喬志龍，張軍強(qiáng)

（北方工業(yè)大學(xué) 城市道路交通智能控制技術(shù)北京市重點實驗室，北京100041）

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展, 城市交通問題成為社會日益關(guān)注的焦點。 交通信號燈是保證公路和道路交通暢通和安全的基礎(chǔ)。在此背景下，對交通燈工作狀態(tài)的實時監(jiān)控提出了更高的要求。 傳統(tǒng)的交通燈故障檢測仍停留在定期指定人員巡檢的方式，因此檢測周期長、信息反饋速度慢，檢測成本高?，F(xiàn)階段交通燈狀態(tài)檢測主要有互感檢測、分壓檢測、升壓檢測、光反饋檢測等。分壓檢測是在被測回路中串接分壓元件，通過檢測分壓元件上有無電壓， 判斷被測回路有無電流。 具有電路簡單、成本低、可靠性高的優(yōu)勢，但功耗較大，不利于野外高溫下工作。

升壓檢測是在被測回路中串接升壓變壓器， 通過檢測變壓器次級電壓，判斷回路有無電流。 相比分壓檢測，其功耗大為降低，但是變壓器體積較大，影響線路的排布密度。 光反饋檢測根據(jù)信號燈的亮、滅狀態(tài)來判斷信號燈當(dāng)前的運(yùn)行情況，有效的克服傳統(tǒng)檢測方案由于外電路漏電等問題引起的誤判現(xiàn)象，還可避免電磁干擾，但是易受環(huán)境干擾[1]?；ジ袡z測在抗干擾、 高精度交通信號燈狀態(tài)檢測具有其他檢測方法無法比擬的優(yōu)勢。針對現(xiàn)實中對信號燈狀態(tài)監(jiān)測需要高精度、抗干擾的要求，本文從軟硬件協(xié)同策略對驅(qū)動回路信號進(jìn)行處理，完成了8 路信號燈狀態(tài)監(jiān)測，提高了系統(tǒng)抗干擾性。

1 系統(tǒng)設(shè)計原理

電流互感器依據(jù)電磁感應(yīng)原理，將信號燈驅(qū)動回路的電流按一定變比轉(zhuǎn)化為數(shù)值較小的二次電流， 利用高精度采樣電阻對二次電流采樣后， 通過有源整流電路對采樣電壓進(jìn)行整流、放大后，送到微處理器集成的ADC 進(jìn)行信號處理，便可測出當(dāng)前信號燈驅(qū)動回路電流數(shù)值。 利用光耦合器的隔離特性間接對信號燈驅(qū)動回路電壓進(jìn)行檢測， 從而精確的判斷信號燈當(dāng)前的工作狀態(tài)。 設(shè)計采用分時選通方法對多路通道進(jìn)行切換，有效的保證了多通道之間的切換速率。 同時，為了提高信號燈狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的魯棒性， 在采樣數(shù)據(jù)處理中采用中位值濾波算法，提高了數(shù)據(jù)的容錯能力[7]。為提高ADC 的轉(zhuǎn)換精度，利用自校正算法對增益誤差和失調(diào)誤差進(jìn)行補(bǔ)償，提高了ADC 轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確度。 通信電路采用RS-485 通訊協(xié)議，完成檢測器與主控制器之間的通信，有較高的穩(wěn)定性和可靠性。保證了系統(tǒng)低成本、高精度的完成多路信號燈的狀態(tài)監(jiān)測。

2 硬件設(shè)計

2.1 主體構(gòu)成

本系統(tǒng)采用低功耗MSP430F149 微處理器完成多路信號燈驅(qū)動回路的狀態(tài)監(jiān)測。系統(tǒng)主要有檢測電路、信號調(diào)理電路、顯示電路、數(shù)據(jù)存儲電路及通信電路構(gòu)成。 主體框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Overall diagram system

