摘 要: 針對(duì)交通信號(hào)控制機(jī)的惡劣工作環(huán)境,介紹了信號(hào)控制機(jī)所采用的一些有效的異常情況處理技術(shù),,并將信號(hào)檢測(cè),、故障診斷、軟硬件抗干擾,、防雷等技術(shù)靈活運(yùn)用到了交通信號(hào)控制機(jī)中,,試驗(yàn)結(jié)果表明這些診斷與防護(hù)技術(shù)大大提高了信號(hào)控制機(jī)的可靠性、可維護(hù)性,、穩(wěn)定性,、抗干擾性、智能性(自診斷功能)和安全性,。
關(guān)鍵詞: 交通信號(hào)控制機(jī) 故障診斷 抗干擾技術(shù)
交通信號(hào)控制機(jī)(以下簡(jiǎn)稱信號(hào)機(jī)" title="信號(hào)機(jī)">信號(hào)機(jī))是用來操縱路口信號(hào)燈使之按照一定規(guī)律變化的一種控制裝置,,是對(duì)城市交叉路口車輛進(jìn)行指揮和疏導(dǎo)的控制系統(tǒng)的重要組成部分,,對(duì)城市道路的暢通、城市交通的安全以及城市交通的管理都起著至關(guān)重要的作用,。
但由于信號(hào)機(jī)安裝在城市路口,,工作環(huán)境惡劣,因而在實(shí)際工作運(yùn)行中會(huì)受到各種各樣的外界干擾,,很容易出現(xiàn)機(jī)器故障,,如信號(hào)燈故障,、雙向晶閘管" title="雙向晶閘管">雙向晶閘管故障,、程序存儲(chǔ)器故障以及綠信號(hào)沖突故障等。如果這些外界干擾和機(jī)器故障沒有事先防范并得到診斷處理,,信號(hào)機(jī)不但不能發(fā)揮其應(yīng)有的控制作用,,反而會(huì)誘發(fā)交通事故,引起交通堵塞,,造成嚴(yán)重的后果,。因此采取一些有效的措施,增強(qiáng)信號(hào)機(jī)的自診斷功能,、抗干擾能力和防護(hù)能力,,保證其可靠、穩(wěn)定地運(yùn)行,,是提高交通信號(hào)控制機(jī)實(shí)用性所必須解決的問題,。
經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn),我國(guó)大部分信號(hào)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)在設(shè)計(jì)生產(chǎn)過程中,,只注重信號(hào)機(jī)功能的實(shí)現(xiàn),,而對(duì)信號(hào)機(jī)的故障診斷技術(shù)、抗干擾技術(shù)" title="抗干擾技術(shù)">抗干擾技術(shù)以及其它防護(hù)技術(shù)考慮得較少,,不能很好地滿足信號(hào)機(jī)實(shí)際工作環(huán)境的要求,,而且國(guó)內(nèi)在如何提高信號(hào)機(jī)的穩(wěn)定性、可靠性以及抗干擾性等方面的研究[1~2]甚少,。因此,,無論是從理論上還是從實(shí)際上來講,對(duì)信號(hào)機(jī)故障診斷與防護(hù)技術(shù)進(jìn)行深入細(xì)致的研究都很有必要,。
1 故障診斷技術(shù)
1.1驅(qū)動(dòng)部分的故障檢測(cè)" title="故障檢測(cè)">故障檢測(cè)與診斷
由于信號(hào)機(jī)驅(qū)動(dòng)部分是功率放大電路,,容易損壞,從而引起信號(hào)機(jī)執(zhí)行故障,,因此需要設(shè)計(jì)與之匹配的檢測(cè)電路,,將驅(qū)動(dòng)電路的工作狀態(tài)及時(shí)地反饋到信號(hào)控制器,實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)與故障處理的自診斷功能,。信號(hào)機(jī)驅(qū)動(dòng)部分的主要故障分為信號(hào)燈開路,、雙向晶閘管開路和雙向晶閘管短路三種,。