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    引言

    公路是經濟發展的血脈，而高速公路可稱得上是其中的動脈血管。高速公路的通暢與否直接關系到國民經濟能否健康快速的發展。隨著經濟的快速發展，車輛的數量大副攀升，因此對高速公路的要求也不斷的提高，傳統的高速公路計費管理系統的問題也充分地暴露了出來，特別是主要干線公路交通擁擠、行車緩慢等問題越來越突出。目前在我國大多數高速公路的道路收費仍處于純人工收費的半原始狀態，效率低，需要大量人力，收費站的建成和運營成本就消耗了相當一部分資金，而且大量收費站車輛交費需要完全停止。在交通高峰時期，收費站成為高速公路的“瓶頸”，這些突出問題已造成高速公路不“高速”。同時車輛的頻繁剎車、啟動也造成了能源浪費和環境污染，同時也加快了車輛部件的磨損，帶來交通隱患。因此我們針對目前我國的實際情況設計了基于AVR單片機的高速公路收費管理系統，通過模擬運行，該系統能大大提高收費站的工作效率，節省人力、財力，同時也減輕了司機因頻繁剎車、啟動剎車交費帶來的不便及車輛不必要的消耗及磨損。

    1 系統的硬件設計

    1．1 ATmegal28簡介

    ATmegal28是AVR RISC結構的8位低功耗CUriOS微處理器。由于其先進的指令以及單周期指令執行時間，ATmegal28的數據吞吐率高達1MIPS／MHz，從而可以減緩系統在功耗和處理速度之間的矛盾。其具有128k字節的系統可編程flash，4k字節的EEPROM，4k字節的sRAM，53個通用I／O線，32個通用工作寄存器，實時時鐘RTc，4個靈活的具有比較模式和PWM功能的定時器／計數器，兩個USART，面向字節的兩線接口TWI，8通道10位ADC，具有片內振蕩器的可編程看門狗定時器，SPI串行端口以及六種可通過軟件選擇的省電模式等特點。

    1．2系統硬件

    系統由電源模塊、IC卡讀寫識別模塊、驅動顯示模塊、控制桿執行模塊和上位機通訊模塊等組成。電源模塊為整個系統提供電源支持，通訊模塊負責和上位機進行通訊，傳遞重要的數據，IC卡讀寫模塊用于建立與非接觸式lc卡的物理連接通路，完成與IC卡的通訊，從卡上讀取數據并將處理完的數據重新寫入IC卡，執行模塊用來執行上位機的各種指令，包括放行控制等功能。驅動顯示模塊是系統與用戶交流的紐帶，它一方面提示用戶進行相應的操作，另一方面對車輛是否放行給出顯示。系統總體框圖如圖1所示。 

    汽車進入自動收費車道時，當持有效的IC卡在BDXIC--2讀寫卡識別模塊識別范圍內時，讀寫卡模塊讀有效IC卡，并把讀的信號送入ATmegal28單片機中，單片機將信息進行處理同時和上位機進行通訊，并在上位機后臺數據庫中對lc卡上的費用進行減操作，同時修改該卡ID所對應數據庫信息，完成上述操作后．單片機給繼電器控制信號，控制直流電動機抬起控制桿，并顯示放行指示信號，車輛可快速通過。

    1．3讀寫卡和通訊模塊

    非接觸式IC卡，又名射頻卡或感應卡，是世界上近幾年發展起來的一項新技術，它成功地將射頻識別技術和IC技術結合起來，解決了IC卡無源和免接觸這一難題，是電子器件領域的一大突破。本設計中采用北斗星數碼公司開發的BDX—IC--2非接觸IC卡讀寫模塊，該模塊具有體積小，外接電路簡單，通常情況下僅需在ANTEl和ANTE2兩管腳接一個1．45mH的電感天線，其發射頻率約為125kHz士2％，讀寫距離最大為80mm，屬于串行異步通訊模式，波特率為4800 bit／s，RXD和TXD兩管腳分別接ATmegal28第一個USART的PD2和PD3兩管腳。同時BDXIC一2模塊的TCON和GND兩管腳接地即可。

