多路交通信號燈狀態(tài)監測系統的設計

摘要：交通信號燈狀態(tài)監測技術(shù)是道路交通信號控制關(guān)鍵技術(shù)之一，直接關(guān)系到道路交通的安全與通暢。文中介紹了一種新型的多路交通信號燈狀態(tài)監測方法。該方法基于互感檢測原理，根據互感器次級輸出電流，經(jīng)信號調理電路處理后送到處理器進(jìn)行AD采樣，從而檢測信號燈驅動(dòng)回路的電流。并利用光耦合器電路實(shí)現對驅動(dòng)回路的電壓檢測。本設計中的多路交通信號燈狀態(tài)監測系統硬件基于MSP430F149單片機，利用內部集成ADC模塊實(shí)現多路信號的采集。軟件部分，通過(guò)中位值平均濾波算法對采樣數據進(jìn)行處理，有效的抑制了由脈沖干擾所引起額采樣值偏差。同時(shí)，由于A(yíng)DC存在的增益誤差和失調誤差影響其轉換精度，因此提出了自校正算法對兩種誤差進(jìn)行補償，極大的提高了系統檢測精度。本系統采用分時(shí)選通的工作模式對多路通道進(jìn)行切換，有效的增強了系統的穩定性。實(shí)際測試結果表明，該檢測器具有簡(jiǎn)單可靠，檢測精度高的特點(diǎn)。

隨著(zhù)社會(huì )經(jīng)濟的發(fā)展，城市交通問(wèn)題成為社會(huì )日益關(guān)注的焦點(diǎn)。交通信號燈是保證公路和道路交通暢通和安全的基礎。在此背景下，對交通燈工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監控提出了更高的要求。傳統的交通燈故障檢測仍停留在定期指定人員巡檢的方式，因此檢測周期長(cháng)、信息反饋速度慢，檢測成本高?，F階段交通燈狀態(tài)檢測主要有互感檢測、分壓檢測、升壓檢測、光反饋檢測等。分壓檢測是在被測回路中串接分壓元件，通過(guò)檢測分壓元件上有無(wú)電壓，判斷被測回路有無(wú)電流。具有電路簡(jiǎn)單、成本低、可靠性高的優(yōu)勢，但功耗較大，不利于野外高溫下工作。

升壓檢測是在被測回路中串接升壓變壓器，通過(guò)檢測變壓器次級電壓，判斷回路有無(wú)電流。相比分壓檢測，其功耗大為降低，但是變壓器體積較大，影響線(xiàn)路的排布密度。光反饋檢測根據信號燈的亮、滅狀態(tài)來(lái)判斷信號燈當前的運行情況，有效的克服傳統檢測方案由于外電路漏電等問(wèn)題引起的誤判現象，還可避免電磁干擾，但是易受環(huán)境干擾。互感檢測在抗干擾、高精度交通信號燈狀態(tài)檢測具有其他檢測方法無(wú)法比擬的優(yōu)勢。針對現實(shí)中對信號燈狀態(tài)監測需要高精度、抗干擾的要求，本文從軟硬件協(xié)同策略對驅動(dòng)回路信號進(jìn)行處理，完成了8路信號燈狀態(tài)監測，提高了系統抗干擾性。

1 系統設計原理

電流互感器依據電磁感應原理，將信號燈驅動(dòng)回路的電流按一定變比轉化為數值較小的二次電流，利用高精度采樣電阻對二次電流采樣后，通過(guò)有源整流電路對采樣電壓進(jìn)行整流、放大后，送到微處理器集成的ADC進(jìn)行信號處理，便可測出當前信號燈驅動(dòng)回路電流數值。利用光耦合器的隔離特性間接對信號燈驅動(dòng)回路電壓進(jìn)行檢測，從而精確的判斷信號燈當前的工作狀態(tài)。設計采用分時(shí)選通方法對多路通道進(jìn)行切換，有效的保證了多通道之間的切換速率。同時(shí)，為了提高信號燈狀態(tài)監測系統的魯棒性，在采樣數據處理中采用中位值濾波算法，提高了數據的容錯能力。為提高ADC的轉換精度，利用自校正算法對增益誤差和失調誤差進(jìn)行補償，提高了ADC轉換的準確度。通信電路采用RS-485通訊協(xié)議，完成檢測器與主控制器之間的通信，有較高的穩定性和可靠性。保證了系統低成本、高精度的完成多路信號燈的狀態(tài)監測。

