多路交通信號燈狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的設計

摘要：交通信號燈狀態(tài)監(jiān)測技術是道路交通信號控制關鍵技術之一，直接關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(jiān)測方法。該方法基于互感檢測原理，根據(jù)互感器次級輸出電流，經(jīng)信號調(diào)理電路處理后送到處理器進行AD采樣，從而檢測信號燈驅(qū)動回路的電流。并利用光耦合器電路實現(xiàn)對驅(qū)動回路的電壓檢測。本設計中的多路交通信號燈狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)硬件基于MSP430F149單片機，利用內(nèi)部集成ADC模塊實現(xiàn)多路信號的采集。軟件部分，通過中位值平均濾波算法對采樣數(shù)據(jù)進行處理，有效的抑制了由脈沖干擾所引起額采樣值偏差。同時，由于ADC存在的增益誤差和失調(diào)誤差影響其轉(zhuǎn)換精度，因此提出了自校正算法對兩種誤差進行補償，極大的提高了系統(tǒng)檢測精度。本系統(tǒng)采用分時選通的工作模式對多路通道進行切換，有效的增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。實際測試結(jié)果表明，該檢測器具有簡單可靠，檢測精度高的特點。

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，城市交通問題成為社會日益關注的焦點。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)的實時監(jiān)控提出了更高的要求。傳統(tǒng)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、信息反饋速度慢，檢測成本高?，F(xiàn)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，通過檢測分壓元件上有無電壓，判斷被測回路有無電流。具有電路簡單、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，通過檢測變壓器次級電壓，判斷回路有無電流。相比分壓檢測，其功耗大為降低，但是變壓器體積較大，影響線路的排布密度。光反饋檢測根據(jù)信號燈的亮、滅狀態(tài)來判斷信號燈當前的運行情況，有效的克服傳統(tǒng)檢測方案由于外電路漏電等問題引起的誤判現(xiàn)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法比擬的優(yōu)勢。針對現(xiàn)實中對信號燈狀態(tài)監(jiān)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(qū)動回路信號進行處理，完成了8路信號燈狀態(tài)監(jiān)測，提高了系統(tǒng)抗干擾性。

1 系統(tǒng)設計原理

電流互感器依據(jù)電磁感應原理，將信號燈驅(qū)動回路的電流按一定變比轉(zhuǎn)化為數(shù)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，通過有源整流電路對采樣電壓進行整流、放大后，送到微處理器集成的ADC進行信號處理，便可測出當前信號燈驅(qū)動回路電流數(shù)值。利用光耦合器的隔離特性間接對信號燈驅(qū)動回路電壓進行檢測，從而精確的判斷信號燈當前的工作狀態(tài)。設計采用分時選通方法對多路通道進行切換，有效的保證了多通道之間的切換速率。同時，為了提高信號燈狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的魯棒性，在采樣數(shù)據(jù)處理中采用中位值濾波算法，提高了數(shù)據(jù)的容錯能力。為提高ADC的轉(zhuǎn)換精度，利用自校正算法對增益誤差和失調(diào)誤差進行補償，提高了ADC轉(zhuǎn)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(wěn)定性和可靠性。保證了系統(tǒng)低成本、高精度的完成多路信號燈的狀態(tài)監(jiān)測。

2 硬件設計

2.1 主體構(gòu)成

本系統(tǒng)采用低功耗MSP430F149微處理器完成多路信號燈驅(qū)動回路的狀態(tài)監(jiān)測。系統(tǒng)主要有檢測電路、信號調(diào)理電路、顯示電路、數(shù)據(jù)存儲電路及通信電路構(gòu)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(diào)理電路的集成運放采用LM358，內(nèi)部包括兩個獨立的高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)碾p運算放大器，并采用雙電源供電，以增大線性動態(tài)范圍。信號調(diào)理電路由兩級運放構(gòu)成，采用反相輸入方式，放大倍數(shù)為50倍，既能滿足測量要求，又可有效的避免高頻噪聲。對有源整流電路輸出的信號進行檢波處理后，通過調(diào)整各參數(shù)，便可得到較好的直流信號。為消除電源內(nèi)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(qū)動回路中，在交流信號的正半周，使光耦開關導通，通過檢測光電耦合器二次側(cè)的電平狀態(tài)來判斷信號燈電壓的有無，同時也起到強、弱電線路隔離的作用，附加的信號指示燈可實時顯示檢測電路的工作狀態(tài)，該電路具有簡單可靠的優(yōu)點。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RS-485通信在位機上實時監(jiān)控，由于MSP4310F149具有豐富的接口資源，因此設計時預留了LCD液晶屏的接口。可通過按鍵控制，在LCD液晶屏上顯示信號燈每一驅(qū)動回路的狀態(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(nèi)部集成了一個驅(qū)動器和一個接收器，符合RS-485的通信標準，且性能和特點均滿足本設計的需要。該信號燈狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)采用RS-485總線通信方式完成數(shù)據(jù)通信，實用于實際路口交通信號機與多個狀態(tài)檢測系統(tǒng)組網(wǎng)連接。通過EEPROM芯片AT24C16存儲信號燈驅(qū)動回路電壓、電流的狀態(tài)信息，供后期數(shù)據(jù)分析。通信電路采用RS-485自動收發(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(qū)動回路電流超過設定的閾值時，都會使信號燈出現(xiàn)異常。通過安裝在信號機箱內(nèi)的報警器，發(fā)出警報信號，提醒路人安全通行。同時將警報信息通過RS-485總線傳送到中央服務器，這樣便可以在發(fā)生故障最短的時間內(nèi)，將故障信息上傳到控制中心。

