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[導讀]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

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?,F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)檢測數據的處理與管理、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,很難向干線協調控制、區(qū)域協調控制系統(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,與各節(jié)點聯接。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,二位半數字顯示(倒計時秒數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,信號機要具有現場總線接口;第二,所有交通設備均為具有現場總線接口的智能設備。在現場總線的選擇上,考慮到Echelon公司為LonWorks現場總線(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。

2.2Lon倒計時器節(jié)點電路設計

(1)系統(tǒng)規(guī)劃

根據倒計時器節(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)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品,日光最強時其驅動電流達20mA。LED燈的驅動方式有動態(tài)和靜態(tài)兩種,動態(tài)驅動硬件成本低,但在室外大電流驅動的條件下,LED管的工作壽命短。靜態(tài)驅動硬件成本高,但LED管的工作壽命相對較長。我們選用靜態(tài)恒壓驅動方式。亮度變化采用脈寬功率調制方法實現。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實現筆段的靜態(tài)顯示控制,三極管TIP41C作為段驅動器。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。

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動能力,QA~QH為±35mA,QH′為±25mA。89C51通過I/O控制74HC595實現筆段的靜態(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,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。

筆段驅動電路由模塊E和模塊F組成。模塊E的TIP41C作為段驅動(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端聯接,其作用是消除倒計時器筆段的‘暗亮’現象。倒計時器在工作時,不亮的筆段發(fā)出微弱亮度的現象稱為‘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節(jié)采用定周期調節(jié)導通時間百分比的方法。周期為10ms,調節(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、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,連續(xù)試運行,工作良好,性能令人滿意。

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