由于排除信號(hào)燈故障所需的工作量較大,因此進(jìn)行故障診斷時(shí)有必要將信號(hào)燈故障與雙向晶閘管故障區(qū)分開來,。采用電流檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)信號(hào)燈回路電流,,可以檢測(cè)到雙向晶閘管短路故障,但不能區(qū)分信號(hào)燈開路故障和雙向晶閘管開路故障,;采用電壓檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)信號(hào)燈兩端電壓,,不能檢測(cè)到信號(hào)燈開路故障;采用電壓檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)雙向晶閘管兩端電壓,,可以檢測(cè)到雙向晶閘管開路故障,,但不能區(qū)分信號(hào)燈開路故障和雙向晶閘管短路故障。因此要實(shí)現(xiàn)故障的有效精確診斷,,必須結(jié)合使用電流檢測(cè)技術(shù)與電壓檢測(cè)技術(shù),。實(shí)際采用的檢測(cè)電路如圖1所示。
檢測(cè)電路的工作原理為:當(dāng)信號(hào)燈L與雙向晶閘管BCR都正常時(shí),,假若輸入信號(hào)A為高電平" title="高電平">高電平,,BCR將關(guān)斷,此時(shí)將形成L→BR1→R9→BR1→C3→R14→BR2→R12→R13→OPTO2→BR2的回路,,輸出信號(hào)B為高電平,,輸出信號(hào)C為低電平;假若輸入信號(hào)A為低電平,,BCR將導(dǎo)通,,此時(shí)將形成L→BR1→R9(R11→OPTO1→R10)→BR1→BCR的回路,輸出信號(hào)B為低電平,,輸出信號(hào)C為高電平,。當(dāng)信號(hào)燈L損壞時(shí),此時(shí)無法形成電流回路,,輸出信號(hào)B與輸出信號(hào)C恒為高電平,。當(dāng)信號(hào)燈L正常、雙向晶閘管BCR開路時(shí),,此時(shí)將形成L→BR1→R9→BR1→C3→R14→BR2→R12→R13→OPTO2→BR2的回路,,輸出信號(hào)B恒為高電平,輸出信號(hào)C恒為低電平,。當(dāng)信號(hào)燈L正常,、雙向晶閘管BCR短路時(shí),此時(shí)將形成L→BR1→R9(R11→OPTO1→R10)→BR1→BCR的回路,,輸出信號(hào)B恒為低電平,,輸出信號(hào)C恒為高電平。
1.2 程序存儲(chǔ)器(EPROM)的故障檢測(cè)
由于EPROM中存放著信號(hào)機(jī)的控制程序,,為了確保信號(hào)機(jī)開機(jī)后能正確可靠地工作,,對(duì)EPROM進(jìn)行開機(jī)自檢至關(guān)重要,,這樣可以將一些信號(hào)機(jī)故障遏制在萌芽狀態(tài)。EPROM故障檢測(cè)常采用“校驗(yàn)和”的方法,,具體做法為:將EPROM所有存儲(chǔ)單元進(jìn)行異或,,判斷異或結(jié)果是否為#0FFH,從而確定是否存在EPROM故障,。在進(jìn)行EPROM故障檢測(cè)之前,,必須根據(jù)實(shí)際的程序機(jī)器碼和空余EPROM的存儲(chǔ)值,在控制程序末尾添加合適的“校驗(yàn)字”,,使得對(duì)EPROM所有存儲(chǔ)單元進(jìn)行異或的結(jié)果為#0FFH,。理論上,這種方法不能發(fā)現(xiàn)同一位上的偶數(shù)個(gè)錯(cuò)誤,,但是這種錯(cuò)誤出現(xiàn)的概率很小,,一般可以不考慮。
1.3 綠信號(hào)沖突的故障檢測(cè)與處理