2 硬件設計

2.1 主體構成

本系統采用低功耗MSP430F149微處理器完成多路信號燈驅動(dòng)回路的狀態(tài)監測。系統主要有檢測電路、信號調理電路、顯示電路、數據存儲電路及通信電路構成。主體框圖如圖1所示。

2.2 電流檢測電路

電流檢測電路采用ZMCT103C交流互感器，變比為1000：1，額定輸入電流為5 A，額定輸出電流為5 mA。信號調理電路的集成運放采用LM358，內部包括兩個(gè)獨立的高增益、內部頻率補償的雙運算放大器，并采用雙電源供電，以增大線(xiàn)性動(dòng)態(tài)范圍。信號調理電路由兩級運放構成，采用反相輸入方式，放大倍數為50倍，既能滿(mǎn)足測量要求，又可有效的避免高頻噪聲。對有源整流電路輸出的信號進(jìn)行檢波處理后，通過(guò)調整各參數，便可得到較好的直流信號。為消除電源內阻引起的低頻自激振蕩，在正負電源與地之間分別加0.01uF的電容濾波。電流檢測電路如圖2所示。

2.3 電壓檢測電路

電壓檢測電路原理是將光電耦合器并聯(lián)在信號燈驅動(dòng)回路中，在交流信號的正半周，使光耦開(kāi)關(guān)導通，通過(guò)檢測光電耦合器二次側的電平狀態(tài)來(lái)判斷信號燈電壓的有無(wú)，同時(shí)也起到強、弱電線(xiàn)路隔離的作用，附加的信號指示燈可實(shí)時(shí)顯示檢測電路的工作狀態(tài)，該電路具有簡(jiǎn)單可靠的優(yōu)點(diǎn)。電壓檢測電路如圖3所示。

2.4 顯示與鍵控電路

顯示部分可以通過(guò)RS-485通信在位機上實(shí)時(shí)監控，由于MSP4310F149具有豐富的接口資源，因此設計時(shí)預留了LCD液晶屏的接口?？赏ㄟ^(guò)按鍵控制，在LCD液晶屏上顯示信號燈每一驅動(dòng)回路的狀態(tài)信息，方便日后維護。

2.5 通訊及信息存儲

RS-485電路采用MAX3485芯片，芯片內部集成了一個(gè)驅動(dòng)器和一個(gè)接收器，符合RS-485的通信標準，且性能和特點(diǎn)均滿(mǎn)足本設計的需要。該信號燈狀態(tài)監測系統采用RS-485總線(xiàn)通信方式完成數據通信，實(shí)用于實(shí)際路口交通信號機與多個(gè)狀態(tài)檢測系統組網(wǎng)連接。通過(guò)EEPROM芯片AT24C16存儲信號燈驅動(dòng)回路電壓、電流的狀態(tài)信息，供后期數據分析。通信電路采用RS-485自動(dòng)收發(fā)模式，電路原理圖參考資料較多，此處不再詳述。

2.6 報警電路

當信號燈驅動(dòng)回路電流超過(guò)設定的閾值時(shí)，都會(huì )使信號燈出現異常。通過(guò)安裝在信號機箱內的報警器，發(fā)出警報信號，提醒路人安全通行。同時(shí)將警報信息通過(guò)RS-485總線(xiàn)傳送到中央服務(wù)器，這樣便可以在發(fā)生故障最短的時(shí)間內，將故障信息上傳到控制中心。

3 軟件設計

3.1 系統軟件構成

系統軟件采用模塊化分層設計，包括主控模塊、檢測模塊、顯示模塊、報警模塊和數據通信模塊構成，從而與硬件電路協(xié)同完成對多路信號燈驅動(dòng)回路各參數狀態(tài)監測。在多通道之間相互切換時(shí)，采用分時(shí)選通方式，保證了與主控制器更好的進(jìn)行數據通信。對采樣數據采用中位值平均濾波處理，并采用自校正算法對增益誤差和失調誤差進(jìn)行補償，提高了系統的穩定性和精確度。系統軟件主體流程圖如圖4所示。

