交通信號(hào)機(jī)多路信號(hào)轉(zhuǎn)接器設(shè)計(jì)

    交通信號(hào)機(jī)是交通控制的實(shí)驗(yàn)設(shè)備,對(duì)全面掌握交通控制的基礎(chǔ)理論,培養(yǎng)操作能力具有重要意義。在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室信號(hào)機(jī)共有四臺(tái),分別獨(dú)立工作,而倒計(jì)時(shí)牌只能顯示某一臺(tái)信號(hào)機(jī)的倒計(jì)時(shí)時(shí)間。如果要顯示其他信號(hào)機(jī)的倒計(jì)時(shí)信息,必須將其控制線路拆開(kāi)再與需要顯示的信號(hào)機(jī)連接,使用很不方便,而且較易因連接不可靠等問(wèn)題而發(fā)生錯(cuò)誤。
　　本文設(shè)計(jì)的交通信號(hào)機(jī)倒計(jì)時(shí)信號(hào)轉(zhuǎn)接器,可以通過(guò)按鍵方便地切換與倒計(jì)時(shí)牌相連的信號(hào)機(jī),從而實(shí)現(xiàn)多臺(tái)信號(hào)機(jī)分時(shí)共享同一個(gè)倒計(jì)時(shí)牌的目的。該信號(hào)轉(zhuǎn)接器的使用簡(jiǎn)化了試驗(yàn)過(guò)程,提高了試驗(yàn)效率,實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有設(shè)備的升級(jí)改造,具有一定的實(shí)用價(jià)值。

　　1交通信號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)接器的工作原理

　　1.1交通信號(hào)機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

　　交通信號(hào)機(jī)是進(jìn)行交通信號(hào)控制實(shí)驗(yàn)的儀器|儀表,每一臺(tái)信號(hào)機(jī)都能完成一個(gè)交叉口的信號(hào)控制實(shí)驗(yàn)。在智能交通信號(hào)控制中,除了單個(gè)交叉口交通信號(hào)的點(diǎn)控方式外,還有可以將干線上一批相鄰的交叉口聯(lián)合協(xié)調(diào)控制以此來(lái)明顯地減少延誤的線控方式,以及把城區(qū)內(nèi)的全部交通信號(hào)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(diǎn)控方式。因此在進(jìn)行交通控制的實(shí)驗(yàn)時(shí),將四個(gè)信號(hào)機(jī)組合在一起形成一個(gè)簡(jiǎn)單的面控模式,從而達(dá)到對(duì)交通信號(hào)控制模擬的目的,如圖1所示。然而,作為交通信號(hào)控制模擬結(jié)果的表現(xiàn)形式之一的倒計(jì)時(shí)信號(hào)燈只有一組,在某一時(shí)刻只能顯示一臺(tái)信號(hào)機(jī)中的倒計(jì)時(shí),而且只能將倒計(jì)時(shí)燈的信號(hào)連線重新連接才能顯示另一臺(tái)信號(hào)機(jī)的倒計(jì)時(shí)時(shí)間,給實(shí)驗(yàn)造成很大麻煩。如果設(shè)計(jì)一種轉(zhuǎn)接器裝置使其能按照需要控制倒計(jì)時(shí)燈顯示,則可以解決這個(gè)問(wèn)題。

　　1.2 信號(hào)傳輸原理

　　根據(jù)交通信號(hào)機(jī)的使用說(shuō)明,倒計(jì)時(shí)信號(hào)的傳輸遵循RS-485串口協(xié)議。該串行通信協(xié)議定義了串行通信協(xié)議中傳輸?shù)男畔?nèi)容及使用格式。其中包括：主機(jī)輪詢(xún)（或廣播）格式、主機(jī)的編碼方法,內(nèi)容包括：要求動(dòng)作的功能代碼、傳輸數(shù)據(jù)和錯(cuò)誤檢驗(yàn)等;從機(jī)的響應(yīng)也是采用相同的格式和方法,內(nèi)容包括：動(dòng)作確認(rèn)、返回?cái)?shù)據(jù)和錯(cuò)誤檢驗(yàn)等。當(dāng)從機(jī)在接收信息時(shí)發(fā)生錯(cuò)誤,或不能完成主機(jī)要求動(dòng)作時(shí),將組織一個(gè)故障信息作為響應(yīng)反饋給主機(jī)。

　　RS-485采用兩根信號(hào)線,這兩根信號(hào)線都傳遞幾乎相同大小的反向電流,因?yàn)榇蠖鄶?shù)的噪聲電壓在兩條導(dǎo)線上或多或少同時(shí)出現(xiàn),這就減少了接收到的噪聲。

　　1.3 信號(hào)轉(zhuǎn)接器的工作原理

　　在信號(hào)傳輸過(guò)程中,RS-485采用平衡傳輸模式,能夠在較低誤碼率下進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸且性能可靠。要形成一個(gè)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(rèn)為它是邏輯“1”;如果B至少比A高出0.2V,則接收器即認(rèn)為它為邏輯“0”;如果A、B之間的壓差小于0.2V,則這個(gè)邏輯電平屬于沒(méi)有定義,接收器收到這個(gè)電壓將要發(fā)出一個(gè)錯(cuò)誤代碼。

　　由于交通信號(hào)機(jī)倒計(jì)時(shí)信號(hào)的傳輸符合RS-485協(xié)議,每個(gè)信號(hào)機(jī)用兩根信號(hào)線來(lái)傳輸?shù)褂?jì)時(shí)信息,所以轉(zhuǎn)換器要將多臺(tái)信號(hào)機(jī)的倒計(jì)時(shí)傳輸線按照要求有選擇地和倒計(jì)時(shí)牌的傳輸線進(jìn)行連接,以此來(lái)顯示指定信號(hào)機(jī)的倒計(jì)時(shí)信息。