由于工作環(huán)境惡劣,、長(zhǎng)期連續(xù)使用,信號(hào)機(jī)有可能會(huì)發(fā)生綠信號(hào)沖突(以下簡(jiǎn)稱為綠沖突)的故障,,而綠沖突一旦產(chǎn)生,,將會(huì)給路口交通帶來嚴(yán)重的后果,因此信號(hào)機(jī)必須具備綠沖突保護(hù)措施,,保證信號(hào)機(jī)在檢測(cè)到綠沖突信號(hào)后立即動(dòng)作,,及時(shí)排除綠沖突故障。
根據(jù)產(chǎn)生的原因,,綠沖突可分為暫時(shí)性綠沖突和永久性綠沖突兩類,。對(duì)于暫時(shí)性綠沖突,通常要求信號(hào)機(jī)在故障排除后能自動(dòng)恢復(fù)到正常運(yùn)行模式,,以確保信號(hào)機(jī)的工作效率,;對(duì)于永久性綠沖突,則要求信號(hào)機(jī)保持在降級(jí)運(yùn)行模式,,以減少故障對(duì)設(shè)備的損壞程度,。通過在信號(hào)機(jī)輸出部分和信號(hào)燈驅(qū)動(dòng)部分分別增設(shè)信號(hào)檢測(cè)電路[2],利用綠燈控制向量,、綠燈狀態(tài)向量和事先定義好的綠沖突保護(hù)邏輯,,實(shí)現(xiàn)了綠沖突故障的分類檢測(cè)。針對(duì)綠沖突的故障類型,,綠沖突的故障處理即綠沖突的保護(hù)可分為重復(fù)性綠沖突保護(hù)和熔絲型綠沖突保護(hù)兩種,。在信號(hào)機(jī)綠燈信號(hào)輸出和綠燈驅(qū)動(dòng)部分之間插入綠沖突保護(hù),通過阻塞綠信號(hào)燈驅(qū)動(dòng)器的控制信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)重復(fù)性綠沖突保護(hù),;在信號(hào)機(jī)綠燈電源控制端插入綠沖突保護(hù),,通過切斷綠信號(hào)燈驅(qū)動(dòng)器的電源可以實(shí)現(xiàn)熔絲型綠沖突保護(hù),。
2 防護(hù)技術(shù)
當(dāng)信號(hào)機(jī)受到外界干擾時(shí)可能出現(xiàn)死機(jī)、程序亂飛,、破壞系統(tǒng)參數(shù)甚至損壞機(jī)器的現(xiàn)象,,如果信號(hào)機(jī)未采取行之有效的防護(hù)措施,將嚴(yán)重威脅到交叉路口的交通安全,。
2.1 硬件抗干擾技術(shù)
采用硬件抗干擾技術(shù)[3]是主動(dòng)抑制和切斷噪聲干擾的有效措施,,主要采用的方法有:
(1)接入電源濾波器
由于信號(hào)機(jī)的供電電源源于安裝場(chǎng)所的用電網(wǎng),這里通常存在著電壓波動(dòng),、高次諧波和脈沖干擾,,因此必須在信號(hào)機(jī)電源輸入端接入電源濾波器,以凈化電源,。電源濾波器濾波電容的大小與可能存在的干擾信號(hào)頻率有關(guān),,電源濾波器的電流值由信號(hào)機(jī)的驅(qū)動(dòng)負(fù)載功率決定。
(2)合理設(shè)計(jì)印刷電路板
在信號(hào)機(jī)的印刷電路板設(shè)計(jì)過程中,,除遵循印刷電路板設(shè)計(jì)的基本原則外,,還有一些需要特別注意的地方。由于信號(hào)機(jī)采用多時(shí)段控制方式時(shí),,信號(hào)機(jī)選用的實(shí)時(shí)配時(shí)方案取決于系統(tǒng)時(shí)間,,因此系統(tǒng)時(shí)鐘的準(zhǔn)確性對(duì)配時(shí)方案的合理性起著至關(guān)重要的作用。實(shí)際上,,系統(tǒng)時(shí)鐘的準(zhǔn)確性不但與晶振的選取和時(shí)鐘脈沖振蕩電路息息相關(guān),,而且實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片外接晶振在PCB板上的布置[4]也起著十分關(guān)鍵的作用。