    在通訊模塊中選擇電壓型串口通訊MAX232芯片，接線上MAX232的T1IN(TDXl)和R10UT(RXDl)兩管腳分別接ATmegal28第二個USART的PEl和PE0兩管腳，R1IN和T10UT管腳等組成與上位機的串口通訊端子。1．4驅動及顯示模塊本模塊包括兩部分：LED顯示和控制桿操作兩部分。由于LED點陣不僅可以顯示數字而且還可以顯示箭頭、符號等特殊字符。同時也因為控制簡單方便，比起LED數碼管和液晶有著特殊的優點，因此，選用兩個8×8LED高亮點陣作為顯示指示信號，在驅動LED點陣上選擇3個74HC245，其中兩個作為列控制，一個作為行控制。

    接線上ATmegal28的PA口(PA0至PA7)，PC口(PC0至PC7)和PF口(PF0至PF7)依次接3個74HC245的B口(B1至B8)，為了控制方便，74HC245的DIR管腳直接接地，即信號流從74HC245的B口流向A口。 

    在控制桿執行操作上選用如圖2所示的信號放大控制電路。控制桿執行電路由普通的晶體管和兩個AGY23299型固態繼電器組成，它們共同完成帶有減速器的直流電動機A的正、反轉控制。正常情況下，控制桿放下并顯示紅燈z信號。當有車持有效lC卡通過時，完成自動交費后顯示綠燈箭頭標志放行。由于在目前情況下最有效的收費方式應為IC卡預付費方式，若持有無效IC卡或卡上余額不足時，則汽車可通過收費站的輔道進入人工收費口進行交費。 

    2 系統的軟件設計

    軟件基于數據庫技術并采用VB編寫界面，其管理界面如圖3所示。 

    同時該軟件也以網絡連接為基礎實現收費站的統一管理。各收費站將采集到的ID號及各種信息在中央主機中查找中央數據庫，完成操作后返回信息供各收費站PC機作放行及扣費依據。各收費站PC機處理完成后再次將信息發到中央主機，完成對該ID對應的數據庫信息的修改，從而完成整個收費過程，其收費流程如圖4所示。 

    3 系統安全性的保障措施

    系統實現了最基本的IC卡收費，但這樣的系統并不是一個完全安全實用的系統。因為涉及到資金的安全，勢必需要更多的手段和措施來保障系統的資金安全和運行穩定，這里我們給出了以下3種安全性措施。

    (1)IC卡加密：首先IC卡上并不直接存儲用戶的存款余額，而只是存儲用戶的ID號，用戶的存款余額是存儲在中心數據庫中的。這樣便做到了重要信息的物理隔離。其次，用戶所使用的IC卡是經過加密的，使用了64位的二進制密碼來保證存取的安全性。

    (2)數據庫技術：通過數據庫技術，實現了對用戶重要信息如：車牌號、ID號、存款余額、車型等重要信息的有效保護。除了系統管理員以外，一般收費人員及用戶是無法直接接觸這些數據的，這樣極大地提高了IC卡收費系統的資金及運行安全性。

    (3)安全校驗碼：為防止在高速公路的行駛過程中，不同車輛司機互換、收費人員人為作弊及使用偽造的IC卡，我們在收費系統中引入了安全校驗碼的概念。其原理為：在司機進入高速公路入口刷卡時，由系統隨機生成一個隨機碼，并將其寫入IC卡和數據庫，這一隨機碼是計算機內部自動生成的，是對所用人保密的。當車輛駛離高速公路再次刷卡時，系統要檢查這一安全校驗碼是否與入口時一致，是否與車牌號相對應，若不符，馬上報警并扣留該車輛。這一措施在很大程度上杜絕了司機、收費人員、不法分子的作弊企圖，有效地提高了系統的安全性。

    4 結束語

    無論從交通工程還是從智能運輸系統的角度看，先進的高速公路收費系統對于我國公路運營和公路通行服務都起著非常重要的作用。隨著高速公路事業的迅速發展，電子收費技術會逐步在我國應用和完善。本文把非接觸式IC卡技術和單片機技術相結合，依托網絡信息服務技術，設計了一套電子收費系統，為解決我國高速公路目前的收費狀況提供了有益參考。

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