現場(chǎng)總線(xiàn)型交通倒計時(shí)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?，F場(chǎng)總線(xiàn)型交通控制系統原理框圖見(jiàn)圖2。

1.控制系統中的各節點(diǎn)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，主機節約的時(shí)間可用于控制策略的計算與生成、系統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(wù)等。而集中控制型交通信號控制器的主機工作時(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(xiàn)協(xié)調控制、區域協(xié)調控制系統等大型交通控制系統方面發(fā)展。

2.系統擴展和更新靈活方便，只需將智能節點(diǎn)掛在總線(xiàn)上，周期短，適應能力強。

3.現場(chǎng)總線(xiàn)型交通控制系統主機可通過(guò)兩條雙絞線(xiàn)或電力線(xiàn)或一根光纖組成網(wǎng)，與各節點(diǎn)聯(lián)接。因此系統布線(xiàn)少、工程費用低、施工簡(jiǎn)單，工程維護費用低。

我們設計了一種現場(chǎng)總線(xiàn)型倒計時(shí)器，它具有下列主要功能。

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

2.亮度可變，避免倒計時(shí)器白天亮度不足，夜間刺眼的現象。

3.顯示筆段檢測功能。

與傳統的交通控制系統相比，現場(chǎng)總線(xiàn)交通自動(dòng)控制系統有兩方面的不同。第一，信號機要具有現場(chǎng)總線(xiàn)接口；第二，所有交通設備均為具有現場(chǎng)總線(xiàn)接口的智能設備。在現場(chǎng)總線(xiàn)的選擇上，考慮到Echelon公司為L(cháng)onWorks現場(chǎng)總線(xiàn)(簡(jiǎn)稱(chēng)Lon總線(xiàn))設計和成品化提供了一套完整的開(kāi)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(shí)現和互操作性等優(yōu)點(diǎn)，我們設計了一型Lon總線(xiàn)交通自動(dòng)控制系統。

2.1Lon交通信號控制器電路設計

在技術(shù)實(shí)現上將集中控制系統中的主控制器，與非核心的、輔助性、專(zhuān)業(yè)化功能器件分離。簡(jiǎn)言之，就是將系統的主控制器與執行器在結構上分離，各自都設計成總線(xiàn)模塊(硬件及軟件)，形成現場(chǎng)總線(xiàn)系統的主、從節點(diǎn)。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(xiàn)收發(fā)器構成系統的主節點(diǎn)。Neuron芯片選用了3150，總線(xiàn)介質(zhì)選用雙絞線(xiàn)，總線(xiàn)收發(fā)器選用FT-10A。交通信號控制器上的MCU通過(guò)雙端口RAM-IDT71342與3150交換信息。3150在系統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(cháng)，避其I/O實(shí)時(shí)性不佳的短處。主節點(diǎn)的I/O功能由MCU實(shí)現。

2.2Lon倒計時(shí)器節點(diǎn)電路設計

(1)系統規劃

根據倒計時(shí)器節點(diǎn)的功能，采用多MCU結構，功能執行(顯示、亮度控制以及檢測)由89C51完成。節點(diǎn)的通信任務(wù)由3150完成。3150通過(guò)總線(xiàn)收發(fā)器與主節點(diǎn)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點(diǎn)(交通信號控制器)。

(2)驅動(dòng)方式和器件選擇

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

圖4是倒計時(shí)器檢測控制電路的簡(jiǎn)化電路原理圖，89C51控制74HC595實(shí)現筆段的靜態(tài)顯示控制，三極管TIP41C作為段驅動(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。

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(dòng)能力，QA～QH為±35mA，QH′為±25mA。89C51通過(guò)I/O控制74HC595實(shí)現筆段的靜態(tài)顯示，節省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(shí)器的個(gè)位信號，一片輸出倒計時(shí)器的十位信號和一位百位信號。

筆段驅動(dòng)電路由模塊E和模塊F組成。模塊E的TIP41C作為段驅動(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，其結構如模塊G所示。模塊F是倒計時(shí)器紅、綠顯示驅動(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(kāi)；TIP127為紅、綠導通的切換開(kāi)關(guān)，它為大功率管，在加散熱片的條件下，驅動(dòng)電流可達5A以上。整個(gè)倒計時(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，其作用是消除倒計時(shí)器筆段的‘暗亮’現象。倒計時(shí)器在工作時(shí)，不亮的筆段發(fā)出微弱亮度的現象稱(chēng)為‘暗亮’。分析其原因，由于增加了倒計時(shí)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(kāi)關(guān)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(guò)保護電阻和二極管加至檢測端，在筆段滅時(shí)，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(shí)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(jìn)行檢測。模塊D為15個(gè)模塊A提供比較電壓。運放用+15V供電，模塊A中的電阻和穩壓二極管起保護作用，穩壓管在圖中1kΩ的電阻開(kāi)路時(shí)起作用，可選用通用的5.1V穩壓管，也可選用質(zhì)量較好的穩壓器件，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(gè)TLC2274。

倒計時(shí)器筆段的亮度調節采用定周期調節導通時(shí)間百分比的方法。周期為10ms，調節頻率為100Hz，視覺(jué)上不會(huì )閃爍。共分10個(gè)亮度等級，段導通時(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與交通信號機交換信息(接收倒計時(shí)的工作命令，如倒計時(shí)數、亮度等級、顯示顏色等，上傳倒計時(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還承擔系統環(huán)境的溫度測量、系統工作信息的存儲和看門(mén)狗定時(shí)器的控制等工作，這里不再贅述。

本文從總線(xiàn)型交通倒計時(shí)器的基礎功能出發(fā)，設計并實(shí)現了基于Lonworks總線(xiàn)技術(shù)的交通倒計時(shí)器。與傳統的交通倒計時(shí)器相比，除具有作為總線(xiàn)節點(diǎn)獨立工作能力外，還增加了顯示筆段損壞的檢測和按實(shí)用要求調節亮度的功能，使交通倒計時(shí)器工作更加可靠、人性化、環(huán)保、節能。另外，總線(xiàn)型產(chǎn)品在施工費用、維護費用方面也優(yōu)于傳統的交通信號控制系統?？偩€(xiàn)型交通倒計時(shí)器自開(kāi)發(fā)成功至今一年多的時(shí)間內，連續試運行，工作良好，性能令人滿(mǎn)意。