由于實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片的振蕩器輸入端容易引入高頻干擾,,因此在PCB板上布置晶振時(shí)需要注意以下幾點(diǎn):晶振盡量靠近實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片的振蕩器輸入端,;減小晶振的焊盤大小,;用環(huán)繞地線實(shí)現(xiàn)晶振與鄰近干擾信號(hào)的隔離,;實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片遠(yuǎn)離任何產(chǎn)生電磁輻射的器件。此外還應(yīng)盡量減小引線的長(zhǎng)度,,增加引線之間的距離,,以減小寄生電容所帶來的影響。
(3)去耦電容器配置
對(duì)于抗干擾能力弱,、關(guān)斷時(shí)電流變化大的器件和ROM,、RAM等存儲(chǔ)器件,應(yīng)在芯片的電源線和地線之間直接接入去耦電容,;為減小大功率顯示驅(qū)動(dòng)芯片對(duì)電源波動(dòng)的影響,,應(yīng)在盡量靠近大功率顯示驅(qū)動(dòng)芯片的電源端與公共地之間并聯(lián)10μF的電解電容和0.1μF的陶瓷電容;為減小電磁感應(yīng)干擾,大功率顯示驅(qū)動(dòng)芯片與數(shù)碼顯示器之間的信號(hào)線距離應(yīng)盡量短,。
(4)光電隔離
由于光電耦合器的輸入輸出信號(hào)借助于光信號(hào)傳遞,,切斷了輸入電路與輸出電路之間電的聯(lián)系,因此光電耦合器具有較高的電氣隔離和干擾抑制能力,,能實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)與輸出信號(hào)的有效隔離,。在信號(hào)機(jī)所有強(qiáng)電信號(hào)與弱電信號(hào)之間都采用光電隔離技術(shù),可以達(dá)到有效抑制共模干擾和保護(hù)單片機(jī)系統(tǒng)的目的,。
2.2 軟件抗干擾技術(shù)
竄入系統(tǒng)的干擾的頻譜往往很寬,,采用硬件抗干擾技術(shù)通常只能抑制某個(gè)頻段的干擾信號(hào),因此除采用硬件抗干擾技術(shù)外,,還需要進(jìn)一步借助軟件抗干擾技術(shù)[3]來提高系統(tǒng)的可靠性,。信號(hào)機(jī)采用的軟件抗干擾技術(shù)主要有:
(1)軟件冗余技術(shù)
軟件冗余技術(shù)是一種通過消耗一定系統(tǒng)資源達(dá)到一定糾錯(cuò)目的的軟件抗干擾技術(shù)。其中,,“重復(fù)輸出法”和“延時(shí)避開法”在提高信號(hào)機(jī)的抗干擾能力方面起到了至關(guān)重要的作用,。利用“重復(fù)輸出法”對(duì)信號(hào)機(jī)控制信號(hào)輸出鎖存器和顯示接口芯片進(jìn)行實(shí)時(shí)刷新,能夠非常有效地抑制外部干擾,。在允許的情況下,,信號(hào)機(jī)控制信號(hào)輸出鎖存器的輸出重復(fù)周期應(yīng)盡可能地短,使得輸出端口受到某種干擾而輸出錯(cuò)誤控制信號(hào)時(shí),,外部執(zhí)行設(shè)備還來不及作出有效反應(yīng),,正確的控制信號(hào)就又輸出到了輸出端口,從而及時(shí)地避免錯(cuò)誤動(dòng)作的發(fā)生,,極大地提高了信號(hào)機(jī)的抗干擾能力和安全可靠性。由于信號(hào)機(jī)顯示可編程接口芯片容易受到外部干擾而產(chǎn)生錯(cuò)誤的顯示信息,,影響信息的正常交換,,因此可以將其工作方式控制字與輸出狀態(tài)字每次一并設(shè)置,從而有效抑制了外部干擾對(duì)顯示接口芯片的影響,,確保了顯示信息的準(zhǔn)確可靠,。
利用“延時(shí)避開法”可在信號(hào)機(jī)即將接通或斷開大功率負(fù)載(信號(hào)燈)時(shí),使CPU進(jìn)入睡眠狀態(tài)暫停工作,,待干擾過去以后再恢復(fù)工作,,這樣即有效地避開了信號(hào)燈通斷電時(shí)所產(chǎn)生的強(qiáng)干擾。使用延時(shí)避開時(shí)間冗余技術(shù)的程序流程圖如圖2所示,。
