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多路交通信号灯状态监测系统的设计

gecimao 发表于 2019-06-06 18:14 | 查看: | 回复:

  摘要:交通信号灯状态监测技术是道路交通信号控制关键技术之一,直接关系到道路交通的安全与通畅。文中介绍了一种新型的多路交通信号灯状态监测方法。该方法基于原理,根据互感器次级输出电流,经信号调理电路处理后送到处理器进行AD采样,从而检测信号灯驱动回路的电流。并利用光耦合器电路实现对驱动回路的电压检测。本设计中的多路交通信号灯状态监测系统硬件基于MSP430F149单片机,利用内部集成ADC模块实现多路信号的采集。软件部分,通过算法对采样数据进行处理,有效的抑制了由脉冲干扰所引起额采样值偏差。同时,由于ADC存在的增益误差和失调误差影响其转换精度,因此提出了对两种误差进行补偿,极大的提高了系统检测精度。本系统采用分时选通的工作模式对多路通道进行切换,有效的增强了系统的稳定性。实际测试结果表明,该检测器具有简单可靠,检测精度高的特点。

  随着社会经济的发展,城市交通问题成为社会日益关注的焦点。交通信号灯是保证公路和道路交通畅通和安全的基础。在此背景下,对交通灯工作状态的实时监控提出了更高的要求。传统的交通灯故障检测仍停留在定期指定人员巡检的方式,因此检测周期长、信息反馈速度慢,检测成本高。现阶段交通灯状态检测主要有互感检测、分压检测、升压检测、光反馈检测等。分压检测是在被测回路中串接分压元件,通过检测分压元件上有无电压,判断被测回路有无电流。具有电路简单、成本低、可靠性高的优势,但功耗较大,不利于野外高温下工作。

  升压检测是在被测回路中串接升压变压器,通过检测变压器次级电压,判断回路有无电流。相比分压检测,其功耗大为降低,但是变压器体积较大,影响线路的排布密度。光反馈检测根据信号灯的亮、灭状态来判断信号灯当前的运行情况,有效的克服传统检测方案由于外电路漏电等问题引起的误判现象,还可避免电磁干扰,但是易受环境干扰。互感检测在抗干扰、高精度交通信号灯状态检测具有其他检测方法无法比拟的优势。针对现实中对信号灯状态监测需要高精度、抗干扰的要求,本文从软硬件协同策略对驱动回路信号进行处理,完成了8路信号灯状态监测,提高了系统抗干扰性。

  电流互感器依据电磁感应原理,将信号灯驱动回路的电流按一定变比转化为数值较小的二次电流,利用高精度采样电阻对二次电流采样后,通过有源整流电路对采样电压进行整流、放大后,送到微处理器集成的ADC进行信号处理,便可测出当前信号灯驱动回路电流数值。利用光耦合器的隔离特性间接对信号灯驱动回路电压进行检测,从而精确的判断信号灯当前的工作状态。设计采用分时选通方法对多路通道进行切换,有效的保证了多通道之间的切换速率。同时,为了提高信号灯状态监测系统的鲁棒性,在采样数据处理中采用中位值滤波算法,提高了数据的容错能力。为提高ADC的转换精度,利用自校正算法对增益误差和失调误差进行补偿,提高了ADC转换的准确度。通信电路采用RS-485通讯协议,完成检测器与主控制器之间的通信,有较高的稳定性和可靠性。保证了系统低成本、高精度的完成多路信号灯的状态监测。

  本系统采用低功耗MSP430F149微处理器完成多路信号灯驱动回路的状态监测。系统主要有检测电路、信号调理电路、显示电路、数据存储电路及通信电路构成。主体框图如图1所示。

  电流检测电路采用ZMCT103C交流互感器,变比为1000:1,额定输入电流为5 A,额定输出电流为5 mA。信号调理电路的集成运放采用LM358,内部包括两个独立的高增益、内部频率补偿的双运算放大器,并采用双电源供电,以增大线性动态范围。信号调理电路由两级运放构成,采用反相输入方式,放大倍数为50倍,既能满足测量要求,又可有效的避免高频噪声。对有源整流电路输出的信号进行检波处理后,通过调整各参数,便可得到较好的直流信号。为消除电源内阻引起的低频自激振荡,在正负电源与地之间分别加0.01uF的电容滤波。电流检测电路如图2所示。

  电压检测电路原理是将光电耦合器并联在信号灯驱动回路中,在交流信号的正半周,使光耦开关导通,通过检测光电耦合器二次侧的电平状态来判断信号灯电压的有无,同时也起到强、弱电线路隔离的作用,附加的信号指示灯可实时显示检测电路的工作状态,该电路具有简单可靠的优点。电压检测电路如图3所示。

