1. 引 言 

新疆地區(qū)石油資源豐富，石油資源分布廣泛，油井與集中存儲區(qū)域距離很遠(yuǎn)，因此需要油罐車將各地開采的石油運(yùn)輸?shù)郊械拇鎯^(qū)，然后再通過管道輸送到內(nèi)地。在石油運(yùn)輸?shù)倪^程中，由于當(dāng)?shù)氐貜V人稀，人民生活不富裕，因此養(yǎng)成了靠油吃油的傳統(tǒng)，盜油現(xiàn)象十分普遍，運(yùn)輸車隊(duì)因此損失巨大?；谶@種情況，車隊(duì)希望能夠開發(fā)一種監(jiān)控裝置，可以控制油罐車的每日裝卸油次數(shù)、在非規(guī)定區(qū)域不得卸油等。 

2. 電子鎖的方案設(shè)計(jì) 

基于上述考慮，本設(shè)計(jì)采用區(qū)域允許方案，即油罐車只有在進(jìn)入指定區(qū)域之后才被獲準(zhǔn)可以進(jìn)行裝/卸油操作，而在其他任何地域，均不可進(jìn)行這樣的操作，否則視為盜油。在此基礎(chǔ)上采用無線射頻技術(shù)，利用小區(qū)廣播的方式在裝/卸油區(qū)域內(nèi)發(fā)布電磁信號，當(dāng)油罐車進(jìn)入此區(qū)域以后，安裝在油罐上的監(jiān)控裝置會自動響應(yīng)控制臺的射頻信號并與主控制臺進(jìn)行身份驗(yàn)證、操作允許等動作，具體操作過程見第三章。并通過人工方式操縱閥門扳手打開出油口門。在數(shù)據(jù)上傳方面，由于存在多臺車并行出發(fā)以及數(shù)據(jù)操作實(shí)時性等要求，因此采用USB（Universal Serial Bus）通用串行總線接口將控制臺信息上傳到PC 終端，并通過一個應(yīng)用軟件來匯總信息，實(shí)現(xiàn)車輛信息管理。 

3. 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 

本設(shè)計(jì)的硬件包括了機(jī)械動作模塊、射頻天線模塊、控制器模塊和USB 接口模塊等四個部分[1]，如圖2 所示： 

當(dāng)油罐車進(jìn)入到儲油區(qū)時，安裝在出油閥門的射頻天線響應(yīng)由控制器發(fā)出的射頻信號，通過ShockBurstTM 方式建立連接，油罐車將存儲在內(nèi)部EEPROM 中的16 位ID 上傳到控制端，然后由控制器將此ID 通過USB 口傳輸至PC 機(jī)，上位機(jī)軟件計(jì)算出此ID 所對應(yīng)的車輛信息，如果正確則返回1，確認(rèn)車輛可以開啟閥門，此時控制器收到確認(rèn)信息后，控制直流電機(jī)正轉(zhuǎn)，將閥門鎖打開，閥門即可常規(guī)操作。 

3.1 機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 
機(jī)械部分的設(shè)計(jì)采用LR260 型直流電機(jī)，電壓范圍為DC1.2-12V，步進(jìn)電機(jī)采用20BYG型，工作于DC3.0-12V，全部的機(jī)械結(jié)構(gòu)簡圖如圖3 所示： 

機(jī)械動作過程為當(dāng)射頻天線4 接收到確認(rèn)信息后，3 控制電路3 響應(yīng)按鍵9 的中斷，開啟直流電機(jī)7 正轉(zhuǎn)，帶動齒輪11 正向轉(zhuǎn)動，拉動齒條6 向上提起，使鎖芯從閥門墊片8 中拔出，從而扳手1 可以轉(zhuǎn)動閥門。當(dāng)卸油完畢，按下關(guān)閉按鍵10，此時控制電路3 使直流電機(jī)1 反轉(zhuǎn)，將鎖芯6 插入閥門墊片8 中，鎖住扳手1。當(dāng)需要進(jìn)行修理或拆卸的時候，需要控制步進(jìn)電機(jī)2，使得鎖銷打開，從而可以將整個機(jī)構(gòu)拆下來。 

