多路交通信號(hào)燈狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：交通信號(hào)燈狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)是道路交通信號(hào)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(hào)燈狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法。該方法基于互感檢測(cè)原理，根據(jù)互感器次級(jí)輸出電流，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路處理后送到處理器進(jìn)行AD采樣，從而檢測(cè)信號(hào)燈驅(qū)動(dòng)回路的電流。并利用光耦合器電路實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)回路的電壓檢測(cè)。本設(shè)計(jì)中的多路交通信號(hào)燈狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件基于MSP430F149單片機(jī)，利用內(nèi)部集成ADC模塊實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)的采集。軟件部分，通過(guò)中位值平均濾波算法對(duì)采樣數(shù)據(jù)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(duì)兩種誤差進(jìn)行補(bǔ)償，極大的提高了系統(tǒng)檢測(cè)精度。本系統(tǒng)采用分時(shí)選通的工作模式對(duì)多路通道進(jìn)行切換，有效的增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，該檢測(cè)器具有簡(jiǎn)單可靠，檢測(cè)精度高的特點(diǎn)。

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(hào)燈是保證公路和道路交通暢通和安全的基礎(chǔ)。在此背景下，對(duì)交通燈工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控提出了更高的要求。傳統(tǒng)的交通燈故障檢測(cè)仍停留在定期指定人員巡檢的方式，因此檢測(cè)周期長(zhǎng)、信息反饋速度慢，檢測(cè)成本高?，F(xiàn)階段交通燈狀態(tài)檢測(cè)主要有互感檢測(cè)、分壓檢測(cè)、升壓檢測(cè)、光反饋檢測(cè)等。分壓檢測(cè)是在被測(cè)回路中串接分壓元件，通過(guò)檢測(cè)分壓元件上有無(wú)電壓，判斷被測(cè)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(shì)，但功耗較大，不利于野外高溫下工作。

升壓檢測(cè)是在被測(cè)回路中串接升壓變壓器，通過(guò)檢測(cè)變壓器次級(jí)電壓，判斷回路有無(wú)電流。相比分壓檢測(cè)，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(cè)根據(jù)信號(hào)燈的亮、滅狀態(tài)來(lái)判斷信號(hào)燈當(dāng)前的運(yùn)行情況，有效的克服傳統(tǒng)檢測(cè)方案由于外電路漏電等問(wèn)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(cè)在抗干擾、高精度交通信號(hào)燈狀態(tài)檢測(cè)具有其他檢測(cè)方法無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。針對(duì)現(xiàn)實(shí)中對(duì)信號(hào)燈狀態(tài)監(jiān)測(cè)需要高精度、抗干擾的要求，本文從軟硬件協(xié)同策略對(duì)驅(qū)動(dòng)回路信號(hào)進(jìn)行處理，完成了8路信號(hào)燈狀態(tài)監(jiān)測(cè)，提高了系統(tǒng)抗干擾性。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

電流互感器依據(jù)電磁感應(yīng)原理，將信號(hào)燈驅(qū)動(dòng)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(duì)二次電流采樣后，通過(guò)有源整流電路對(duì)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(hào)處理，便可測(cè)出當(dāng)前信號(hào)燈驅(qū)動(dòng)回路電流數(shù)值。利用光耦合器的隔離特性間接對(duì)信號(hào)燈驅(qū)動(dòng)回路電壓進(jìn)行檢測(cè)，從而精確的判斷信號(hào)燈當(dāng)前的工作狀態(tài)。設(shè)計(jì)采用分時(shí)選通方法對(duì)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(hào)燈狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(cuò)能力。為提高ADC的轉(zhuǎn)換精度，利用自校正算法對(duì)增益誤差和失調(diào)誤差進(jìn)行補(bǔ)償，提高了ADC轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確度。通信電路采用RS-485通訊協(xié)議，完成檢測(cè)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(hào)燈的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

2 硬件設(shè)計(jì)

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(hào)燈驅(qū)動(dòng)回路的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)主要有檢測(cè)電路、信號(hào)調(diào)理電路、顯示電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(cè)電路

電流檢測(cè)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(hào)調(diào)理電路的集成運(yùn)放采用LM358，內(nèi)部包括兩個(gè)獨(dú)立的高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器，并采用雙電源供電，以增大線性動(dòng)態(tài)范圍。信號(hào)調(diào)理電路由兩級(jí)運(yùn)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(cè)量要求，又可有效的避免高頻噪聲。對(duì)有源整流電路輸出的信號(hào)進(jìn)行檢波處理后，通過(guò)調(diào)整各參數(shù)，便可得到較好的直流信號(hào)。為消除電源內(nèi)阻引起的低頻自激振蕩，在正負(fù)電源與地之間分別加0.01uF的電容濾波。電流檢測(cè)電路如圖2所示。

2.3 電壓檢測(cè)電路

電壓檢測(cè)電路原理是將光電耦合器并聯(lián)在信號(hào)燈驅(qū)動(dòng)回路中，在交流信號(hào)的正半周，使光耦開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，通過(guò)檢測(cè)光電耦合器二次側(cè)的電平狀態(tài)來(lái)判斷信號(hào)燈電壓的有無(wú)，同時(shí)也起到強(qiáng)、弱電線路隔離的作用，附加的信號(hào)指示燈可實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)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(cè)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(jī)上實(shí)時(shí)監(jiān)控，由于MSP4310F149具有豐富的接口資源，因此設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留了LCD液晶屏的接口。可通過(guò)按鍵控制，在LCD液晶屏上顯示信號(hào)燈每一驅(qū)動(dòng)回路的狀態(tài)信息，方便日后維護(hù)。

