現(xiàn)場總線型交通倒計時器的設計

1引言

集中控制型的交通信號控制機的原理框圖如圖1所示。現(xiàn)場總線型交通控制系統(tǒng)原理框圖見圖2。

1.控制系統(tǒng)中的各節(jié)點均為智能的，各自具有很強的功能且可在主機不參與的情況下獨立工作，大大減輕了主機的工作量，主機節(jié)約的時間可用于控制策略的計算與生成、系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)的處理與管理、與中心計算機交換信息等高層任務等。而集中控制型交通信號控制器的主機工作時不停的忙于低層的工作，無暇顧及高層任務的處理，很難向干線協(xié)調(diào)控制、區(qū)域協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)等大型交通控制系統(tǒng)方面發(fā)展。

2.系統(tǒng)擴展和更新靈活方便，只需將智能節(jié)點掛在總線上，周期短，適應能力強。

3.現(xiàn)場總線型交通控制系統(tǒng)主機可通過兩條雙絞線或電力線或一根光纖組成網(wǎng)，與各節(jié)點聯(lián)接。因此系統(tǒng)布線少、工程費用低、施工簡單，工程維護費用低。

我們設計了一種現(xiàn)場總線型倒計時器，它具有下列主要功能。

1.向行駛車輛及行人提示允許通行或等待通行的時間。紅、綠兩色，二位半數(shù)字顯示(倒計時秒數(shù)1～199)。

2.亮度可變，避免倒計時器白天亮度不足，夜間刺眼的現(xiàn)象。

3.顯示筆段檢測功能。

與傳統(tǒng)的交通控制系統(tǒng)相比，現(xiàn)場總線交通自動控制系統(tǒng)有兩方面的不同。第一，信號機要具有現(xiàn)場總線接口；第二，所有交通設備均為具有現(xiàn)場總線接口的智能設備。在現(xiàn)場總線的選擇上，考慮到Echelon公司為LonWorks現(xiàn)場總線(簡稱Lon總線)設計和成品化提供了一套完整的開發(fā)平臺，其通信協(xié)議LonTalk支持OSI/RM的所有七層模型，具有高可靠性、安全性，易于實現(xiàn)和互操作性等優(yōu)點，我們設計了一型Lon總線交通自動控制系統(tǒng)。

2.1Lon交通信號控制器電路設計

在技術實現(xiàn)上將集中控制系統(tǒng)中的主控制器，與非核心的、輔助性、專業(yè)化功能器件分離。簡言之，就是將系統(tǒng)的主控制器與執(zhí)行器在結構上分離，各自都設計成總線模塊(硬件及軟件)，形成現(xiàn)場總線系統(tǒng)的主、從節(jié)點。原理框圖如圖2所示。交通信號控制器的主控板由擴展神經(jīng)元(Neuron)芯片及Lon總線收發(fā)器構成系統(tǒng)的主節(jié)點。Neuron芯片選用了3150，總線介質(zhì)選用雙絞線，總線收發(fā)器選用FT-10A。交通信號控制器上的MCU通過雙端口RAM-IDT71342與3150交換信息。3150在系統(tǒng)中只作為通信控制器用，充分發(fā)揮Neuron芯片高效可靠的通信控制能力之長，避其I/O實時性不佳的短處。主節(jié)點的I/O功能由MCU實現(xiàn)。

2.2Lon倒計時器節(jié)點電路設計

(1)系統(tǒng)規(guī)劃

根據(jù)倒計時器節(jié)點的功能，采用多MCU結構，功能執(zhí)行(顯示、亮度控制以及檢測)由89C51完成。節(jié)點的通信任務由3150完成。3150通過總線收發(fā)器與主節(jié)點通信，將顯示及亮度等級命令下達給89C51，并將89C51的檢測結果上傳至主節(jié)點(交通信號控制器)。

(2)驅(qū)動方式和器件選擇

倒計時器的顯示筆段由多個LED發(fā)光管作為點陣有機連接(串、并及混聯(lián))組成。為使倒計時器在白天有明顯的亮度，LED發(fā)光管選用超高亮度產(chǎn)品，日光最強時其驅(qū)動電流達20mA。LED燈的驅(qū)動方式有動態(tài)和靜態(tài)兩種，動態(tài)驅(qū)動硬件成本低，但在室外大電流驅(qū)動的條件下，LED管的工作壽命短。靜態(tài)驅(qū)動硬件成本高，但LED管的工作壽命相對較長。我們選用靜態(tài)恒壓驅(qū)動方式。亮度變化采用脈寬功率調(diào)制方法實現(xiàn)。倒計時器控制板電路原理框圖如圖3所示。

