現(xiàn)場(chǎng)總線型交通倒計(jì)時(shí)器的設(shè)計(jì)

1引言

集中控制型的交通信號(hào)控制機(jī)的原理框圖如圖1所示。現(xiàn)場(chǎng)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(diǎn)均為智能的，各自具有很強(qiáng)的功能且可在主機(jī)不參與的情況下獨(dú)立工作，大大減輕了主機(jī)的工作量，主機(jī)節(jié)約的時(shí)間可用于控制策略的計(jì)算與生成、系統(tǒng)檢測(cè)數(shù)據(jù)的處理與管理、與中心計(jì)算機(jī)交換信息等高層任務(wù)等。而集中控制型交通信號(hào)控制器的主機(jī)工作時(shí)不停的忙于低層的工作，無(wú)暇顧及高層任務(wù)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(kuò)展和更新靈活方便，只需將智能節(jié)點(diǎn)掛在總線上，周期短，適應(yīng)能力強(qiáng)。

3.現(xiàn)場(chǎng)總線型交通控制系統(tǒng)主機(jī)可通過(guò)兩條雙絞線或電力線或一根光纖組成網(wǎng)，與各節(jié)點(diǎn)聯(lián)接。因此系統(tǒng)布線少、工程費(fèi)用低、施工簡(jiǎn)單，工程維護(hù)費(fèi)用低。

我們?cè)O(shè)計(jì)了一種現(xiàn)場(chǎng)總線型倒計(jì)時(shí)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(shí)間。紅、綠兩色，二位半數(shù)字顯示(倒計(jì)時(shí)秒數(shù)1～199)。

2.亮度可變，避免倒計(jì)時(shí)器白天亮度不足，夜間刺眼的現(xiàn)象。

3.顯示筆段檢測(cè)功能。

與傳統(tǒng)的交通控制系統(tǒng)相比，現(xiàn)場(chǎng)總線交通自動(dòng)控制系統(tǒng)有兩方面的不同。第一，信號(hào)機(jī)要具有現(xiàn)場(chǎng)總線接口；第二，所有交通設(shè)備均為具有現(xiàn)場(chǎng)總線接口的智能設(shè)備。在現(xiàn)場(chǎng)總線的選擇上，考慮到Echelon公司為L(zhǎng)onWorks現(xiàn)場(chǎng)總線(簡(jiǎn)稱Lon總線)設(shè)計(jì)和成品化提供了一套完整的開發(fā)平臺(tái)，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(shí)現(xiàn)和互操作性等優(yōu)點(diǎn)，我們?cè)O(shè)計(jì)了一型Lon總線交通自動(dòng)控制系統(tǒng)。

2.1Lon交通信號(hào)控制器電路設(shè)計(jì)

在技術(shù)實(shí)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(jiǎn)言之，就是將系統(tǒng)的主控制器與執(zhí)行器在結(jié)構(gòu)上分離，各自都設(shè)計(jì)成總線模塊(硬件及軟件)，形成現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的主、從節(jié)點(diǎn)。原理框圖如圖2所示。交通信號(hào)控制器的主控板由擴(kuò)展神經(jīng)元(Neuron)芯片及Lon總線收發(fā)器構(gòu)成系統(tǒng)的主節(jié)點(diǎn)。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(hào)控制器上的MCU通過(guò)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(zhǎng)，避其I/O實(shí)時(shí)性不佳的短處。主節(jié)點(diǎn)的I/O功能由MCU實(shí)現(xiàn)。

2.2Lon倒計(jì)時(shí)器節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)

(1)系統(tǒng)規(guī)劃

根據(jù)倒計(jì)時(shí)器節(jié)點(diǎn)的功能，采用多MCU結(jié)構(gòu)，功能執(zhí)行(顯示、亮度控制以及檢測(cè))由89C51完成。節(jié)點(diǎn)的通信任務(wù)由3150完成。3150通過(guò)總線收發(fā)器與主節(jié)點(diǎn)通信，將顯示及亮度等級(jí)命令下達(dá)給89C51，并將89C51的檢測(cè)結(jié)果上傳至主節(jié)點(diǎn)(交通信號(hào)控制器)。

(2)驅(qū)動(dòng)方式和器件選擇

倒計(jì)時(shí)器的顯示筆段由多個(gè)LED發(fā)光管作為點(diǎn)陣有機(jī)連接(串、并及混聯(lián))組成。為使倒計(jì)時(shí)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(qiáng)時(shí)其驅(qū)動(dòng)電流達(dá)20mA。LED燈的驅(qū)動(dòng)方式有動(dòng)態(tài)和靜態(tài)兩種，動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)硬件成本低，但在室外大電流驅(qū)動(dòng)的條件下，LED管的工作壽命短。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)硬件成本高，但LED管的工作壽命相對(duì)較長(zhǎng)。我們選用靜態(tài)恒壓驅(qū)動(dòng)方式。亮度變化采用脈寬功率調(diào)制方法實(shí)現(xiàn)。倒計(jì)時(shí)器控制板電路原理框圖如圖3所示。

