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计算机技术课程设计-高速公路 ETC 系统设计

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计算机技术课程设计-高速公路 ETC 系统设计

计算机控制技术课程设计报告项目 名称高速公路 ETC 系统设计项 目 完 成 人专业班级 目录第一章 绪论11.1 设计背景11.2 设计目的和意义11.3 国内外技术现状及发展21.3.1 国内 ETC 技术现状及发展21.3.2 国外 ETC 技术现状及发展2第二章 ETC 系统的总体设计32.1 测控对象简介32.1.1 结构32.1.2 测控要求32.2 系统整体结构及工作原理42.2.1 结构框图42.2.2 工作原理42.2.3 各主要部件作用4第三章 硬件系统设计53.1 上位计算机选型53.2 控制器选型53.3 输入、输出装置53.3.1 数据采集卡选型与配置53.4 传感器选型与电路设计7第四章 系统软件设计84.1 总体设计84.1.1 软件功能需求分析84.1.2 软件架构84.1.3 开发工具简介84.2 软件功能模块设计94.2.1 主程序设计94.2.2 开关量输入程序设计114.2.3 开关量输出程序设计11第五章 设计总结125.1 系统总结125.2 设计过程总结12参考文献13第一章 绪论1.1 设计背景回顾与高速公路建设 20 年相伴的收费系统的建设与发展历程,从收费制式、收费方式、通行券等方面都经历了发展和变革,就收费方式来说,就可分为人工收费方式、人工半自动收费方式和电子 不停 车收 费方 式, 根 据需 要也 可以 对货 车 施行 计重 收费 方 式。 联网 电子 不停 车 收费(Electronic Toll Collection,ETC)作为最先进的收费技术办法。从闪亮登场并不断升级到全线铺开,这个过程中的每个发展阶段都取得了不少经验和成果,这些收获无不凝结着许多部门众多同仁们的心血,是行业集体智慧的结晶。图 1-1 为 ETC 自动收费系统。图 1-1 ETC 自动收费1.2 设计目的和意义ETC 收费系统是智能交通系统中的一个重要领域和应用环节。通过安装在车辆挡风玻璃上的车载电子标签与收费站 ETC 车道上的微波天线之间的微波专用短程通信,利用计算机联网技术与银行系统进行后台结算处理,从而达到车辆通过路桥收费站不需要停车便能完成路桥通行费交纳的目的。实 施不停车收费,可以允许车辆高速通过,故可大大提高公路的通行能力;公路收费走向电子化,可降低收费管理的成本,有利于提高车辆的营运效益;同时也可以大大降低收费口的噪声水平和废气排放。由于通行能力得到大幅度的提高,因此可以缩小收费站的规模,节约基建费用和管理费用。另外,不停车收费系统对于城市来说,不仅仅是一项先进的收费技术,它还是一种通过经济杠杆进行交通流调节的切实有效的交通管理手段。对于交通繁忙的大桥、隧道,不停车收费系统可以避免10月票制度和人工收费的众多弱点,有效提高这些市政设施的资金回收能力。1.3 国内外技术现状及发展1.3.1 国内 ETC 技术现状及发展随着国家标准 GB/T20851电子收费专用短程通信在 2007 年 3 月 17 日的正式发布和交通部门的大力宣贯的推广。中国 ETC 发展的标准之争终于告一段落。在这之前的欧洲标准,日本标准和国标之争,915M 产品,2.4G 产品和 5.8G 产品之争终于尘埃落地。中国选择了自己的国标,选择了5.8G。标准既已确立,国内的 ETC 产业和应用也蓬勃发展。我国自 2015 年 9 月 28 日实现电子不停车收费系统(ETC)全国联网,一年来经济社会效益显著。目前全国通过收费站的车辆,每 4 辆中至少有 1 辆用的是 ETC。