一種用于公路隧道的交通信號燈轉接驅動器設計

劉良旭，鄭義恒

(廣西交通投資集團崇左高速公路運營有限公司， 廣西 崇左 532200)

0 引言

我國高速公路的總里程越來越長，隧道也越來越多，為了保證車輛的通行效率、保障通行安全，在長隧道內每隔一段距離必須設置交通信號燈引導車輛通行。在傳統(tǒng)的方法中，遠程控制信號通過專網傳輸?shù)竭_PLC，信號燈驅動電路及反饋電路安裝在信號燈箱體內置于隧道頂部，兩者之間用信號線纜連接。若信號燈故障檢修的時候需要擺牌封道，并用工程車輛升到一定高度后才能處理，施工的難度較大，成本較高。根據(jù)大量的統(tǒng)計表明，這種情況下信號燈燈板損壞的概率很低，一般損壞部件為驅動板及信號采集電路板。為了節(jié)約維護成本，同時降低維護難度，本文設計了一種用于公路隧道的交通燈信號燈轉接驅動器，將控制器電箱安裝于隧道口側壁，便于檢修維護，如圖1所示。

圖1 隧道交通信號燈轉接驅動器結構示意圖

1 電路構成

本驅動器具有以下功能：(1)接收PLC輸出信號，指示燈顯示每一路信號的狀態(tài)；(2)輸出驅動信號給各個車道的LED信號燈板[1]；(3)檢測各路信號燈的亮滅狀態(tài)；(4)將狀態(tài)以干接點信號反饋給PLC輸入回路；(5)能切換模式，遠程模式時接收PLC控制信號，本地模式時能實現(xiàn)本地控制各車道交通燈狀態(tài)；(6)控制器密碼登錄，二級安全防護[2]。電路構成框圖如圖2所示。

圖2 電路構成框圖

電路包括輸入檢測及顯示電路、信號燈驅動電路、信號燈亮滅檢測電路、狀態(tài)輸出及指示電路、單片機、串口屏、遠程本地切換電路等。

1.1 輸入檢測及指示電路

如圖3所示，PLC輸出點的狀態(tài)需要在此轉接板上構成一個24 V信號回路，檢測PLC每一路輸出點呈現(xiàn)ON或者OFF的狀態(tài)，并用LED顯示出來，將此信號接單片機。從PLC控制柜到隧道口還有一定的距離，信號線從線纜井穿出來，為了避免干擾信號串入這個回路，需采取光電隔離措施[3]。

圖3 輸入檢測電路圖

1.2 信號燈驅動電路

單片機讀取PLC的各個輸出信號之后，需要驅動對應的每一組交通燈燈板發(fā)亮。交通信號燈安裝于隧道的頂端有引入雷電等外部干擾信號的可能，因此采用繼電器驅動的方式實現(xiàn)了轉接板與信號燈回路的隔離，繼電器也能保證輸出端24 V 500 mA的驅動能力。驅動電路如圖4所示。

圖4 驅動電路圖

1.3 信號燈狀態(tài)檢測電路

檢測電路如圖5所示，用于檢測某一路燈板的亮滅狀態(tài)，如果單片機已經輸出控制信號，但是信號燈板沒有發(fā)光，由此推測出此燈板已損壞。本方案通過在信號燈回路里面串入取樣電阻的方式得到檢測電壓，同時將這一路電壓和基準電壓做比較，根據(jù)電壓比較器輸出的結果，單片機能判斷出此路信號燈的亮滅狀態(tài)及燈板是否損壞，并給出相應提示[4]。同樣，從電壓比較器出來的信號需經過光耦隔離之后輸入單機IO口。

圖5 狀態(tài)檢測電路圖

1.4 狀態(tài)輸出及指示電路

輸出電路如圖6所示，將單片機檢測到的每一路信號燈的亮滅狀態(tài)通過干接點的形式輸出，并接入PLC的輸入回路，同時用指示燈將每一路的狀態(tài)顯示出來。選用繼電器來實現(xiàn)此功能，在提供干接點信號的同時，實現(xiàn)了輸入端與輸出端的隔離。