　　在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室中,共有四臺(tái)信號(hào)機(jī),按照設(shè)計(jì)功能要求,信號(hào)轉(zhuǎn)接器通過(guò)按鍵的處理來(lái)選擇信號(hào)機(jī),將相應(yīng)信號(hào)機(jī)輸出的倒計(jì)時(shí)信號(hào)和倒計(jì)時(shí)燈的接收線連接起來(lái)。交通信號(hào)機(jī)倒計(jì)時(shí)信號(hào)轉(zhuǎn)換器原理圖如圖2所示。

　　2 轉(zhuǎn)接器的設(shè)計(jì)

　　在轉(zhuǎn)接器的設(shè)計(jì)中,利用多路選擇器芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)接,這就要考慮所傳輸信號(hào)的特征。交通信號(hào)機(jī)的倒計(jì)時(shí)信號(hào)要遵循RS-485協(xié)議、接收器的輸入電阻RIN≥12kΩ、驅(qū)動(dòng)器能輸出±7V的共模電壓,同時(shí)輸入端的電容≤50pF,選取多路選擇模擬開(kāi)關(guān)MAX309。為了操作方便,選用四個(gè)按鈕控制轉(zhuǎn)接器,同時(shí)需要有對(duì)按鍵去抖動(dòng)的處理電路以及連接開(kāi)關(guān)按鈕與多路選擇器開(kāi)關(guān)的邏輯電路。因此,設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)接器主要由多路選擇器開(kāi)關(guān)、按鍵處理電路、邏輯電路以及電源|穩(wěn)壓器模塊幾個(gè)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(kāi)關(guān),通過(guò)兩位邏輯選擇雙四通道的開(kāi)關(guān),±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(dǎo)通速率0.225μs,并采用ESD保護(hù),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(hào)機(jī)轉(zhuǎn)接器電路設(shè)計(jì)

　　模擬多路開(kāi)關(guān)是利用兩位邏輯來(lái)控制的,而四個(gè)信號(hào)機(jī)需要四個(gè)按鍵來(lái)控制,這樣連接四個(gè)按鍵和兩位邏輯之間需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。信號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)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(méi)有控制芯片,因此按鍵只能采用硬件去抖動(dòng)方法處理。按鍵處理電路如圖5所示。

　　(2)邏輯轉(zhuǎn)換和提示燈設(shè)計(jì)

　　將控制四個(gè)信號(hào)機(jī)的按鍵信號(hào)通過(guò)邏輯電路變換,用以控制多路選擇模擬開(kāi)關(guān)MAX309,利用一個(gè)74LS148來(lái)實(shí)現(xiàn)4-2編碼的功能,同時(shí)將空置的管腳接地。

　　為了能夠明確地指示倒計(jì)時(shí)燈顯示的是哪一個(gè)信號(hào)機(jī),在設(shè)計(jì)時(shí)增加了提示燈,即當(dāng)按鍵按下時(shí),對(duì)應(yīng)的表征信號(hào)機(jī)的燈點(diǎn)亮,起到提示作用。由于按鍵是按鈕式的,而要使二極管點(diǎn)亮需要持續(xù)的高電平,因此利用鎖存器74LS377來(lái)實(shí)現(xiàn)。74LS377的使能信號(hào)是利用邏輯器件74121產(chǎn)生的,當(dāng)有按鍵按下時(shí),就會(huì)輸出一個(gè)脈沖作為74LS377的使能信號(hào)。按鍵編碼邏輯電路如圖6所示。

　　(3)轉(zhuǎn)換器的電路實(shí)現(xiàn)

　　如圖4所示,四個(gè)信號(hào)機(jī)中每個(gè)信號(hào)機(jī)都有兩根傳輸?shù)褂?jì)時(shí)信息的數(shù)據(jù)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(jì)時(shí)牌也有兩根數(shù)據(jù)線MA、MB,同樣與雙四選擇器MAX309兩端相接。

　　本電路設(shè)置了四個(gè)按鍵用來(lái)對(duì)應(yīng)四臺(tái)信號(hào)機(jī),如按鈕1代表信號(hào)機(jī)1的按鍵開(kāi)關(guān),以此類(lèi)推。四個(gè)按鍵的輸出與雙四輸入與非門(mén)的四個(gè)接口相連,輸出一個(gè)脈沖信號(hào)KeyALL接到單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,通過(guò)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器對(duì)脈沖信號(hào)的作用后,輸出的信號(hào)PULSE接到D觸發(fā)器,作為一個(gè)時(shí)鐘信號(hào),同時(shí),四個(gè)按鍵的四根信號(hào)線也接到D觸發(fā)器的輸入端。從D觸發(fā)器輸出的四個(gè)信號(hào)再接到編碼器的四個(gè)輸入端,輸出二進(jìn)制編碼。

　　本文介紹了交通信號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)接器的設(shè)計(jì),該轉(zhuǎn)換器具有對(duì)倒計(jì)時(shí)燈實(shí)現(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)接的功能,而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、性能穩(wěn)定、便于操作、費(fèi)用低,完全可以滿足設(shè)計(jì)要求,已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中應(yīng)用,效果良好。同時(shí),它具有一定的可擴(kuò)展性,便于進(jìn)一步的功能開(kāi)發(fā),可應(yīng)用于多種串口數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備的信號(hào)切換,具有一定的應(yīng)用前景。