  显示部分可以通过RS-485通信在位机上实时监控,由于MSP4310F149具有丰富的接口资源,因此设计时预留了LCD液晶屏的接口。可通过按键控制,在LCD液晶屏上显示信号灯每一驱动回路的状态信息,方便日后维护。

  RS-485电路采用MAX3485芯片,芯片内部集成了一个驱动器和一个接收器,符合RS-485的通信标准,且性能和特点均满足本设计的需要。该信号灯状态监测系统采用RS-485总线通信方式完成数据通信,实用于实际路通信号机与多个状态检测系统组网连接。通过EEPROM芯片AT24C16存储信号灯驱动回路电压、电流的状态信息,供后期数据分析。通信电路采用RS-485自动收发模式,电路原理图参考资料较多,此处不再详述。

  当信号灯驱动回路电流超过设定的阈值时,都会使信号灯出现异常。通过安装在信号机箱内的报警器,发出警报信号,提醒路人安全通行。同时将警报信息通过RS-485总线传送到中央服务器,这样便可以在发生故障最短的时间内,将故障信息上传到控制中心。

  系统软件采用模块化分层设计,包括主控模块、检测模块、显示模块、报警模块和数据通信模块构成,从而与硬件电路协同完成对多路信号灯驱动回路各参数状态监测。在多通道之间相互切换时,采用分时选通方式,保证了与主控制器更好的进行数据通信。对采样数据采用中位值平均滤波处理,并采用自校正算法对增益误差和失调误差进行补偿,提高了系统的稳定性和精确度。系统软件主体流程图如图4所示。

  在实际应用中,集成运放容易受到环境影响产生温漂,信号经放大后会产生严重的失线集成运放,它具有较好的温度系数,可有效的提高系统的抗干扰性。虽然LM35集成运放最大限度的提高了系统的检测精度,但是其本身的硬件上所产生的增益误差和偏置误差是不可避免的,为了克服硬件上的不足,本系统采用自校正算法对两种误差进行补偿,极大限度的弥补了集成运放自身的缺陷。在校正的时候,首先选用ADC的任意两个通道作为参考输入通道,并分别输入已知的直流参考电压,通过读取相应的结果寄存器获取转换值,利用两组输出值便可求得ADC模块得校正增益和校正偏置,然后利用这两个值对其他通道转换数据进行补偿。同时,AD采样数据波动也会对采样精度造成影响,为提高检测精度,对采样数据采用中位值平均滤波算法。该算法融合了中位值滤波法和算术平均滤波法的优点,可消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差。系统在20 ms内,连续采样20个数据,去除最大值和最小值,然后计算18个数据的算术平均值,经数据转换后,获得实际电压值。经实际测试,检测精度可达0.5%以上,实现了对信号灯驱动回路电流状态的实时监测。采样数据处理流程图如图5所示。

  本系统在信号灯驱动回路电压异常或电流异常都会触发报警装置,针对不同的故障状态,会发出相应警报信息,并将信息传送到中央服务器。且具有独立的供电电源,当信号机供电部分出现故障时,也不会影响该系统的正常运行。利用该系统对交通信号灯故障进行监控,既不影响现有信号灯驱动控制回路,又可以独立完成报警功能,实现了在信号灯故障状态时,保证行人安全通行。

  MSP430F149单片机内置8路12位的ADC模块,本设计中,采样的基准电压为3.3 V,检测精度可达10 mV,足以满足该检测系统的要求。由于信号灯驱动回路的电流为50 Hz交流电,经整形后接滑直流电压,但还存在轻微脉动,单纯依靠硬件电路不能满足期望目标。故本系统采用软硬件协同的策略,利用正弦波的特点,ADC采样和保持触发源选用

  定时器触发模式,每1 ms触发一次采样和转换,然后将20次采样结果利用中位值平均滤波算法处理,便可得精确电压值,有效的解决了市电脉动对采样值造成的干扰。实际测试时,将电线在互感器上绕两圈,并通入不同电流值,通过串口助手可观察采样电压值,经多次采样并与实际电压值对比,线性度较好,检测精度可达0.5%。测试结果曲线 结论

  文中提出了一种新的多路交通信号灯状态监测系统,能够实现对交通灯驱动回路电压、电流状态的监测,并将新的报警策略与该系统结合,应用于路口信号机,可在信号机故障时,提示行人安全通行。根据软硬件协同策略,将中位值平均滤波算法和自校正算法应用在ADC采样中,提高了系统检测精度。经实际测试证明,利用该系统对交通信号灯故障进行检测和监控,能满足实际情况的应用需求。

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