圖6 輸出電路圖

1.5 單片機

對雙向四車道的高速公路的應用場景需要4個信號燈箱，每個信號燈有正反兩面的顯示，因此單片機需要有8路IO鏈接交通燈的控制信號及8路IO鏈接交通信號燈的檢測信號，也分別需要8路IO連接PLC的輸入回路與輸出回路，合計需要32個單片機IO口。選用STC15W4K32S4-LQFP44單片機作為主控器件。此單片機具有多達42個IO、4個串口、4 KB RAM空間及32 KB的Flash空間，滿足本系統(tǒng)的需要[5]。

1.6 串口屏

在安裝信號燈及后期維護道路施工的過程中需要設置為本地模式，此時單片機能靈活地控制每一路信號的通斷并觀察效果。調試完畢之后需要切換為遠程模式，接收PLC的控制信號。登錄的過程中也需要密碼保護功能，確保只有管理人員才能進行操作，避免誤動作發(fā)生安全事故。這些人機交互過程需用串口屏來實現(xiàn)。

選用TJC4832TI35_001R系列串口屏，顯示尺寸為73 mm×48 mm，分辨率為480×320，觸摸方式為電阻式。單片機采用串口指令與之實現(xiàn)交互，靈活方便。

2 程序流程圖

單片機程序流程如圖7所示，通電開機之后單片機進入系統(tǒng)自檢及各種參數(shù)的初始化工作，包括初始化堆棧、狀態(tài)代碼清零、各個IO口模式設置、系統(tǒng)時鐘參數(shù)設置、定時器初始化、串口初始化、中斷初始化等。之后接收串口屏發(fā)送過來的串口數(shù)據(jù)，并解析這些數(shù)據(jù)。工作人員操作的第一步為密碼驗證，單片機將收到的密碼和Flash中保存的密碼做比較。正確無誤之后才能進行后續(xù)操作。

圖7 程序流程圖

接下來串口屏發(fā)送工作模式指令，明確“遠程模式”或者“本地模式”。若為“遠程模式”，單片機讀取PLC輸出回來對應的IO口狀態(tài)，并將這些信號對應輸出到燈板驅動繼電器相關的IO口。同時讀取狀態(tài)檢測引腳的數(shù)據(jù)，把此數(shù)據(jù)與IO的輸出數(shù)據(jù)做比較，兩者相同說明車道指示器工作正常，并把此狀態(tài)信號輸出到繼電器控制IO，最終傳輸給PLC的輸入回路。若兩者不同，說明某一路或幾路車道指示器工作不正常，單片機向串口屏發(fā)送錯誤提示信息。刷新IO輸入及輸出數(shù)據(jù)的頻率為1 Hz，即每秒鐘讀取一種PLC的輸出數(shù)據(jù)并控制對應的車道指示器工作，確保遠程信號能及時響應。

若為“本地模式”，單片機接收串口屏發(fā)送過來的車道指示器亮滅控制指令，并將此數(shù)據(jù)賦值給對應的IO，使與之對應的繼電器導通，從而控制相應的車道指示器工作。同時讀取狀態(tài)檢測數(shù)據(jù)，通過比較判斷各個車道指示器是否正常工作。

3 測試結果

現(xiàn)場測試表明，此車道指示器的轉接驅動器能夠及時響應遠程PLC輸出的控制信號，并將各路指示器的工作狀態(tài)信號反饋給PLC的輸入回路。整個電路的輸入輸出都采用繼電器或者光耦實現(xiàn)了單片機與外部信號的物理隔離，保證了電路運行的穩(wěn)定可靠。串口屏的操作需要驗證密碼，確保系統(tǒng)不會被無關人員誤動作。設置為本地模式時，也能通過串口屏直接控制每一路車道指示器的紅叉綠箭正常工作，這一功能在電路檢修和現(xiàn)場交通疏導的時候特別有用。

4 結語

綜上所述，本設計比傳統(tǒng)的控制方式更加科學合理，既能實現(xiàn)基本的遠程控制功能，還能進行本地控制，且安裝位置從原來的車道指示器內部下移至隧道墻體側面，更加利于后期的維護保養(yǎng)，值得大力推廣應用。