(2)軟件陷阱技術(shù)
軟件陷阱技術(shù)就是通過跳轉(zhuǎn)指令強(qiáng)行將捕獲到的亂飛程序引向復(fù)位入口地址0000H,,使程序納入正軌。在各控制程序模塊之間和未使用的EPROM空間設(shè)置軟件陷阱可以有效地抑制程序亂飛,,使程序運(yùn)行更加可靠,。在中斷服務(wù)程序區(qū)通過判定中斷斷點(diǎn)地址是否在程序存儲(chǔ)區(qū)間,利用軟件陷阱可以將亂飛入非EPROM空間的程序返回到復(fù)位入口地址0000H。在未使用的中斷區(qū)使用軟件陷阱可以及時(shí)捕捉到因干擾而開放的錯(cuò)誤中斷,,迅速將程序返回到復(fù)位入口,,通過初始化設(shè)置關(guān)閉因干擾而開放的錯(cuò)誤中斷。在寫外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器之前加入條件陷阱,,可以屏蔽非法寫操作,,防止CPU因干擾而非法修改外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的內(nèi)容。
(3)看門狗技術(shù)
看門狗技術(shù)是一種通過不斷監(jiān)視程序循環(huán)運(yùn)行時(shí)間使程序脫離死循環(huán)困境的軟件抗干擾技術(shù),。其中,,硬件看門狗技術(shù)可以通過選用具有看門狗電路的集成芯片實(shí)現(xiàn),能有效監(jiān)視程序陷入死循環(huán)故障,,但它對(duì)中斷關(guān)閉故障無能為力,;軟件看門狗技術(shù)可以通過監(jiān)視程序運(yùn)行狀態(tài)觀測(cè)單元編程實(shí)現(xiàn),對(duì)高級(jí)中斷服務(wù)程序陷入死循環(huán)故障無能為力,,但能監(jiān)視全部中斷關(guān)閉故障,。信號(hào)機(jī)將硬件看門狗技術(shù)和軟件看門狗技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來,獲得了良好的抗干擾效果,。
2.3 防雷技術(shù)
通常雷擊有三種形式,,直擊雷、感應(yīng)雷和球形雷,,其中感應(yīng)雷是造成路口信號(hào)機(jī)損壞最主要的因素,。感應(yīng)雷又分為靜電感應(yīng)雷和電磁感應(yīng)雷兩種,其中對(duì)靜電感應(yīng)雷的防范是路口信號(hào)機(jī)需要特別重視的,。由于感應(yīng)雷是造成路口信號(hào)機(jī)損壞最主要的因素,,而感應(yīng)雷又是通過供電線路破壞電器設(shè)備的,因此對(duì)路口信號(hào)機(jī)既需要合理地加裝電源避雷器,,又需要在每一條通信線路和信號(hào)燈驅(qū)動(dòng)/檢測(cè)線路內(nèi)加裝適當(dāng)?shù)谋芾籽b置,。總之,,對(duì)每一條可能將浪涌電壓引入信號(hào)機(jī)的輸入輸出線路都應(yīng)當(dāng)采取必要的保護(hù)措施,。
本文針對(duì)交通信號(hào)控制機(jī)的實(shí)際工作環(huán)境和自身運(yùn)行特點(diǎn),將一些有效的診斷與防護(hù)技術(shù)靈活運(yùn)用到了信號(hào)控制機(jī)中,。運(yùn)行測(cè)試結(jié)果表明,,這些診斷與防護(hù)技術(shù)增強(qiáng)了系統(tǒng)的可維護(hù)性,大大提高了信號(hào)控制機(jī)的可靠性和穩(wěn)定性,,具有很好的實(shí)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景,。
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