圖4是倒計(jì)時(shí)器檢測(cè)控制電路的簡(jiǎn)化電路原理圖，89C51控制74HC595實(shí)現(xiàn)筆段的靜態(tài)顯示控制，三極管TIP41C作為段驅(qū)動(dòng)器。紅、綠兩色顯示切換用89C51I/O控制，用兩個(gè)大功率三極管TIP127(加散熱片)實(shí)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(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，QA～QH為±35mA，QH′為±25mA。89C51通過(guò)I/O控制74HC595實(shí)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(jí)聯(lián)，一片輸出倒計(jì)時(shí)器的個(gè)位信號(hào)，一片輸出倒計(jì)時(shí)器的十位信號(hào)和一位百位信號(hào)。

筆段驅(qū)動(dòng)電路由模塊E和模塊F組成。模塊E的TIP41C作為段驅(qū)動(dòng)(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(gè)LED發(fā)光管表示，其結(jié)構(gòu)如模塊G所示。模塊F是倒計(jì)時(shí)器紅、綠顯示驅(qū)動(dòng)電路，MCU通過(guò)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(gè)電源隔開；TIP127為紅、綠導(dǎo)通的切換開關(guān)，它為大功率管，在加散熱片的條件下，驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)5A以上。整個(gè)倒計(jì)時(shí)器由15個(gè)模塊E和兩個(gè)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(jì)時(shí)器筆段的‘暗亮’現(xiàn)象。倒計(jì)時(shí)器在工作時(shí)，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(jì)時(shí)器筆段的檢測(cè)電路，需要一定的檢測(cè)電流，相當(dāng)于增加了段控電子開關(guān)的分布電容，其充放電效果，對(duì)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(cè)端提供約1.2V的電壓VT，通過(guò)保護(hù)電阻和二極管加至檢測(cè)端，在筆段滅時(shí)，起提供檢測(cè)電流和箝位的作用，有效消除了‘暗亮’現(xiàn)象。

筆段檢測(cè)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(shí)分別輸出0V和5V電壓信號(hào)，信號(hào)輸出至89C51I/O端口，對(duì)筆段的工作情況進(jìn)行檢測(cè)。模塊D為15個(gè)模塊A提供比較電壓。運(yùn)放用+15V供電，模塊A中的電阻和穩(wěn)壓二極管起保護(hù)作用，穩(wěn)壓管在圖中1kΩ的電阻開路時(shí)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(yùn)放選用軌對(duì)軌四運(yùn)放TLC2274，15段檢測(cè)加一路參考，正好用4個(gè)TLC2274。

倒計(jì)時(shí)器筆段的亮度調(diào)節(jié)采用定周期調(diào)節(jié)導(dǎo)通時(shí)間百分比的方法。周期為10ms，調(diào)節(jié)頻率為100Hz，視覺上不會(huì)閃爍。共分10個(gè)亮度等級(jí)，段導(dǎo)通時(shí)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(guò)串口、Neuron芯片3150與交通信號(hào)機(jī)交換信息(接收倒計(jì)時(shí)的工作命令，如倒計(jì)時(shí)數(shù)、亮度等級(jí)、顯示顏色等，上傳倒計(jì)時(shí)的工作狀態(tài)等)。3150的IO8和IO10為多功能I/O口，通過(guò)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(dān)系統(tǒng)環(huán)境的溫度測(cè)量、系統(tǒng)工作信息的存儲(chǔ)和看門狗定時(shí)器的控制等工作，這里不再贅述。

本文從總線型交通倒計(jì)時(shí)器的基礎(chǔ)功能出發(fā)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于Lonworks總線技術(shù)的交通倒計(jì)時(shí)器。與傳統(tǒng)的交通倒計(jì)時(shí)器相比，除具有作為總線節(jié)點(diǎn)獨(dú)立工作能力外，還增加了顯示筆段損壞的檢測(cè)和按實(shí)用要求調(diào)節(jié)亮度的功能，使交通倒計(jì)時(shí)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(fèi)用、維護(hù)費(fèi)用方面也優(yōu)于傳統(tǒng)的交通信號(hào)控制系統(tǒng)?？偩€型交通倒計(jì)時(shí)器自開發(fā)成功至今一年多的時(shí)間內(nèi)，連續(xù)試運(yùn)行，工作良好，性能令人滿意。