我国 ETC 联网系统也是目前全球里程最长、站点最多、客户规模和交易增长最迅速的高速公路智能化收费系统。1.3.2 国外 ETC 技术现状及发展在美国,电子不停车收费方式已经成为美国回收公路投资和养护费用的高效率手段,最著名的联网运行电子不停车收费系统是 E-zPass 系统。从 E-zPass 系统开通起,ETC 的交易量持续增长。E-zPass系统采用了专用车道、混合车道两种模式,都有收费员值班。葡萄牙的 Viavarde 电子收费系统可以算作欧洲具有代表意义的联网电子收费系统之一,收费系统采用封闭式和开放式相结合的模式。事实已证明,Viavarde 电子收费系统是既有利于道路使用者又有利于道路运营商的有效收费手段。该 ETC 车道的显著特点是没有自动栏杆,车辆能以不低于80km/h 的速度通行。如果没有 ViaVarde 系统,运营公司将不得不多修建 2000 多条人工收费车道以解决收费拥堵问题。日本采取的是接触式 CPU 卡加两片式电子标签和双 ETC 天线的方案,车道设双向打开的高速栏杆,无人职守,具有很高的安全性和车道通行能力有完善的密钥扩散机制和电子标签发行流通体系, 但车道系统投资和电子标签成本都很高。国外 ETC 系统运行都很成功,具有一定特色。以车道部分为例,有专用车道、混合车道两种模式,有收费员值班管理和无人值班管理两种模式,有设高速栏杆和不设栏杆两种模式,有低速通行模式和高速通行模式。从违章逃费行为的处理看,有现场处理和图像抓拍事后处理两种模式。第二章 ETC 系统的总体设计2.1 测控对象简介2.1.1 结构ETC 系统主要由车辆自动识别系统、中心管理系统和辅助设施三大部分组成。如图 2-1 所示。车辆自动识别系统有电子标签(IC 卡)、读写天线、车辆检测压电电缆等组成。电子标签中存有车辆的识别信息,一般安装于车辆前面的挡风玻璃上,读写天线安装于收费站旁边,压电电缆安装于车道地面下。中心管理系统计算机有大型的数据库,存储大量注册车辆和用户的信息;并利用计算机联网技术与银行服务器进行后台结算处理。辅助设施包括抓拍摄像机、自动栏杆机、通行信号灯、声光报警器和费额显示器等。图 2-1 ETC 系统结构2.1.2 测控要求(1)检测电路要求车辆行驶至 ETC 车道,通过读写天线(RSU)与电子标签(OBU)的信息交换,检测车辆的固有信息。(2)分析与判断RSU 与 OBU 进行信息交换后,判别车辆是否有效,如有效则进行交易,计算机收费管理软件从该车的预付款项账户中扣除此次应交的过路费。若车辆无效则报警,栏杆不抬升,封闭车道,直到车辆离开压电电缆。(3)显示模块包括信号灯与费额显示器的显示。信号灯对车辆的是否有效进行反应,车可通过信号灯变绿, 车辆无效,信号灯仍为红灯。费额显示器则显示车辆的固有信息与费用余额。(4)输出控制通过控制器将抓拍摄像机、自动栏杆机、通行信号灯、声光报警器结合在一起,对车辆的通行做出反应。2.2 系统整体结构及工作原理2.2.1 结构框图如图 2-2 所示,控制系统通过上述信号识别与转换,对车辆的实时监控与检测,实现车辆的通行与费用的自动扣除,保证高效快捷的通道,大大提高公路的通行能力。图 2-2 ETC 系统组成框图2.2.2 工作原理不停车收费系统通过路边车道设备控制系统的信号发射与接收装置(称为路边读写天线,简称RSU),识别车辆上设备(称为电子标签(车载器),简称 OBU)内特有编码,判别车型,计算通行费用,并自动从车辆用户的专用帐户中扣除通行费。2.2.3 各主要部件作用(1)车辆进入 ETC 车道,压上抬杆压电电缆,车辆进入通信范围,抓拍摄像机拍摄车辆和号牌。