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(chǔ)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?chǔ)區(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。基于這種情況，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。

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(hào)，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(huì)自動(dòng)響應(yīng)控制臺(tái)的射頻信號(hào)并與主控制臺(tái)進(jìn)行身份驗(yàn)證、操作允許等動(dòng)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(tái)車并行出發(fā)以及數(shù)據(jù)操作實(shí)時(shí)性等要求，因此采用USB（UniversalSerialBus）通用串行總線接口將控制臺(tái)信息上傳到PC終端，并通過一個(gè)應(yīng)用軟件來匯總信息，實(shí)現(xiàn)車輛信息管理。

硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    本設(shè)計(jì)的硬件包括了機(jī)械動(dòng)作模塊、射頻天線模塊、控制器模塊和USB接口模塊等四個(gè)部分[1]。

    當(dāng)油罐車進(jìn)入到儲(chǔ)油區(qū)時(shí)，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(hào)，通過ShockBurstTM方式建立連接，油罐車將存儲(chǔ)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(duì)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(shí)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。

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。

    機(jī)械動(dòng)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(dòng)齒輪11正向轉(zhuǎn)動(dòng)，拉動(dòng)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(dòng)閥門。當(dāng)卸油完畢，按下關(guān)閉按鍵10，此時(shí)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(shí)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(gè)機(jī)構(gòu)拆下來。

射頻天線設(shè)計(jì)
    RFID（RadioFrequencyIdentification）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(dòng)識(shí)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(dòng)識(shí)別并交換數(shù)據(jù)的目的[2]。它通過射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)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(zhǎng)、讀取距離大、標(biāo)簽上數(shù)據(jù)可以加密、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)容量更大、存儲(chǔ)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(gè)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(duì)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(hào)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]。 [nextpage]

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(chǔ)于EEPROM中，然后通過ISP1581采用USB2.0的BulkOnly方式上傳到PC終端。

    對(duì)直流電機(jī)的控制包括正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和時(shí)間控制。由于動(dòng)作距離短，因此對(duì)時(shí)間的要求比較嚴(yán)格，正/反轉(zhuǎn)一次的時(shí)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(duì)裝置進(jìn)行修理、拆卸時(shí)，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(duì)，正確步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，打開鎖銷。

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USB2.0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(jiǎn)便，提高數(shù)據(jù)傳送速率。

    接口采用USB2.0協(xié)議，采用MassStorage子類協(xié)議，用BulkOnly傳輸方式。AT89S8252使用控制0通道對(duì)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(cè)試方式寄存器等[6]。

軟件開發(fā)
    整個(gè)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(dòng)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。

    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(dòng)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、nRF2401.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]。

    USB的驅(qū)動(dòng)程序采用典型的WDM（WindowsDriverModel）Windows驅(qū)動(dòng)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MassStorage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(tái)油罐車的ID、駕駛員信息、進(jìn)出儲(chǔ)油區(qū)的時(shí)間和次數(shù)等信息。

系統(tǒng)試驗(yàn)和測(cè)試
    系統(tǒng)于2007年初開發(fā)完畢，送往新疆地區(qū)實(shí)地測(cè)試，測(cè)試的內(nèi)容包括通信距離、溫度對(duì)系統(tǒng)的影響、車輛顛簸對(duì)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(cè)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(gè)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(cè)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(gè)測(cè)試過程中油罐車一直在工作，因此經(jīng)受住了大概一個(gè)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。

總結(jié)
    整個(gè)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(dòng)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。