圖4是倒計時器檢測控制電路的簡化電路原理圖，89C51控制74HC595實現(xiàn)筆段的靜態(tài)顯示控制，三極管TIP41C作為段驅(qū)動器。紅、綠兩色顯示切換用89C51I/O控制，用兩個大功率三極管TIP127(加散熱片)實現(xiàn)。

74HC595是具有8位移位寄存器、帶三態(tài)鎖存輸出的邏輯芯片。輸出口具有較強的驅(qū)動能力，QA～QH為±35mA，QH′為±25mA。89C51通過I/O控制74HC595實現(xiàn)筆段的靜態(tài)顯示，節(jié)省MCU的I/O端口。74HC595管腳配置和定義如圖所示：

圖4模塊C，兩片595級聯(lián)，一片輸出倒計時器的個位信號，一片輸出倒計時器的十位信號和一位百位信號。

筆段驅(qū)動電路由模塊E和模塊F組成。模塊E的TIP41C作為段驅(qū)動(大功率管，可省去散熱片)，圖中，每段LED發(fā)光二極管陣列用一個LED發(fā)光管表示，其結構如模塊G所示。模塊F是倒計時器紅、綠顯示驅(qū)動電路，MCU通過兩位I/O控制。模塊F兩只小功率三極管8050的作用是將+5V和+15V兩個電源隔開；TIP127為紅、綠導通的切換開關，它為大功率管，在加散熱片的條件下，驅(qū)動電流可達5A以上。整個倒計時器由15個模塊E和兩個模塊F組成。

模塊E中的電阻和二極管IN4148與模塊B的VT端聯(lián)接，其作用是消除倒計時器筆段的‘暗亮’現(xiàn)象。倒計時器在工作時，不亮的筆段發(fā)出微弱亮度的現(xiàn)象稱為‘暗亮’。分析其原因，由于增加了倒計時器筆段的檢測電路，需要一定的檢測電流，相當于增加了段控電子開關的分布電容，其充放電效果，對LED發(fā)光二極管足以產(chǎn)生‘暗亮’的效果。模塊B為模塊E的檢測端提供約1.2V的電壓VT，通過保護電阻和二極管加至檢測端，在筆段滅時，起提供檢測電流和箝位的作用，有效消除了‘暗亮’現(xiàn)象。

筆段檢測電路由模塊A和模塊D組成。模塊A為比較電路。筆段亮、滅時分別輸出0V和5V電壓信號，信號輸出至89C51I/O端口，對筆段的工作情況進行檢測。模塊D為15個模塊A提供比較電壓。運放用+15V供電，模塊A中的電阻和穩(wěn)壓二極管起保護作用，穩(wěn)壓管在圖中1kΩ的電阻開路時起作用，可選用通用的5.1V穩(wěn)壓管，也可選用質(zhì)量較好的穩(wěn)壓器件，如ZRB5.0等。圖中的運放選用軌對軌四運放TLC2274，15段檢測加一路參考，正好用4個TLC2274。

倒計時器筆段的亮度調(diào)節(jié)采用定周期調(diào)節(jié)導通時間百分比的方法。周期為10ms，調(diào)節(jié)頻率為100Hz，視覺上不會閃爍。共分10個亮度等級，段導通時間百分比分別為：10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％和100％。

圖4中89C51為控制板上的主MCU，它通過串口、Neuron芯片3150與交通信號機交換信息(接收倒計時的工作命令，如倒計時數(shù)、亮度等級、顯示顏色等，上傳倒計時的工作狀態(tài)等)。3150的IO8和IO10為多功能I/O口，通過編程令其工作于異步串行通信方式，波特率4800。主MCU-89C51還承擔系統(tǒng)環(huán)境的溫度測量、系統(tǒng)工作信息的存儲和看門狗定時器的控制等工作，這里不再贅述。

本文從總線型交通倒計時器的基礎功能出發(fā)，設計并實現(xiàn)了基于Lonworks總線技術的交通倒計時器。與傳統(tǒng)的交通倒計時器相比，除具有作為總線節(jié)點獨立工作能力外，還增加了顯示筆段損壞的檢測和按實用要求調(diào)節(jié)亮度的功能，使交通倒計時器工作更加可靠、人性化、環(huán)保、節(jié)能。另外，總線型產(chǎn)品在施工費用、維護費用方面也優(yōu)于傳統(tǒng)的交通信號控制系統(tǒng)?？偩€型交通倒計時器自開發(fā)成功至今一年多的時間內(nèi)，連續(xù)試運行，工作良好，性能令人滿意。