3.2 射頻天線設(shè)計(jì) 
RFID（Radio Frequency Identification）無線射頻技術(shù)，是80 年代起走向成熟的一項(xiàng)非接觸式自動識別技術(shù)，它利用射頻方式進(jìn)行非接觸式雙向通信，以達(dá)到自動識別并交換數(shù)據(jù)的目的[2]。它通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別工作無需人工干預(yù)。因此RFID 技術(shù)具有很多突出的優(yōu)點(diǎn)防水、防磁、耐高溫、無機(jī)械磨損、壽命長、讀取距離大、標(biāo)簽上數(shù)據(jù)可以加密、存儲數(shù)據(jù)容量更大、存儲信息更改自如等。 

本設(shè)計(jì)中的射頻天線模塊使用基于2.4GHz 超高頻的nRF2401 芯片，工作于2.4—2.5HzISM 頻段，采用ShockBurstTM 收發(fā)模式，它使nRF2401 能夠處理射頻協(xié)議，在配置完成后，在nRF2401 工作的過程中，只需改變其最第一個字節(jié)中的內(nèi)容，就可以實(shí)現(xiàn)接收模式和發(fā)送模式之間切換。其電源來自車載蓄電池[3]。 

由于電磁干擾對射頻天線起著決定性的影響，因此，在設(shè)計(jì)PCB 的過程中采用將高頻放大、混頻、解調(diào)、本振等部分分開，數(shù)字地與模擬地分離，盡量減小信號環(huán)路面積，并與相應(yīng)的濾波電路的地線就近相接，全PCB 版敷銅，在合適位置開過孔等方式，盡量減少電磁干擾[4]。 

3.3 閱讀及控制器設(shè)計(jì) 
閱讀器采用帶有EEPROM 的AT89S8252 單片機(jī)，采用地址、數(shù)據(jù)和控制三總線方式，串行方式讀取nRF2401 發(fā)送過來的16 位ID 信息，并將其存儲于EEPROM 中，然后通過ISP1581 采用USB2.0 的Bulk Only 方式上傳到PC 終端。 

對直流電機(jī)的控制包括正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和時間控制。由于動作距離短，因此對時間的要求比較嚴(yán)格，正/反轉(zhuǎn)一次的時間為1.2 秒，單片機(jī)的P2.0 引腳寫1 表示電機(jī)正轉(zhuǎn)1.2 秒，寫0表示反轉(zhuǎn)1.2 秒。步進(jìn)電機(jī)用于控制閥門扳手頭部的鎖銷，當(dāng)需要對裝置進(jìn)行修理、拆卸時，需要控制閱讀器向射頻天線寫8 位開啟密碼，然后通過與控制器中EEPROM 中的密碼相比對，正確步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，打開鎖銷。 

3.4 USB 接口 
USB 接口采用PHILIPS 公司生產(chǎn)的ISP1581 芯片，該芯片是不帶微處理器的專用USB接口芯片，完全符合USB 2.0 規(guī)范，并為基于微控制器或微處理器的系統(tǒng)提供了高速USB通信能力[5]。USB 接口與控制器設(shè)計(jì)為一塊電路板，這樣做的目的是減少系統(tǒng)故障可能以及降低成本，并且接口簡便，提高數(shù)據(jù)傳送速率。 

接口采用USB2.0 協(xié)議，采用Mass Storage 子類協(xié)議，用Bulk Only 傳輸方式。AT89S8252使用控制0 通道對ISP1581 進(jìn)行配置，配置的寄存器包括了需要預(yù)置初值的寄存器、數(shù)據(jù)流寄存器和常規(guī)寄存器。需要預(yù)置初值的寄存器有:地址寄存器、方式寄存器、中斷配置寄存器、中斷使能寄存器。數(shù)據(jù)流寄存器有:端點(diǎn)MaxPacketSize 寄存器、端點(diǎn)索引寄存器、控制功能寄存器、端點(diǎn)類型寄存器、短包等。定義的常規(guī)寄存器有:幀數(shù)目寄存器、測試方式寄存器等[6]。 

