交通信號機是交通控制的實驗設備,對全面掌握交通控制的基礎理論,培養(yǎng)操作能力具有重要意義。在現有的實驗室信號機共有四臺,分別獨立工作,而倒計時牌只能顯示某一臺信號機的倒計時時間。如果要顯示其他信號機的倒計時信息,必須將其控制線路拆開再與需要顯示的信號機連接,使用很不方便,而且較易因連接不可靠等問題而發(fā)生錯誤。
本文設計的交通信號機倒計時信號轉接器,可以通過按鍵方便地切換與倒計時牌相連的信號機,從而實現多臺信號機分時共享同一個倒計時牌的目的。該信號轉接器的使用簡化了試驗過程,提高了試驗效率,實現了對實驗室現有設備的升級改造,具有一定的實用價值。
1交通信號機轉接器的工作原理
1.1交通信號機實驗系統簡介
交通信號機是進行交通信號控制實驗的儀器|儀表,每一臺信號機都能完成一個交叉口的信號控制實驗。在智能交通信號控制中,除了單個交叉口交通信號的點控方式外,還有可以將干線上一批相鄰的交叉口聯合協調控制以此來明顯地減少延誤的線控方式,以及把城區(qū)內的全部交通信號的監(jiān)控作為指揮控制中心管理下的一套整體的面控方式,而其中又可以分解為線控和點控方式。因此在進行交通控制的實驗時,將四個信號機組合在一起形成一個簡單的面控模式,從而達到對交通信號控制模擬的目的,如圖1所示。然而,作為交通信號控制模擬結果的表現形式之一的倒計時信號燈只有一組,在某一時刻只能顯示一臺信號機中的倒計時,而且只能將倒計時燈的信號連線重新連接才能顯示另一臺信號機的倒計時時間,給實驗造成很大麻煩。如果設計一種轉接器裝置使其能按照需要控制倒計時燈顯示,則可以解決這個問題。
1.2 信號傳輸原理
根據交通信號機的使用說明,倒計時信號的傳輸遵循RS-485串口協議。該串行通信協議定義了串行通信協議中傳輸的信息內容及使用格式。其中包括：主機輪詢（或廣播）格式、主機的編碼方法,內容包括：要求動作的功能代碼、傳輸數據和錯誤檢驗等;從機的響應也是采用相同的格式和方法,內容包括：動作確認、返回數據和錯誤檢驗等。當從機在接收信息時發(fā)生錯誤,或不能完成主機要求動作時,將組織一個故障信息作為響應反饋給主機。
RS-485采用兩根信號線,這兩根信號線都傳遞幾乎相同大小的反向電流,因為大多數的噪聲電壓在兩條導線上或多或少同時出現,這就減少了接收到的噪聲。
1.3 信號轉接器的工作原理
在信號傳輸過程中,RS-485采用平衡傳輸模式,能夠在較低誤碼率下進行遠距離傳輸且性能可靠。要形成一個有效的輸出,兩條傳輸線A、B之間的壓差大于1.5V即可。而在RS-485的接收器端,兩傳輸線A、B的輸入差異只需要0.2V,即如果A至少比B高0.2V,則接收器即認為它是邏輯“1”;如果B至少比A高出0.2V,則接收器即認為它為邏輯“0”;如果A、B之間的壓差小于0.2V,則這個邏輯電平屬于沒有定義,接收器收到這個電壓將要發(fā)出一個錯誤代碼。
由于交通信號機倒計時信號的傳輸符合RS-485協議,每個信號機用兩根信號線來傳輸倒計時信息,所以轉換器要將多臺信號機的倒計時傳輸線按照要求有選擇地和倒計時牌的傳輸線進行連接,以此來顯示指定信號機的倒計時信息。
在現有的實驗室中,共有四臺信號機,按照設計功能要求,信號轉接器通過按鍵的處理來選擇信號機,將相應信號機輸出的倒計時信號和倒計時燈的接收線連接起來。交通信號機倒計時信號轉換器原理圖如圖2所示。
2 轉接器的設計