2.5 通訊及信息存儲(chǔ)

RS-485電路采用MAX3485芯片，芯片內(nèi)部集成了一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)接收器，符合RS-485的通信標(biāo)準(zhǔn)，且性能和特點(diǎn)均滿足本設(shè)計(jì)的需要。該信號(hào)燈狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用RS-485總線通信方式完成數(shù)據(jù)通信，實(shí)用于實(shí)際路口交通信號(hào)機(jī)與多個(gè)狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)組網(wǎng)連接。通過(guò)EEPROM芯片AT24C16存儲(chǔ)信號(hào)燈驅(qū)動(dòng)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(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(bào)警電路

當(dāng)信號(hào)燈驅(qū)動(dòng)回路電流超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)，都會(huì)使信號(hào)燈出現(xiàn)異常。通過(guò)安裝在信號(hào)機(jī)箱內(nèi)的報(bào)警器，發(fā)出警報(bào)信號(hào)，提醒路人安全通行。同時(shí)將警報(bào)信息通過(guò)RS-485總線傳送到中央服務(wù)器，這樣便可以在發(fā)生故障最短的時(shí)間內(nèi)，將故障信息上傳到控制中心。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件構(gòu)成

系統(tǒng)軟件采用模塊化分層設(shè)計(jì)，包括主控模塊、檢測(cè)模塊、顯示模塊、報(bào)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(duì)多路信號(hào)燈驅(qū)動(dòng)回路各參數(shù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)。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(shù)據(jù)通信。對(duì)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(duì)增益誤差和失調(diào)誤差進(jìn)行補(bǔ)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(shè)計(jì)

在實(shí)際應(yīng)用中，集成運(yùn)放容易受到環(huán)境影響產(chǎn)生溫漂，信號(hào)經(jīng)放大后會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的失真，故本系統(tǒng)采用LM358集成運(yùn)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(yùn)放最大限度的提高了系統(tǒng)的檢測(cè)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(duì)兩種誤差進(jìn)行補(bǔ)償，極大限度的彌補(bǔ)了集成運(yùn)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(yīng)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(gè)值對(duì)其他通道轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償。同時(shí)，AD采樣數(shù)據(jù)波動(dòng)也會(huì)對(duì)采樣精度造成影響，為提高檢測(cè)精度，對(duì)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(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(tǒng)在20 ms內(nèi)，連續(xù)采樣20個(gè)數(shù)據(jù)，去除最大值和最小值，然后計(jì)算18個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值，經(jīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后，獲得實(shí)際電壓值。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，檢測(cè)精度可達(dá)0.5%以上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)信號(hào)燈驅(qū)動(dòng)回路電流狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。采樣數(shù)據(jù)處理流程圖如圖5所示。

3.3 報(bào)警設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)在信號(hào)燈驅(qū)動(dòng)回路電壓異?；螂娏鳟惓６紩?huì)觸發(fā)報(bào)警裝置，針對(duì)不同的故障狀態(tài)，會(huì)發(fā)出相應(yīng)警報(bào)信息，并將信息傳送到中央服務(wù)器。且具有獨(dú)立的供電電源，當(dāng)信號(hào)機(jī)供電部分出現(xiàn)故障時(shí)，也不會(huì)影響該系統(tǒng)的正常運(yùn)行。利用該系統(tǒng)對(duì)交通信號(hào)燈故障進(jìn)行監(jiān)控，既不影響現(xiàn)有信號(hào)燈驅(qū)動(dòng)控制回路，又可以獨(dú)立完成報(bào)警功能，實(shí)現(xiàn)了在信號(hào)燈故障狀態(tài)時(shí)，保證行人安全通行。

4 測(cè)試結(jié)果分析

MSP430F149單片機(jī)內(nèi)置8路12位的ADC模塊，本設(shè)計(jì)中，采樣的基準(zhǔn)電壓為3.3 V，檢測(cè)精度可達(dá)10 mV，足以滿足該檢測(cè)系統(tǒng)的要求。由于信號(hào)燈驅(qū)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足期望目標(biāo)。故本系統(tǒng)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(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(dòng)對(duì)采樣值造成的干擾。實(shí)際測(cè)試時(shí)，將電線在互感器上繞兩圈，并通入不同電流值，通過(guò)串口助手可觀察采樣電壓值，經(jīng)多次采樣并與實(shí)際電壓值對(duì)比，線性度較好，檢測(cè)精度可達(dá)0.5%。測(cè)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(hào)燈狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)交通燈驅(qū)動(dòng)回路電壓、電流狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，并將新的報(bào)警策略與該系統(tǒng)結(jié)合，應(yīng)用于路口信號(hào)機(jī)，可在信號(hào)機(jī)故障時(shí)，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(yīng)用在ADC采樣中，提高了系統(tǒng)檢測(cè)精度。經(jīng)實(shí)際測(cè)試證明，利用該系統(tǒng)對(duì)交通信號(hào)燈故障進(jìn)行檢測(cè)和監(jiān)控，能滿足實(shí)際情況的應(yīng)用需求。