交通信號控制機(以下簡稱信號機" title="信號機">信號機)是用來操縱路口信號燈使之按照一定規(guī)律變化的一種控制裝置,，是對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。
　　但由于信號機安裝在城市路口,，工作環(huán)境惡劣,，因而在實際工作運行中會受到各種各樣的外界干擾，很容易出現(xiàn)機器故障,，如信號燈故障,、雙向晶閘管" title="雙向晶閘管">雙向晶閘管故障、程序存儲器故障以及綠信號沖突故障等,。如果這些外界干擾和機器故障沒有事先防范并得到診斷處理,，信號機不但不能發(fā)揮其應(yīng)有的控制作用，反而會誘發(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,，增強信號機的自診斷功能,、抗干擾能力和防護(hù)能力，保證其可靠,、穩(wěn)定地運行，是提高交通信號控制機實用性所必須解決的問題,。
　　經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn),，我國大部分信號機生產(chǎn)企業(yè)在設(shè)計生產(chǎn)過程中，只注重信號機功能的實現(xiàn),，而對信號機的故障診斷技術(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機實際工作環(huán)境的要求,，而且國內(nèi)在如何提高信號機的穩(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際上來講,，對信號機故障診斷與防護(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)動部分的故障檢測" title="故障檢測">故障檢測與診斷
　　由于信號機驅(qū)動部分是功率放大電路,，容易損壞,，從而引起信號機執(zhí)行故障，因此需要設(shè)計與之匹配的檢測電路,，將驅(qū)動電路的工作狀態(tài)及時地反饋到信號控制器,，實現(xiàn)故障檢測與故障處理的自診斷功能。信號機驅(qū)動部分的主要故障分為信號燈開路,、雙向晶閘管開路和雙向晶閘管短路三種,。由于排除信號燈故障所需的工作量較大，因此進(jìn)行故障診斷時有必要將信號燈故障與雙向晶閘管故障區(qū)分開來,。采用電流檢測技術(shù)檢測信號燈回路電流,，可以檢測到雙向晶閘管短路故障,，但不能區(qū)分信號燈開路故障和雙向晶閘管開路故障；采用電壓檢測技術(shù)檢測信號燈兩端電壓,，不能檢測到信號燈開路故障,；采用電壓檢測技術(shù)檢測雙向晶閘管兩端電壓，可以檢測到雙向晶閘管開路故障,，但不能區(qū)分信號燈開路故障和雙向晶閘管短路故障,。因此要實現(xiàn)故障的有效精確診斷，必須結(jié)合使用電流檢測技術(shù)與電壓檢測技術(shù),。實際采用的檢測電路如圖1所示,。

　　檢測電路的工作原理為：當(dāng)信號燈L與雙向晶閘管BCR都正常時，假若輸入信號A為高電平" title="高電平">高電平,，BCR將關(guān)斷,，此時將形成L→BR1→R9→BR1→C3→R14→BR2→R12→R13→OPTO2→BR2的回路，輸出信號B為高電平,，輸出信號C為低電平,；假若輸入信號A為低電平，BCR將導(dǎo)通,，此時將形成L→BR1→R9(R11→OPTO1→R10)→BR1→BCR的回路,，輸出信號B為低電平，輸出信號C為高電平,。當(dāng)信號燈L損壞時,，此時無法形成電流回路，輸出信號B與輸出信號C恒為高電平,。當(dāng)信號燈L正常,、雙向晶閘管BCR開路時，此時將形成L→BR1→R9→BR1→C3→R14→BR2→R12→R13→OPTO2→BR2的回路,，輸出信號B恒為高電平,，輸出信號C恒為低電平。當(dāng)信號燈L正常,、雙向晶閘管BCR短路時,，此時將形成L→BR1→R9(R11→OPTO1→R10)→BR1→BCR的回路，輸出信號B恒為低電平,，輸出信號C恒為高電平,。
1.2 程序存儲器(EPROM)的故障檢測
　　由于EPROM中存放著信號機的控制程序，為了確保信號機開機后能正確可靠地工作,，對EPROM進(jìn)行開機自檢至關(guān)重要,，這樣可以將一些信號機故障遏制在萌芽狀態(tài)。EPROM故障檢測常采用“校驗和”的方法，具體做法為：將EPROM所有存儲單元進(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故障檢測之前,，必須根據(jù)實際的程序機器碼和空余EPROM的存儲值,，在控制程序末尾添加合適的“校驗字”，使得對EPROM所有存儲單元進(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)個錯誤，但是這種錯誤出現(xiàn)的概率很小,，一般可以不考慮,。
1.3 綠信號沖突的故障檢測與處理
　　由于工作環(huán)境惡劣、長期連續(xù)使用,，信號機有可能會發(fā)生綠信號沖突(以下簡稱為綠沖突)的故障,，而綠沖突一旦產(chǎn)生，將會給路口交通帶來嚴(yán)重的后果,，因此信號機必須具備綠沖突保護(hù)措施,，保證信號機在檢測到綠沖突信號后立即動作，及時排除綠沖突故障,。
　　根據(jù)產(chǎn)生的原因,，綠沖突可分為暫時性綠沖突和永久性綠沖突兩類。對于暫時性綠沖突,，通常要求信號機在故障排除后能自動恢復(fù)到正常運行模式，以確保信號機的工作效率,；對于永久性綠沖突,，則要求信號機保持在降級運行模式，以減少故障對設(shè)備的損壞程度,。通過在信號機輸出部分和信號燈驅(qū)動部分分別增設(shè)信號檢測電路^[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,，實現(xiàn)了綠沖突故障的分類檢測,。針對綠沖突的故障類型，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,。在信號機綠燈信號輸出和綠燈驅(qū)動部分之間插入綠沖突保護(hù),，通過阻塞綠信號燈驅(qū)動器的控制信號可以實現(xiàn)重復(fù)性綠沖突保護(hù)；在信號機綠燈電源控制端插入綠沖突保護(hù),，通過切斷綠信號燈驅(qū)動器的電源可以實現(xiàn)熔絲型綠沖突保護(hù),。
2 防護(hù)技術(shù)
　　當(dāng)信號機受到外界干擾時可能出現(xiàn)死機、程序亂飛、破壞系統(tǒng)參數(shù)甚至損壞機器的現(xiàn)象,，如果信號機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
