多路交通信号灯状态监测系统的设计

乔志龙，张军强

（北方工业大学 城市道路交通智能控制技术北京市重点实验室，北京100041）

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[1]。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。

1 系统设计原理

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[7]。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。

2 硬件设计

2.1 主体构成

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。

图1 系统主体结构图Fig. 1 Overall diagram system

2.2 电流检测电路

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[2]。 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。

2.3 电压检测电路

图2 电流检测电路图Fig. 2 Current detection circuit

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。

图3 电压检测电路图Fig. 3 Current detection circuit

2.4 显示与键控电路

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。

2.5 通讯及信息存储

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， 实用于实际路口交通信号机与多个状态检测系统组网连接[3]。 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。

2.6 报警电路

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。

3 软件设计

3.1 系统软件构成

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[4]。 系统软件主体流程图如图4 所示。

图4 软件设计流程图Fig. 4 Software design process

3.2 鲁棒性设计

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真， 故本系统采用LM358 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[5]。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。

图5 采样数据处理流程图Fig. 5 Sample data processing process

3.3 报警设计

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。

4 测试结果分析

MSP430F149 单片机内置8 路12 位的ADC 模块[6]，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，经整形后接近平滑直流电压，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%。 测试结果曲线如图6 所示。

图6 测试结果曲线图Fig. 6 Test results curve

5 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。

[1] 方学新，何广进，胡家彬，交通信号机的信号灯故障检测技术研究[J]. 道路交通与安全，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] 华成英，童诗白. 模拟电子技术基础[M]. 北京：高等教育出版社，2006.

[3] 李明，黄天成，孙涛. 基于RS-485总线的现场监测单元的设计与实现[J]. 计算机工程应用，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] 庄斌，杨晓光，李克平. 道路交通拥挤事件判别准则与检测算法[J]. 中国公路学报，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] 今涌涛.电阻式电流互感器的研究[M].武汉：武汉大学，2010.

[6] 魏小龙. MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002.

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