2.2 電流檢測電路

電流檢測電路采用ZMCT103C 交流互感器， 變比為1000:1，額定輸入電流為5 A，額定輸出電流為5 mA。 信號調(diào)理電路的集成運(yùn)放采用LM358， 內(nèi)部包括兩個獨(dú)立的高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器，并采用雙電源供電，以增大線性動態(tài)范圍。信號調(diào)理電路由兩級運(yùn)放構(gòu)成，采用反相輸入方式，放大倍數(shù)為50 倍，既能滿足測量要求，又可有效的避免高頻噪聲[2]。 對有源整流電路輸出的信號進(jìn)行檢波處理后，通過調(diào)整各參數(shù)，便可得到較好的直流信號。為消除電源內(nèi)阻引起的低頻自激振蕩，在正負(fù)電源與地之間分別加0.01uF 的電容濾波。 電流檢測電路如圖2 所示。

2.3 電壓檢測電路

圖2 電流檢測電路圖Fig. 2 Current detection circuit

電壓檢測電路原理是將光電耦合器并聯(lián)在信號燈驅(qū)動回路中，在交流信號的正半周，使光耦開關(guān)導(dǎo)通，通過檢測光電耦合器二次側(cè)的電平狀態(tài)來判斷信號燈電壓的有無， 同時也起到強(qiáng)、弱電線路隔離的作用，附加的信號指示燈可實時顯示檢測電路的工作狀態(tài)，該電路具有簡單可靠的優(yōu)點。電壓檢測電路如圖3 所示。

圖3 電壓檢測電路圖Fig. 3 Current detection circuit

2.4 顯示與鍵控電路

顯示部分可以通過RS-485 通信在位機(jī)上實時監(jiān)控，由于MSP4310F149 具有豐富的接口資源， 因此設(shè)計時預(yù)留了LCD 液晶屏的接口。 可通過按鍵控制，在LCD 液晶屏上顯示信號燈每一驅(qū)動回路的狀態(tài)信息，方便日后維護(hù)。

2.5 通訊及信息存儲

RS-485 電路采用MAX3485 芯片，芯片內(nèi)部集成了一個驅(qū)動器和一個接收器，符合RS-485 的通信標(biāo)準(zhǔn)，且性能和特點均滿足本設(shè)計的需要。該信號燈狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)采用RS-485總線通信方式完成數(shù)據(jù)通信， 實用于實際路口交通信號機(jī)與多個狀態(tài)檢測系統(tǒng)組網(wǎng)連接[3]。 通過EEPROM 芯片AT24C16存儲信號燈驅(qū)動回路電壓、 電流的狀態(tài)信息， 供后期數(shù)據(jù)分析。通信電路采用RS-485 自動收發(fā)模式，電路原理圖參考資料較多，此處不再詳述。

2.6 報警電路

當(dāng)信號燈驅(qū)動回路電流超過設(shè)定的閾值時， 都會使信號燈出現(xiàn)異常。 通過安裝在信號機(jī)箱內(nèi)的報警器， 發(fā)出警報信號，提醒路人安全通行。 同時將警報信息通過RS-485 總線傳送到中央服務(wù)器，這樣便可以在發(fā)生故障最短的時間內(nèi)，將故障信息上傳到控制中心。

3 軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)軟件構(gòu)成

系統(tǒng)軟件采用模塊化分層設(shè)計， 包括主控模塊、 檢測模塊、顯示模塊、報警模塊和數(shù)據(jù)通信模塊構(gòu)成，從而與硬件電路協(xié)同完成對多路信號燈驅(qū)動回路各參數(shù)狀態(tài)監(jiān)測。 在多通道之間相互切換時，采用分時選通方式，保證了與主控制器更好的進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。對采樣數(shù)據(jù)采用中位值平均濾波處理，并采用自校正算法對增益誤差和失調(diào)誤差進(jìn)行補(bǔ)償， 提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確度[4]。 系統(tǒng)軟件主體流程圖如圖4 所示。

