讨论一种新型的总线型交通路口倒计时器的设计与实现技术。
关键词：倒计时器；现场总线；检测；Lon总线
Design of Traffic Timecount Backwards Display Unit of Fieldbus
LIU Huancheng
(Mailbox 26, Wuyi University, Jiangmen 529020, China)
Key words: timecount backwards display unit; field bus; check up ; lonbus
1引言
集中控制型的交通信号控制机的原理框图如图1所示。现场总线型交通控制系统原理框图见图2。
集中控制型的交通信号控制机的原理框图如图1所示。现场总线型交通控制系统原理框图见图2。
1.控制系统中的各节点均为智能的，各自具有很强的功能且可在主机不参与的情况下独立工作，大大减轻了主机的工作量，主机节约的时间可用于控制策略的计算与生成、系统检测数据的处理与管理、与中心计算机交换信息等高层任务等。而集中控制型交通信号控制器的主机工作时不停的忙于低层的工作，无暇顾及高层任务的处理，很难向干线协调控制、区域协调控制系统等大型交通控制系统方面发展。
2.系统扩展和更新灵活方便，只需将智能节点挂在总线上，周期短，适应能力强。
3.现场总线型交通控制系统主机可通过两条双绞线或电力线或一根光纤组成网，与各节点联接。因此系统布线少、工程费用低、施工简单，工程维护费用低。
我们设计了一种现场总线型倒计时器，它具有下列主要功能。
1.向行驶车辆及行人提示允许通行或等待通行的时间。红、绿两色，二位半数字显示(倒计时秒数1～199)。
2.亮度可变，避免倒计时器白天亮度不足，夜间刺眼的现象。
3.显示笔段检测功能。
2.系统扩展和更新灵活方便，只需将智能节点挂在总线上，周期短，适应能力强。
3.现场总线型交通控制系统主机可通过两条双绞线或电力线或一根光纤组成网，与各节点联接。因此系统布线少、工程费用低、施工简单，工程维护费用低。
我们设计了一种现场总线型倒计时器，它具有下列主要功能。
1.向行驶车辆及行人提示允许通行或等待通行的时间。红、绿两色，二位半数字显示(倒计时秒数1～199)。
2.亮度可变，避免倒计时器白天亮度不足，夜间刺眼的现象。
3.显示笔段检测功能。
与传统的交通控制系统相比，现场总线交通自动控制系统有两方面的不同。第一，信号机要具有现场总线接口；第二，所有交通设备均为具有现场总线接口的智能设备。在现场总线的选择上，考虑到Echelon公司为LonWorks现场总线(简称Lon总线)设计和成品化提供了一套完整的开发平台，其通信协议LonTalk支持OSI/RM的所有七层模型，具有高可靠性、安全性，易于实现和互操作性等优点，我们设计了一型Lon总线交通自动控制系统。
2.1Lon交通信号控制器电路设计
在技术实现上将集中控制系统中的主控制器，与非核心的、辅助性、专业化功能器件分离。简言之，就是将系统的主控制器与执行器在结构上分离，各自都设计成总线模块(硬件及软件)，形成现场总线系统的主、从节点。原理框图如图2所示。交通信号控制器的主控板由扩展神经元(Neuron)芯片及Lon总线收发器构成系统的主节点。Neuron芯片选用了3150，总线介质选用双绞线，总线收发器选用FT-10A。交通信号控制器上的MCU通过双端口RAM-IDT71342与3150交换信息。3150在系统中只作为通信控制器用，充分发挥Neuron芯片高效可靠的通信控制能力之长，避其I/O实时性不佳的短处。主节点的I/O功能由MCU实现。
2.2Lon倒计时器节点电路设计
(1)系统规划
根据倒计时器节点的功能，采用多MCU结构，功能执行(显示、亮度控制以及检测)由89C51完成。节点的通信任务由3150完成。3150通过总线收发器与主节点通信，将显示及亮度等级命令下达给89C51，并将89C51的检测结果上传至主节点(交通信号控制器)。
(2)驱动方式和器件选择