(2)安装在车辆挡风玻璃上的车载电子标签(IC 卡)与安装在 ETC 车道边的读写天线进行无线通信和信息交换,并将信息传送给管理计算机,计算机读取 IC 卡中存放的有关车辆的固有信息(如ID 号、车型、车主、车牌号等),判别车辆是否有效,如有效则进行交易,计算机收费管理软件从该车的预付款项账户中扣除此次应交的过路费。若车辆无效则报警,栏杆不抬升,封闭车道,直到车辆离开压电电缆。(3)如交易完成,管理计算机发送指令控制自动栏杆机抬升栏杆,通行信号灯变绿,费额显示 器上显示交易金额。(4)车辆通过落杆压电电缆后,计算机发送指令控制栏杆回落,通行信号灯变红,系统等待下 一辆车进入。第三章 硬件系统设计3.1 上位计算机选型上位机是指可以直接发出操控命令的计算机,一般是 PC,屏幕用于显示音频信号变化。上位机发出的命令首先给下位机,下位机再根据此命令解释成相应时序信号直接控制相应设备。合适的上位机可以提高程序运行的效率以达到最佳效果。本系统中,上位计算机型选择 ThinkCentre E74Y,下面对其配置进行简单介绍。最高搭载全新第六代智能英特尔酷睿 i7 处理器-6700,性能卓越;选用 512GB 固态硬盘,容量足够大,能够迅速响应,答复增强系统速度;DDR4 全新一代内存芯片,贷款频率提升至 2133MHz,提供更流畅的运行体验;显卡配备为 AMD Radeon R9 Series Graphics 独立显卡,支持 4K 输出、3D MARD11 跑分高达 6500 分;最大支持 32GB DDR4 内存,有效提升系统性能;具备 4 个 USB 3.0 接口。3.2 控制器选型STM32F 是 ST 公司的一种微控制器系列的总称,STM32F 系列的 32 位微控制器基于突破性的ARMCortex-M3 内核,这是一款专为嵌入式应用而开发的内核。STM32F 系列产品得益于在 Cortex-M3 架构上进行的多项改进,包括提升性能的同时又提高了代码密度的 Thumb-2 指令集,大幅度提高的中断响应,而且所有新功能都同时具有业界最优的功耗水平。目前这个系列中已经包含了多个子系列,分别是 STM32 小容量产品、STM32 中容量产品、STM32 大容量产品和 STM32 互联型产品;按照功能上的划分,又可分为 STM32F101xx、STM32F102xx 和 STM32F103xx 系列。基于 ARMv7 架构的Cortex-M3 处理器带有一个分级结构。它集成了名为 CM3Core 的中心处理器内核和先进的系统外设, 实现了内置的中断控制、存储器保护,以及系统的调试和跟踪功能。这些外设可进行高度配置,允许 Cortex-M3 处理器处理大范围的应用并更贴近系统的需求。目前 Cortex-M3 内核和集成部件已经进行了专门的设计,用于实现最小存储容量、减少管脚数目和降低功耗 24。本系统采用的微控制器是 STM32F103C8T6,工作频率为 72MHz,内置高速存储器(高达 128K 字节的闪存和 20K 字节的 SRAM),丰富的增强 I/O 端口和连接到两条 APB 总线的外设包含 2 个 12 位的 ADC、3 个通用 16 位定时器和 1 个 PWM 定时器,还包含标准和先进的通信接口:多达 2 个 l2C 接口和 SPI 接口、3 个 USART 接口、一个 USB 接口和一个 CAN 接口。3.3 输入、输出装置3.3.1 数据采集卡选型与配置基于 PC 总线的板卡种类很多,其分类方法也有很多种。按照板卡处理信号的不同可以分为模拟量输入板卡(A/D 卡)、模拟量输出板卡(D/A 卡)、开关量输入板卡、开关量输出板卡、脉冲量输入板卡、多功能板卡等。其中多功能板卡可以集成多个功能,如数字量输入/输出板卡将模拟量输入和数字量输入/输出集成在同一张卡上。根据总线的不同,可分为 PXI/CPC

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