喬志龍，張軍強

（北方工業(yè)大學 城市道路交通智能控制技術北京市重點實驗室，北京100041）

隨著社會經濟的發(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。現階段交通燈狀態(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象，還可避免電磁干擾，但是易受環(huán)境干擾[1]。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，本文從軟硬件協同策略對驅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

電流互感器依據電磁感應原理，將信號燈驅動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動回路電流數值。 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， 在采樣數據處理中采用中位值濾波算法，提高了數據的容錯能力[7]。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行補償，提高了ADC 轉換的準確度。 通信電路采用RS-485 通訊協議，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 主體構成

本系統(tǒng)采用低功耗MSP430F149 微處理器完成多路信號燈驅動回路的狀態(tài)監(jiān)測。系統(tǒng)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。

圖1 系統(tǒng)主體結構圖Fig. 1 Overall diagram system

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，以增大線性動態(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，既能滿足測量要求，又可有效的避免高頻噪聲[2]。 對有源整流電路輸出的信號進行檢波處理后，通過調整各參數，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

圖2 電流檢測電路圖Fig. 2 Current detection circuit

電壓檢測電路原理是將光電耦合器并聯在信號燈驅動回路中，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。

圖3 電壓檢測電路圖Fig. 3 Current detection circuit

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，芯片內部集成了一個驅動器和一個接收器，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據通信， 實用于實際路口交通信號機與多個狀態(tài)檢測系統(tǒng)組網連接[3]。 通過EEPROM 芯片AT24C16存儲信號燈驅動回路電壓、 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

當信號燈驅動回路電流超過設定的閾值時， 都會使信號燈出現異常。 通過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，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、報警模塊和數據通信模塊構成，從而與硬件電路協同完成對多路信號燈驅動回路各參數狀態(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行補償， 提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確度[4]。 系統(tǒng)軟件主體流程圖如圖4 所示。

圖4 軟件設計流程圖Fig. 4 Software design process

3.2 魯棒性設計

在實際應用中，集成運放容易受到環(huán)境影響產生溫漂，信號經放大后會產生嚴重的失真， 故本系統(tǒng)采用LM358 集成運放，它具有較好的溫度系數，可有效的提高系統(tǒng)的抗干擾性[5]。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， 然后利用這兩個值對其他通道轉換數據進行補償。 同時，AD 采樣數據波動也會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， 連續(xù)采樣20 個數據，去除最大值和最小值，然后計算18 個數據的算術平均值，經數據轉換后，獲得實際電壓值。經實際測試，檢測精度可達0.5%以上，實現了對信號燈驅動回路電流狀態(tài)的實時監(jiān)測。 采樣數據處理流程圖如圖5 所示。

圖5 采樣數據處理流程圖Fig. 5 Sample data processing process

3.3 報警設計

本系統(tǒng)在信號燈驅動回路電壓異?；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， 既不影響現有信號燈驅動控制回路，又可以獨立完成報警功能，實現了在信號燈故障狀態(tài)時，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[6]，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。 由于信號燈驅動回路的電流為50 Hz交流電，經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%。 測試結果曲線如圖6 所示。

圖6 測試結果曲線圖Fig. 6 Test results curve

5 結論

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)，能夠實現對交通燈驅動回路電壓、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。 根據軟硬件協同策略，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。

[1] 方學新，何廣進，胡家彬，交通信號機的信號燈故障檢測技術研究[J]. 道路交通與安全，2009，9(3)：33-36.FANG Xue-xin, HE Guang-jin, HU Jia-bin. Research on signal lamp fault - detection technology of road traffic signal controller [J]. Road Traffic and Security,2009，9(3)：33-36.

[2] 華成英，童詩白. 模擬電子技術基礎[M]. 北京：高等教育出版社，2006.

[3] 李明，黃天成，孫濤. 基于RS-485總線的現場監(jiān)測單元的設計與實現[J]. 計算機工程應用，2003(30)：209-211.LI Ming, HUANG Tian -shu, SUN Tao. Design and Implementation of Local Monitoring Unit Base on RS-485 Bus [J]. Computer Engineering and Applications, 2003(30)：209-211.

[4] 莊斌，楊曉光，李克平. 道路交通擁擠事件判別準則與檢測算法[J]. 中國公路學報，2006，19(3)：82-86.ZHUANG Bin, YANG Xiao-guang, LI Ke-ping.Criterion and detection algorithm for road traffic congestion incidents[J].China Journal of Highway and Transport,2006，19(3)：82-86.

[5] 今涌濤.電阻式電流互感器的研究[M].武漢：武漢大學，2010.

[6] 魏小龍. MSP430系列單片機接口技術及系統(tǒng)設計實例[M].北京：北京航空航天大學出版社，2002.

[7] Knaian A N.A wireless sensor network for smart roadbeds and intelligent transportation systems [J]. USA:Masschusetts Institute of Technology，2000.