　　由于信號機的供電電源源于安裝場所的用電網(wǎng),，這里通常存在著電壓波動、高次諧波和脈沖干擾,，因此必須在信號機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頻率有關(guān),，電源濾波器的電流值由信號機的驅(qū)動負(fù)載功率決定,。
　　(2)合理設(shè)計印刷電路板
　　在信號機的印刷電路板設(shè)計過程中，除遵循印刷電路板設(shè)計的基本原則外,，還有一些需要特別注意的地方,。由于信號機采用多時段控制方式時，信號機選用的實時配時方案取決于系統(tǒng)時間,，因此系統(tǒng)時鐘的準(zhǔn)確性對配時方案的合理性起著至關(guān)重要的作用,。實際上，系統(tǒng)時鐘的準(zhǔn)確性不但與晶振的選取和時鐘脈沖振蕩電路息息相關(guān),，而且實時時鐘芯片外接晶振在PCB板上的布置^[4]也起著十分關(guān)鍵的作用,。由于實時時鐘芯片的振蕩器輸入端容易引入高頻干擾，因此在PCB板上布置晶振時需要注意以下幾點：晶振盡量靠近實時時鐘芯片的振蕩器輸入端,；減小晶振的焊盤大?。挥铆h(huán)繞地線實現(xiàn)晶振與鄰近干擾信號的隔離,；實時時鐘芯片遠(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
　　對于抗干擾能力弱、關(guān)斷時電流變化大的器件和ROM,、RAM等存儲器件,，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)動芯片對電源波動的影響,，應(yīng)在盡量靠近大功率顯示驅(qū)動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)動芯片與數(shù)碼顯示器之間的信號線距離應(yīng)盡量短,。
　　(4)光電隔離
　　由于光電耦合器的輸入輸出信號借助于光信號傳遞,，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，能實現(xiàn)輸入信號與輸出信號的有效隔離,。在信號機所有強電信號與弱電信號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)通常只能抑制某個頻段的干擾信號,，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,。信號機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)到一定糾錯目的的軟件抗干擾技術(shù),。其中，“重復(fù)輸出法”和“延時避開法”在提高信號機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”對信號機控制信號輸出鎖存器和顯示接口芯片進(jìn)行實時刷新,，能夠非常有效地抑制外部干擾。在允許的情況下,，信號機控制信號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誤控制信號時，外部執(zhí)行設(shè)備還來不及作出有效反應(yīng),，正確的控制信號就又輸出到了輸出端口,，從而及時地避免錯誤動作的發(fā)生，極大地提高了信號機的抗干擾能力和安全可靠性,。由于信號機顯示可編程接口芯片容易受到外部干擾而產(chǎn)生錯誤的顯示信息,，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“延時避開法”可在信號機即將接通或斷開大功率負(fù)載(信號燈)時,，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燈通斷電時所產(chǎn)生的強干擾,。使用延時避開時間冗余技術(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，使程序運行更加可靠,。在中斷服務(wù)程序區(qū)通過判定中斷斷點地址是否在程序存儲區(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捕捉到因干擾而開放的錯誤中斷,，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誤中斷,。在寫外部數(shù)據(jù)存儲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)運行時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現(xiàn),，能有效監(jiān)視程序陷入死循環(huán)故障，但它對中斷關(guān)閉故障無能為力,；軟件看門狗技術(shù)可以通過監(jiān)視程序運行狀態(tài)觀測單元編程實現(xiàn),，對高級中斷服務(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,。信號機將硬件看門狗技術(shù)和軟件看門狗技術(shù)有機結(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)雷是造成路口信號機損壞最主要的因素,。感應(yīng)雷又分為靜電感應(yīng)雷和電磁感應(yīng)雷兩種,，其中對靜電感應(yīng)雷的防范是路口信號機需要特別重視的。由于感應(yīng)雷是造成路口信號機損壞最主要的因素,，而感應(yīng)雷又是通過供電線路破壞電器設(shè)備的,，因此對路口信號機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燈驅(qū)動/檢測線路內(nèi)加裝適當(dāng)?shù)谋芾籽b置,?？傊瑢γ恳粭l可能將浪涌電壓引入信號機的輸入輸出線路都應(yīng)當(dāng)采取必要的保護(hù)措施,。
　　本文針對交通信號控制機的實際工作環(huán)境和自身運行特點,，將一些有效的診斷與防護(hù)技術(shù)靈活運用到了信號控制機中。運行測試結(jié)果表明,，這些診斷與防護(hù)技術(shù)增強了系統(tǒng)的可維護(hù)性,，大大提高了信號控制機的可靠性和穩(wěn)定性，具有很好的實用價值和廣闊的應(yīng)用前景,。
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