3 軟件設計

3.1 系統(tǒng)軟件構(gòu)成

系統(tǒng)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(shù)據(jù)通信模塊構(gòu)成，從而與硬件電路協(xié)同完成對多路信號燈驅(qū)動回路各參數(shù)狀態(tài)監(jiān)測。在多通道之間相互切換時，采用分時選通方式，保證了與主控制器更好的進行數(shù)據(jù)通信。對采樣數(shù)據(jù)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(diào)誤差進行補償，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確度。系統(tǒng)軟件主體流程圖如圖4所示。

3.2 魯棒性設計

在實際應用中，集成運放容易受到環(huán)境影響產(chǎn)生溫漂，信號經(jīng)放大后會產(chǎn)生嚴重的失真，故本系統(tǒng)采用LM358集成運放，它具有較好的溫度系數(shù)，可有效的提高系統(tǒng)的抗干擾性。雖然LM35集成運放最大限度的提高了系統(tǒng)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(tǒng)采用自校正算法對兩種誤差進行補償，極大限度的彌補了集成運放自身的缺陷。在校正的時候，首先選用ADC的任意兩個通道作為參考輸入通道，并分別輸入已知的直流參考電壓，通過讀取相應的結(jié)果寄存器獲取轉(zhuǎn)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，然后利用這兩個值對其他通道轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進行補償。同時，AD采樣數(shù)據(jù)波動也會對采樣精度造成影響，為提高檢測精度，對采樣數(shù)據(jù)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平均濾波法的優(yōu)點，可消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差。系統(tǒng)在20 ms內(nèi)，連續(xù)采樣20個數(shù)據(jù)，去除最大值和最小值，然后計算18個數(shù)據(jù)的算術平均值，經(jīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后，獲得實際電壓值。經(jīng)實際測試，檢測精度可達0.5%以上，實現(xiàn)了對信號燈驅(qū)動回路電流狀態(tài)的實時監(jiān)測。采樣數(shù)據(jù)處理流程圖如圖5所示。

3.3 報警設計

本系統(tǒng)在信號燈驅(qū)動回路電壓異?；螂娏鳟惓６紩|發(fā)報警裝置，針對不同的故障狀態(tài)，會發(fā)出相應警報信息，并將信息傳送到中央服務器。且具有獨立的供電電源，當信號機供電部分出現(xiàn)故障時，也不會影響該系統(tǒng)的正常運行。利用該系統(tǒng)對交通信號燈故障進行監(jiān)控，既不影響現(xiàn)有信號燈驅(qū)動控制回路，又可以獨立完成報警功能，實現(xiàn)了在信號燈故障狀態(tài)時，保證行人安全通行。

4 測試結(jié)果分析

MSP430F149單片機內(nèi)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，足以滿足該檢測系統(tǒng)的要求。由于信號燈驅(qū)動回路的電流為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，單純依靠硬件電路不能滿足期望目標。故本系統(tǒng)采用軟硬件協(xié)同的策略，利用正弦波的特點，ADC采樣和保持觸發(fā)源選用

定時器觸發(fā)模式，每1 ms觸發(fā)一次采樣和轉(zhuǎn)換，然后將20次采樣結(jié)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對采樣值造成的干擾。實際測試時，將電線在互感器上繞兩圈，并通入不同電流值，通過串口助手可觀察采樣電壓值，經(jīng)多次采樣并與實際電壓值對比，線性度較好，檢測精度可達0.5%。測試結(jié)果曲線如圖6所示。

5 結(jié)論

文中提出了一種新的多路交通信號燈狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對交通燈驅(qū)動回路電壓、電流狀態(tài)的監(jiān)測，并將新的報警策略與該系統(tǒng)結(jié)合，應用于路口信號機，可在信號機故障時，提示行人安全通行。根據(jù)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ADC采樣中，提高了系統(tǒng)檢測精度。經(jīng)實際測試證明，利用該系統(tǒng)對交通信號燈故障進行檢測和監(jiān)控，能滿足實際情況的應用需求。