevel，进行一次读写CPC卡操作，若装置读写CPC卡不成功，则进入步骤C2；
接收解码器的输入最小信号强度阈值MinLevel和接收解码器可接收最小信号强度的阈值CollLevel的数值调整范围为b1…b m，其中8≥m≥2；
接收解码器的输入最小信号强度阈值MinLevel和接收解码器可接收最小信号强度的阈值CollLevel的可选数值选完后，重新投卡返回步骤A；
C2. 每调整一次天线输出驱动器的电导率GsCfgCW，进行一次读写CPC卡操作；
天线输出驱动器的电导率GsCfgCW数值调整范围为d1、d2…dt，其中7≥t≥4；
当装置读写CPC卡不成功时，继续调整天线输出驱动器的电导率GsCfgCW，直至天线输出驱动器的电导率GsCfgCW的可选数值选完后，返回步骤C1。
4.根据权利要求1所述的高速公路通行卡的读卡识别装置，其特征在于：所述CPC卡读写天线包括天线线圈和天线匹配电路，所述天线线圈包括串联连接设置的带有线圈的电感Lant和电阻Rant、与电感Lant和电阻Rant并联连接的电容Cant；所述天线匹配电路包括与同轴电缆依次连接的电容Cs和电阻Rext、连接在电容Cs和电阻Rext之间且与电感Lant一端连接的电容Cp，所述电阻Rext与电阻Rant的一端连接。
5.根据权利要求1所述的高速公路通行卡的读卡识别装置，其特征在于：所述大尺寸低频磁场CPC读卡天线的线圈满足的参数条件为：一个方向尺寸变宽不小于0.4m、线圈宽度不小于5mm、线圈匝数为1、线圈与高速公路通行卡读写距离设置不大于4mm。
6.根据权利要求1所述的高速公路通行卡的读卡识别装置，其特征在于：所述阻抗匹配电路包括与信号源内阻S1连接由电感L0、电容C0、电容C1a和电容C1b构成的T型低通滤波器、与接收解码器连接由电阻R1、电阻R2、电容C3和电容C4组成的接收电路。
7.根据权利要求1所述的高速公路通行卡的读卡识别装置，其特征在于：所述天线输出驱动器的电导率GsCfgCW、接收解码器的输入最小信号强度阈值MinLevel、接收解码器可接收最小信号强度的阈值CollLevel和接收器信号电压增益值Gain的默认值则为各自调整范围的最大值。
8.根据权利要求2或3所述的高速公路通行卡的读卡识别装置，其特征在于所述天线输出驱动器的电导率GsCfgCW、接收解码器的输入最小信号强度阈值MinLevel、接收解码器可接收最小信号强度的阈值CollLevel的数值调整范围选取原则：
将各自的选取数量变为m+1或t+1；
选择各自调整范围内m+1或t+1等分值；
除去等分值最大值后形成各自数值调整范围。
9.一种投卡式自助缴费机，其特征在于：包括如权利要求1-8任意一项的高速公路通行卡的读卡识别装置。
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