一种用于公路隧道的交通信号灯转接驱动器设计

2021-09-13刘良旭郑义恒

西部交通科技 2021年6期

刘良旭，郑义恒

(广西交通投资集团崇左高速公路运营有限公司，广西崇左 532200)

0 引言

我国高速公路的总里程越来越长，隧道也越来越多，为了保证车辆的通行效率、保障通行安全，在长隧道内每隔一段距离必须设置交通信号灯引导车辆通行。在传统的方法中，远程控制信号通过专网传输到达PLC，信号灯驱动电路及反馈电路安装在信号灯箱体内置于隧道顶部，两者之间用信号线缆连接。若信号灯故障检修的时候需要摆牌封道，并用工程车辆升到一定高度后才能处理，施工的难度较大，成本较高。根据大量的统计表明，这种情况下信号灯灯板损坏的概率很低，一般损坏部件为驱动板及信号采集电路板。为了节约维护成本，同时降低维护难度，本文设计了一种用于公路隧道的交通灯信号灯转接驱动器，将控制器电箱安装于隧道口侧壁，便于检修维护，如图1所示。

图1 隧道交通信号灯转接驱动器结构示意图

1 电路构成

本驱动器具有以下功能：(1)接收PLC输出信号，指示灯显示每一路信号的状态；(2)输出驱动信号给各个车道的LED信号灯板[1]；(3)检测各路信号灯的亮灭状态；(4)将状态以干接点信号反馈给PLC输入回路；(5)能切换模式，远程模式时接收PLC控制信号，本地模式时能实现本地控制各车道交通灯状态；(6)控制器密码登录，二级安全防护[2]。电路构成框图如图2所示。

图2 电路构成框图

电路包括输入检测及显示电路、信号灯驱动电路、信号灯亮灭检测电路、状态输出及指示电路、单片机、串口屏、远程本地切换电路等。

1.1 输入检测及指示电路

如图3所示，PLC输出点的状态需要在此转接板上构成一个24 V信号回路，检测PLC每一路输出点呈现ON或者OFF的状态，并用LED显示出来，将此信号接单片机。从PLC控制柜到隧道口还有一定的距离，信号线从线缆井穿出来，为了避免干扰信号串入这个回路，需采取光电隔离措施[3]。

图3 输入检测电路图

1.2 信号灯驱动电路

单片机读取PLC的各个输出信号之后，需要驱动对应的每一组交通灯灯板发亮。交通信号灯安装于隧道的顶端有引入雷电等外部干扰信号的可能，因此采用继电器驱动的方式实现了转接板与信号灯回路的隔离，继电器也能保证输出端24 V 500 mA的驱动能力。驱动电路如图4所示。

图4 驱动电路图

1.3 信号灯状态检测电路

检测电路如图5所示，用于检测某一路灯板的亮灭状态，如果单片机已经输出控制信号，但是信号灯板没有发光，由此推测出此灯板已损坏。本方案通过在信号灯回路里面串入取样电阻的方式得到检测电压，同时将这一路电压和基准电压做比较，根据电压比较器输出的结果，单片机能判断出此路信号灯的亮灭状态及灯板是否损坏，并给出相应提示[4]。同样，从电压比较器出来的信号需经过光耦隔离之后输入单机IO口。

图5 状态检测电路图

1.4 状态输出及指示电路

输出电路如图6所示，将单片机检测到的每一路信号灯的亮灭状态通过干接点的形式输出，并接入PLC的输入回路，同时用指示灯将每一路的状态显示出来。选用继电器来实现此功能，在提供干接点信号的同时，实现了输入端与输出端的隔离。

图6 输出电路图

1.5 单片机

对双向四车道的高速公路的应用场景需要4个信号灯箱，每个信号灯有正反两面的显示，因此单片机需要有8路IO链接交通灯的控制信号及8路IO链接交通信号灯的检测信号，也分别需要8路IO连接PLC的输入回路与输出回路，合计需要32个单片机IO口。选用STC15W4K32S4-LQFP44单片机作为主控器件。此单片机具有多达42个IO、4个串口、4 KB RAM空间及32 KB的Flash空间，满足本系统的需要[5]。

1.6 串口屏

在安装信号灯及后期维护道路施工的过程中需要设置为本地模式，此时单片机能灵活地控制每一路信号的通断并观察效果。调试完毕之后需要切换为远程模式，接收PLC的控制信号。登录的过程中也需要密码保护功能，确保只有管理人员才能进行操作，避免误动作发生安全事故。这些人机交互过程需用串口屏来实现。

选用TJC4832TI35_001R系列串口屏，显示尺寸为73 mm×48 mm，分辨率为480×320，触摸方式为电阻式。单片机采用串口指令与之实现交互，灵活方便。

2 程序流程图

单片机程序流程如图7所示，通电开机之后单片机进入系统自检及各种参数的初始化工作，包括初始化堆栈、状态代码清零、各个IO口模式设置、系统时钟参数设置、定时器初始化、串口初始化、中断初始化等。之后接收串口屏发送过来的串口数据，并解析这些数据。工作人员操作的第一步为密码验证，单片机将收到的密码和Flash中保存的密码做比较。正确无误之后才能进行后续操作。

图7 程序流程图

接下来串口屏发送工作模式指令，明确“远程模式”或者“本地模式”。若为“远程模式”，单片机读取PLC输出回来对应的IO口状态，并将这些信号对应输出到灯板驱动继电器相关的IO口。同时读取状态检测引脚的数据，把此数据与IO的输出数据做比较，两者相同说明车道指示器工作正常，并把此状态信号输出到继电器控制IO，最终传输给PLC的输入回路。若两者不同，说明某一路或几路车道指示器工作不正常，单片机向串口屏发送错误提示信息。刷新IO输入及输出数据的频率为1 Hz，即每秒钟读取一种PLC的输出数据并控制对应的车道指示器工作，确保远程信号能及时响应。

若为“本地模式”，单片机接收串口屏发送过来的车道指示器亮灭控制指令，并将此数据赋值给对应的IO，使与之对应的继电器导通，从而控制相应的车道指示器工作。同时读取状态检测数据，通过比较判断各个车道指示器是否正常工作。

3 测试结果

现场测试表明，此车道指示器的转接驱动器能够及时响应远程PLC输出的控制信号，并将各路指示器的工作状态信号反馈给PLC的输入回路。整个电路的输入输出都采用继电器或者光耦实现了单片机与外部信号的物理隔离，保证了电路运行的稳定可靠。串口屏的操作需要验证密码，确保系统不会被无关人员误动作。设置为本地模式时，也能通过串口屏直接控制每一路车道指示器的红叉绿箭正常工作，这一功能在电路检修和现场交通疏导的时候特别有用。