圖4 軟件設(shè)計流程圖Fig. 4 Software design process

3.2 魯棒性設(shè)計

在實際應(yīng)用中，集成運(yùn)放容易受到環(huán)境影響產(chǎn)生溫漂，信號經(jīng)放大后會產(chǎn)生嚴(yán)重的失真， 故本系統(tǒng)采用LM358 集成運(yùn)放，它具有較好的溫度系數(shù)，可有效的提高系統(tǒng)的抗干擾性[5]。雖然LM35 集成運(yùn)放最大限度的提高了系統(tǒng)的檢測精度，但是其本身的硬件上所產(chǎn)生的增益誤差和偏置誤差是不可避免的，為了克服硬件上的不足，本系統(tǒng)采用自校正算法對兩種誤差進(jìn)行補(bǔ)償,極大限度的彌補(bǔ)了集成運(yùn)放自身的缺陷。 在校正的時候， 首先選用ADC 的任意兩個通道作為參考輸入通道，并分別輸入已知的直流參考電壓， 通過讀取相應(yīng)的結(jié)果寄存器獲取轉(zhuǎn)換值，利用兩組輸出值便可求得ADC 模塊得校正增益和校正偏置， 然后利用這兩個值對其他通道轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償。 同時，AD 采樣數(shù)據(jù)波動也會對采樣精度造成影響，為提高檢測精度，對采樣數(shù)據(jù)采用中位值平均濾波算法。該算法融合了中位值濾波法和算術(shù)平均濾波法的優(yōu)點， 可消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差。 系統(tǒng)在20 ms 內(nèi)， 連續(xù)采樣20 個數(shù)據(jù)，去除最大值和最小值，然后計算18 個數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值，經(jīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后，獲得實際電壓值。經(jīng)實際測試，檢測精度可達(dá)0.5%以上，實現(xiàn)了對信號燈驅(qū)動回路電流狀態(tài)的實時監(jiān)測。 采樣數(shù)據(jù)處理流程圖如圖5 所示。

圖5 采樣數(shù)據(jù)處理流程圖Fig. 5 Sample data processing process

3.3 報警設(shè)計

本系統(tǒng)在信號燈驅(qū)動回路電壓異?；螂娏鳟惓６紩|發(fā)報警裝置，針對不同的故障狀態(tài)，會發(fā)出相應(yīng)警報信息，并將信息傳送到中央服務(wù)器。且具有獨(dú)立的供電電源，當(dāng)信號機(jī)供電部分出現(xiàn)故障時，也不會影響該系統(tǒng)的正常運(yùn)行。利用該系統(tǒng)對交通信號燈故障進(jìn)行監(jiān)控， 既不影響現(xiàn)有信號燈驅(qū)動控制回路，又可以獨(dú)立完成報警功能，實現(xiàn)了在信號燈故障狀態(tài)時，保證行人安全通行。

4 測試結(jié)果分析

MSP430F149 單片機(jī)內(nèi)置8 路12 位的ADC 模塊[6]，本設(shè)計中，采樣的基準(zhǔn)電壓為3.3 V，檢測精度可達(dá)10 mV，足以滿足該檢測系統(tǒng)的要求。 由于信號燈驅(qū)動回路的電流為50 Hz交流電，經(jīng)整形后接近平滑直流電壓，但還存在輕微脈動，單純依靠硬件電路不能滿足期望目標(biāo)。 故本系統(tǒng)采用軟硬件協(xié)同的策略， 利用正弦波的特點，ADC 采樣和保持觸發(fā)源選用定時器觸發(fā)模式，每1 ms 觸發(fā)一次采樣和轉(zhuǎn)換，然后將20 次采樣結(jié)果利用中位值平均濾波算法處理，便可得精確電壓值，有效的解決了市電脈動對采樣值造成的干擾。實際測試時，將電線在互感器上繞兩圈，并通入不同電流值，通過串口助手可觀察采樣電壓值，經(jīng)多次采樣并與實際電壓值對比，線性度較好，檢測精度可達(dá)0.5%。 測試結(jié)果曲線如圖6 所示。

圖6 測試結(jié)果曲線圖Fig. 6 Test results curve

5 結(jié)論

文中提出了一種新的多路交通信號燈狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對交通燈驅(qū)動回路電壓、電流狀態(tài)的監(jiān)測，并將新的報警策略與該系統(tǒng)結(jié)合， 應(yīng)用于路口信號機(jī)， 可在信號機(jī)故障時，提示行人安全通行。 根據(jù)軟硬件協(xié)同策略，將中位值平均濾波算法和自校正算法應(yīng)用在ADC 采樣中，提高了系統(tǒng)檢測精度。經(jīng)實際測試證明，利用該系統(tǒng)對交通信號燈故障進(jìn)行檢測和監(jiān)控，能滿足實際情況的應(yīng)用需求。

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