在轉接器的設計中,利用多路選擇器芯片來實現轉接,這就要考慮所傳輸信號的特征。交通信號機的倒計時信號要遵循RS-485協議、接收器的輸入電阻RIN≥12kΩ、驅動器能輸出±7V的共模電壓,同時輸入端的電容≤50pF,選取多路選擇模擬開關MAX309。為了操作方便,選用四個按鈕控制轉接器,同時需要有對按鍵去抖動的處理電路以及連接開關按鈕與多路選擇器開關的邏輯電路。因此,設計的轉接器主要由多路選擇器開關、按鍵處理電路、邏輯電路以及電源|穩(wěn)壓器模塊幾個部分組成。
2.1核心器件MAX309
MAX309是MAXIM公司的一種精密、雙四通道的高性能CMOS模擬多路開關,通過兩位邏輯選擇雙四通道的開關,±15V雙電源供電,可以滿足RS-485輸出±7V共模電壓的電平要求;它的接通電阻為100Ω,漏電流1nA,導通速率0.225μs,并采用ESD保護,因此它是一種低功耗四路RS-422/RS-485接收器。MAX309邏輯示意圖如圖3所示。
2.2 信號機轉接器電路設計
模擬多路開關是利用兩位邏輯來控制的,而四個信號機需要四個按鍵來控制,這樣連接四個按鍵和兩位邏輯之間需要進行轉換。信號機轉接器的電路如圖4所示,由按鍵、邏輯電路和MAX309組成。
(1)按鍵處理電路
由于電路中沒有控制芯片,因此按鍵只能采用硬件去抖動方法處理。按鍵處理電路如圖5所示。
(2)邏輯轉換和提示燈設計
將控制四個信號機的按鍵信號通過邏輯電路變換,用以控制多路選擇模擬開關MAX309,利用一個74LS148來實現4-2編碼的功能,同時將空置的管腳接地。
為了能夠明確地指示倒計時燈顯示的是哪一個信號機,在設計時增加了提示燈,即當按鍵按下時,對應的表征信號機的燈點亮,起到提示作用。由于按鍵是按鈕式的,而要使二極管點亮需要持續(xù)的高電平,因此利用鎖存器74LS377來實現。74LS377的使能信號是利用邏輯器件74121產生的,當有按鍵按下時,就會輸出一個脈沖作為74LS377的使能信號。按鍵編碼邏輯電路如圖6所示。
(3)轉換器的電路實現
如圖4所示,四個信號機中每個信號機都有兩根傳輸倒計時信息的數據線,分別為M1A、M1B,M2A、M2B,M3A、M3B,M4A、M4B。每一組分別接在雙四選擇器MAX309的兩端。倒計時牌也有兩根數據線MA、MB,同樣與雙四選擇器MAX309兩端相接。
本電路設置了四個按鍵用來對應四臺信號機,如按鈕1代表信號機1的按鍵開關,以此類推。四個按鍵的輸出與雙四輸入與非門的四個接口相連,輸出一個脈沖信號KeyALL接到單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,通過單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器對脈沖信號的作用后,輸出的信號PULSE接到D觸發(fā)器,作為一個時鐘信號,同時,四個按鍵的四根信號線也接到D觸發(fā)器的輸入端。從D觸發(fā)器輸出的四個信號再接到編碼器的四個輸入端,輸出二進制編碼。
本文介紹了交通信號機轉接器的設計,該轉換器具有對倒計時燈實現自動轉接的功能,而且結構簡單可靠、性能穩(wěn)定、便于操作、費用低,完全可以滿足設計要求,已經在實驗室中應用,效果良好。同時,它具有一定的可擴展性,便于進一步的功能開發(fā),可應用于多種串口數據傳輸設備的信號切換,具有一定的應用前景。
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