倒计时器的显示笔段由多个LED发光管作为点阵有机连接(串、并及混联)组成。为使倒计时器在白天有明显的亮度，LED发光管选用超高亮度产品，日光最强时其驱动电流达20mA。LED灯的驱动方式有动态和静态两种，动态驱动硬件成本低，但在室外大电流驱动的条件下，LED管的工作寿命短。静态驱动硬件成本高，但LED管的工作寿命相对较长。我们选用静态恒压驱动方式。亮度变化采用脉宽功率调制方法实现。倒计时器控制板电路原理框图如图3所示。
2.1Lon交通信号控制器电路设计
在技术实现上将集中控制系统中的主控制器，与非核心的、辅助性、专业化功能器件分离。简言之，就是将系统的主控制器与执行器在结构上分离，各自都设计成总线模块(硬件及软件)，形成现场总线系统的主、从节点。原理框图如图2所示。交通信号控制器的主控板由扩展神经元(Neuron)芯片及Lon总线收发器构成系统的主节点。Neuron芯片选用了3150，总线介质选用双绞线，总线收发器选用FT-10A。交通信号控制器上的MCU通过双端口RAM-IDT71342与3150交换信息。3150在系统中只作为通信控制器用，充分发挥Neuron芯片高效可靠的通信控制能力之长，避其I/O实时性不佳的短处。主节点的I/O功能由MCU实现。
2.2Lon倒计时器节点电路设计
(1)系统规划
根据倒计时器节点的功能，采用多MCU结构，功能执行(显示、亮度控制以及检测)由89C51完成。节点的通信任务由3150完成。3150通过总线收发器与主节点通信，将显示及亮度等级命令下达给89C51，并将89C51的检测结果上传至主节点(交通信号控制器)。
(2)驱动方式和器件选择
倒计时器的显示笔段由多个LED发光管作为点阵有机连接(串、并及混联)组成。为使倒计时器在白天有明显的亮度，LED发光管选用超高亮度产品，日光最强时其驱动电流达20mA。LED灯的驱动方式有动态和静态两种，动态驱动硬件成本低，但在室外大电流驱动的条件下，LED管的工作寿命短。静态驱动硬件成本高，但LED管的工作寿命相对较长。我们选用静态恒压驱动方式。亮度变化采用脉宽功率调制方法实现。倒计时器控制板电路原理框图如图3所示。
图4是倒计时器检测控制电路的简化电路原理图，89C51控制74HC595实现笔段的静态显示控制，三极管TIP41C作为段驱动器。红、绿两色显示切换用89C51 I/O控制，用两个大功率三极管TIP127(加散热片)实现。
74HC595是具有8位移位寄存器、带三态锁存输出的逻辑芯片。输出口具有较强的驱动能力，QA～QH为±35mA，QH′为±25mA。89C51通过I/O控制74HC595实现笔段的静态显示，节省MCU的I/O端口。74HC595管脚配置和定义如图所示：
74HC595是具有8位移位寄存器、带三态锁存输出的逻辑芯片。输出口具有较强的驱动能力，QA～QH为±35mA，QH′为±25mA。89C51通过I/O控制74HC595实现笔段的静态显示，节省MCU的I/O端口。74HC595管脚配置和定义如图所示：
? 图4模块C，两片595级联，一片输出倒计时器的个位信号，一片输出倒计时器的十位信号和一位百位信号。
笔段驱动电路由模块E和模块F组成。模块E的TIP41C作为段驱动(大功率管，可省去散热片)，图中，每段LED发光二极管阵列用一个LED发光管表示，其结构如模块G所示。模块F是倒计时器红、绿显示驱动电路，MCU通过两位I/O控制。模块F两只小功率三极管8050的作用是将+5V和+15V两个电源隔开；TIP127为红、绿导通的切换开关，它为大功率管，在加散热片的条件下，驱动电流可达5A以上。整个倒计时器由15个模块E和两个模块F组成。
模块E中的电阻和二极管IN4148与模块B的VT端联接，其作用是消除倒计时器笔段的‘暗亮’现象。倒计时器在工作时，不亮的笔段发出微弱亮度的现象称为‘暗亮’。分析其原因，由于增加了倒计时器笔段的检测电路，需要一定的检测电流，相当于增加了段控电子开关的分布电容，其充放电效果，对LED发光二极管足以产生‘暗亮’的效果。模块B为模块E的检测端提供约1.2V的电压VT，通过保护电阻和二极管加至检测端，在笔段灭时，起提供检测电流和箝位的作用，有效消除了‘暗亮’现象。