3.2 魯棒性設計

在實(shí)際應用中，集成運放容易受到環(huán)境影響產(chǎn)生溫漂，信號經(jīng)放大后會(huì )產(chǎn)生嚴重的失真，故本系統采用LM358集成運放，它具有較好的溫度系數，可有效的提高系統的抗干擾性。雖然LM35集成運放最大限度的提高了系統的檢測精度，但是其本身的硬件上所產(chǎn)生的增益誤差和偏置誤差是不可避免的，為了克服硬件上的不足，本系統采用自校正算法對兩種誤差進(jìn)行補償，極大限度的彌補了集成運放自身的缺陷。在校正的時(shí)候，首先選用ADC的任意兩個(gè)通道作為參考輸入通道，并分別輸入已知的直流參考電壓，通過(guò)讀取相應的結果寄存器獲取轉換值，利用兩組輸出值便可求得ADC模塊得校正增益和校正偏置，然后利用這兩個(gè)值對其他通道轉換數據進(jìn)行補償。同時(shí)，AD采樣數據波動(dòng)也會(huì )對采樣精度造成影響，為提高檢測精度，對采樣數據采用中位值平均濾波算法。該算法融合了中位值濾波法和算術(shù)平均濾波法的優(yōu)點(diǎn)，可消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差。系統在20 ms內，連續采樣20個(gè)數據，去除最大值和最小值，然后計算18個(gè)數據的算術(shù)平均值，經(jīng)數據轉換后，獲得實(shí)際電壓值。經(jīng)實(shí)際測試，檢測精度可達0.5%以上，實(shí)現了對信號燈驅動(dòng)回路電流狀態(tài)的實(shí)時(shí)監測。采樣數據處理流程圖如圖5所示。

3.3 報警設計

本系統在信號燈驅動(dòng)回路電壓異?；螂娏鳟惓６紩?huì )觸發(fā)報警裝置，針對不同的故障狀態(tài)，會(huì )發(fā)出相應警報信息，并將信息傳送到中央服務(wù)器。且具有獨立的供電電源，當信號機供電部分出現故障時(shí)，也不會(huì )影響該系統的正常運行。利用該系統對交通信號燈故障進(jìn)行監控，既不影響現有信號燈驅動(dòng)控制回路，又可以獨立完成報警功能，實(shí)現了在信號燈故障狀態(tài)時(shí)，保證行人安全通行。

4 測試結果分析

MSP430F149單片機內置8路12位的ADC模塊，本設計中，采樣的基準電壓為3.3 V，檢測精度可達10 mV，足以滿(mǎn)足該檢測系統的要求。由于信號燈驅動(dòng)回路的電流為50 Hz交流電，經(jīng)整形后接近平滑直流電壓，但還存在輕微脈動(dòng)，單純依靠硬件電路不能滿(mǎn)足期望目標。故本系統采用軟硬件協(xié)同的策略，利用正弦波的特點(diǎn)，ADC采樣和保持觸發(fā)源選用

定時(shí)器觸發(fā)模式，每1 ms觸發(fā)一次采樣和轉換，然后將20次采樣結果利用中位值平均濾波算法處理，便可得精確電壓值，有效的解決了市電脈動(dòng)對采樣值造成的干擾。實(shí)際測試時(shí)，將電線(xiàn)在互感器上繞兩圈，并通入不同電流值，通過(guò)串口助手可觀(guān)察采樣電壓值，經(jīng)多次采樣并與實(shí)際電壓值對比，線(xiàn)性度較好，檢測精度可達0.5%。測試結果曲線(xiàn)如圖6所示。

5 結論

文中提出了一種新的多路交通信號燈狀態(tài)監測系統，能夠實(shí)現對交通燈驅動(dòng)回路電壓、電流狀態(tài)的監測，并將新的報警策略與該系統結合，應用于路口信號機，可在信號機故障時(shí)，提示行人安全通行。根據軟硬件協(xié)同策略，將中位值平均濾波算法和自校正算法應用在A(yíng)DC采樣中，提高了系統檢測精度。經(jīng)實(shí)際測試證明，利用該系統對交通信號燈故障進(jìn)行檢測和監控，能滿(mǎn)足實(shí)際情況的應用需求。