4. 軟件開發(fā) 

整個的軟件包括下位機(jī)和上位機(jī)兩部分，包括了射頻收發(fā)、電機(jī)控制、USB 接口、WDM驅(qū)動和應(yīng)用程序等，其中射頻收發(fā)、電機(jī)控制、USB 接口控制屬于下位機(jī)模塊，其流程圖如圖4 所示： 

下位機(jī)的主要功能是確保正確的ID 被發(fā)送并保證在接收確認(rèn)信息后可以正確操作直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。上位機(jī)包括了射頻收發(fā)、USB 接口、WDM 驅(qū)動和應(yīng)用程序，其中射頻收發(fā)和USB 接口程序處于閱讀器上，用于上位機(jī)前端，全部程序包括Mainloop.c、Init_system.c、Usb.h、Charp9.c、Isr_RFID.c、Isr_USB.c、AT89S52.h、nRF 2401.h、ISP1581.h 等，其中Isr_RFID.c負(fù)責(zé)處理射頻收發(fā)，而Isr_USB.c 負(fù)責(zé)處理USB 接口數(shù)據(jù)傳輸[6-7]。主程序流程圖如圖5 所示： 

USB 的驅(qū)動程序采用典型的WDM（Windows Driver Model）Windows 驅(qū)動程序模型結(jié)構(gòu)[8]，在VC 環(huán)境下使用DriverStudio2.9 開發(fā)，其功能是正確采用Mass Storage 協(xié)議配置USB接口芯片ISP1581，提供USB 接口硬件和應(yīng)用程序之間的橋梁。應(yīng)用程序采用VB 語言開發(fā)，采用ADODC 控件和DATAGRID 控件與ACCESS 數(shù)據(jù)庫連接[9]，管理大約600 臺油罐車的ID、駕駛員信息、進(jìn)出儲油區(qū)的時間和次數(shù)等信息。 

5. 系統(tǒng)試驗(yàn)和測試 

系統(tǒng)于2007 年初開發(fā)完畢，送往新疆地區(qū)實(shí)地測試，測試的內(nèi)容包括通信距離、溫度對系統(tǒng)的影響、車輛顛簸對系統(tǒng)的影響、污染的影響等幾項(xiàng)。nRF2401 的理論通信距離為200 米，但是在包括電磁干擾、功率影響等干擾下，其實(shí)際測試的距離大概為150 米，即在150 米以后有丟失數(shù)據(jù)的現(xiàn)象，但是在100 米范圍內(nèi)完全可以做到不丟失數(shù)據(jù)，而一個油罐的范圍為89 米，因此可以保證數(shù)據(jù)完成和準(zhǔn)確。由于新疆地區(qū)晝夜溫差大，因此進(jìn)行了晚間的試驗(yàn)，結(jié)果表明在零下30○C 的環(huán)境下可以正常工作。污染的影響，用石油將出油口的監(jiān)控裝置糊住，然后再50 米處和150 米處測試其性能，試驗(yàn)表明完全不受影響。 最后是顛簸試驗(yàn)，由于整個測試過程中油罐車一直在工作，因此經(jīng)受住了大概一個星期的考驗(yàn)，結(jié)果表明其能夠承受新疆地區(qū)復(fù)雜的路況和天氣情況。 

6. 總結(jié) 

整個設(shè)計(jì)于2006 年10 月份開始，到2007 年2 月開發(fā)完畢。系統(tǒng)采用了目前比較流行的兩種技術(shù)，即無線射頻技術(shù)和USB 技術(shù)，用C 語言開發(fā)了全部的固件程序，用基于VC的DriverStudio2.9 開發(fā)了USB 的WDM 驅(qū)動程序，使用VB 語言開發(fā)了基于ACCESS 數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用程序，經(jīng)驗(yàn)證表明系統(tǒng)可以可靠的運(yùn)行。 

參考文獻(xiàn) 
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