笔段检测电路由模块A和模块D组成。模块A为比较电路。笔段亮、灭时分别输出0V和5V电压信号，信号输出至89C51 I/O端口，对笔段的工作情况进行检测。模块D为15个模块A提供比较电压。运放用+15V供电，模块A中的电阻和稳压二极管起保护作用，稳压管在图中1kΩ的电阻开路时起作用，可选用通用的5.1V稳压管，也可选用质量较好的稳压器件，如ZRB5.0等。图中的运放选用轨对轨四运放TLC2274，15段检测加一路参考，正好用4个TLC2274。
倒计时器笔段的亮度调节采用定周期调节导通时间百分比的方法。周期为10ms，调节频率为100Hz，视觉上不会闪烁。共分10个亮度等级，段导通时间百分比分别为：10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％和100％。
图4中89C51为控制板上的主MCU，它通过串口、Neuron芯片3150与交通信号机交换信息(接收倒计时的工作命令，如倒计时数、亮度等级、显示颜色等，上传倒计时的工作状态等)。3150的IO8和IO10为多功能I/O口，通过编程令其工作于异步串行通信方式，波特率4800。主MCU-89C51还承担系统环境的温度测量、系统工作信息的存储和看门狗定时器的控制等工作，这里不再赘述。
笔段驱动电路由模块E和模块F组成。模块E的TIP41C作为段驱动(大功率管，可省去散热片)，图中，每段LED发光二极管阵列用一个LED发光管表示，其结构如模块G所示。模块F是倒计时器红、绿显示驱动电路，MCU通过两位I/O控制。模块F两只小功率三极管8050的作用是将+5V和+15V两个电源隔开；TIP127为红、绿导通的切换开关，它为大功率管，在加散热片的条件下，驱动电流可达5A以上。整个倒计时器由15个模块E和两个模块F组成。
模块E中的电阻和二极管IN4148与模块B的VT端联接，其作用是消除倒计时器笔段的‘暗亮’现象。倒计时器在工作时，不亮的笔段发出微弱亮度的现象称为‘暗亮’。分析其原因，由于增加了倒计时器笔段的检测电路，需要一定的检测电流，相当于增加了段控电子开关的分布电容，其充放电效果，对LED发光二极管足以产生‘暗亮’的效果。模块B为模块E的检测端提供约1.2V的电压VT，通过保护电阻和二极管加至检测端，在笔段灭时，起提供检测电流和箝位的作用，有效消除了‘暗亮’现象。
笔段检测电路由模块A和模块D组成。模块A为比较电路。笔段亮、灭时分别输出0V和5V电压信号，信号输出至89C51 I/O端口，对笔段的工作情况进行检测。模块D为15个模块A提供比较电压。运放用+15V供电，模块A中的电阻和稳压二极管起保护作用，稳压管在图中1kΩ的电阻开路时起作用，可选用通用的5.1V稳压管，也可选用质量较好的稳压器件，如ZRB5.0等。图中的运放选用轨对轨四运放TLC2274，15段检测加一路参考，正好用4个TLC2274。
倒计时器笔段的亮度调节采用定周期调节导通时间百分比的方法。周期为10ms，调节频率为100Hz，视觉上不会闪烁。共分10个亮度等级，段导通时间百分比分别为：10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％和100％。
图4中89C51为控制板上的主MCU，它通过串口、Neuron芯片3150与交通信号机交换信息(接收倒计时的工作命令，如倒计时数、亮度等级、显示颜色等，上传倒计时的工作状态等)。3150的IO8和IO10为多功能I/O口，通过编程令其工作于异步串行通信方式，波特率4800。主MCU-89C51还承担系统环境的温度测量、系统工作信息的存储和看门狗定时器的控制等工作，这里不再赘述。
本文从总线型交通倒计时器的基础功能出发，设计并实现了基于Lonworks总线技术的交通倒计时器。与传统的交通倒计时器相比，除具有作为总线节点独立工作能力外，还增加了显示笔段损坏的检测和按实用要求调节亮度的功能，使交通倒计时器工作更加可靠、人性化、环保、节能。另外，总线型产品在施工费用、维护费用方面也优于传统的交通信号控制系统。总线型交通倒计时器自开发成功至今一年多的时间内，连续试运行，工作良好，性能令人满意。
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