CN103400503A

CN103400503A - 一种基于iic总线的多相位交通信号控制机

Info

Publication number: CN103400503A
Application number: CN2013103769105A
Authority: CN
Inventors: 陈克力; 李兵; 杜亚军
Original assignee: Xihua University
Current assignee: Xihua University
Priority date: 2013-08-26
Filing date: 2013-08-26
Publication date: 2013-11-20

Abstract

本发明公开了一种基于IIC总线的多相位交通信号控制机，包括主控制器、相位控制板和IIC总线；主控制器作为交通信号控制的控制核心，负责交通信号控制方案数据的配置、配置数据存储，并向相位控制板发出某一时间的相位控制命令；相位控制单元接受主控制器发送的相位控制命令，驱动控制路口上各方向信号灯的通断状态，从而充当交通信号控制的执行机构；IIC总线采用串行方式连接主控制器和相位控制板，传送主控制器发出的相位控制命令及信号灯工作状态的反馈信号。本发明不需要专门的总线控制器和收发器，减少了独立芯片数量，简化了软硬件电路设计，提高了信号控制机整体的可靠性，降低了开发和维护成本。

Description

一种基于IIC总线的多相位交通信号控制机

技术领域

本发明属于交通信号控制技术领域，具体地说，是涉及一种基于IIC总线通信的交通信号控制机。

背景技术

随着城市化进程的加快，城市汽车拥有量越来越多，城市交通拥堵现象日益严重。解决交通拥堵问题不能简单依赖“限购”或“限号”等行政手段，更多地需要依靠交通信号的优化控制等技术手段；交通信号控制机是控制路口交通信号灯按一定规律变化的装置。交通信号控制机主要由主控板根据设定的固定配时方案或感应控制方案发出交通灯控制信号，通过与之相连的相位控制板驱动控制交通信号灯的关断或连通，同时设有反馈检测电路，检查信号灯的故障状态或冲突状态。传统的主控板中主控制器通过一个I/O口与相位板上的一路信号灯驱动电路连接控制一路信号灯，一路信号灯的反馈检测信号也通过一个单独的I/O口与主控制器连接，以便获取信号灯的故障状态，保证信号灯可靠地工作。但这种连接方式一个方向红绿黄信号灯需要6个I/O口，而主控制器可用的I/O口数量有限，导致信号控制机通常只能控制8-16个相位，不能满足越来越复杂的交通应用。同时这种方式连线众多，导致信号控制机的可靠性低、成本高、施工复杂。现在的趋势是将主控制器与相位板的连接方式有“并行”向“串行”发展。专利文献1中公布了一种基于CAN通信的交通信号控制机。典型CAN系统实现方法如图1所示。接入CAN总线的主控制器或节点控制器都需要经过CAN控制器和CAN收发器才能进行通信。CAN控制器和收发器往往需要单独的IC芯片来实现，一般不能集成在其他IC里面。这就增加了硬件设计和软件编程的复杂度，提高了元件成本和开发成本、降低了系统的可靠性。

发明内容

本发明为了解决现有交通信号控制机主控制器与相位板通信连接的连线较多或是独立芯片较多引发的系统可靠性降低、成本较高等不足的问题，提出了一种基于IIC(Inter－Integrated Circuit)总线通信方式的新型交通信号控制机，连接灵活，可靠性高，成本低，设计和开发容易，适应当前复杂交通环境的要求。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种基于IIC总线的多相位交通信号控制机，包括主控制器、相位控制板和IIC总线；主控制器作为交通信号控制的控制核心，负责交通信号控制方案数据的配置、配置数据存储，并向相位控制板发出某一时间的相位控制命令；相位控制单元接受主控制器发送的相位控制命令，驱动控制路口上各方向信号灯的通断状态，从而充当交通信号控制的执行机构；IIC总线采用串行方式连接主控制器和相位控制板，传送主控制器发出的相位控制命令及信号灯工作状态的反馈信号。

所述的多相位交通信号控制机，相位控制板包括输出转换电路、相位驱动电路、反馈检测电路、反馈信号输入转换电路；输出转换电路通过IIC总线连接主控制器和相位控制板，接受主控制器发出的串行交通信号灯控制信号，转换为并行信号后作为相位驱动电路的输入；相位驱动电路连接信号灯，根据输出转换电路输出的并行信号同时控制各路信号灯的连通或关断；反馈检测电路检测信号灯电路中的电流并产生反馈电平，传给输入转换电路；输入转换电路通过IIC总线连接主控制器和反馈检测电路，将反馈检测电路输入的并行I/O信号转换为串行信号输入到主控制器。

所述的多相位交通信号控制机，所述相位控制板包含24路相位驱动电路和反馈检测电路，每路独立控制一个信号灯，每块相位控制板独立控制和反馈检测24路信号灯。

所述的多相位交通信号控制机，所述相位控制板24路控制信号分为8组，每组按红绿黄顺序控制相应信号灯，可以控制一个方向的信号灯。

所述的多相位交通信号控制机，所述主控制器连接1至4块相位控制板。

所述的多相位交通信号控制机，所述相位控制板上设有两组三位跳线器，分别设定输出转换电路和输入转换电路的IIC器件地址。

所述的多相位交通信号控制机，所述交通信号控制机采用插卡式结构机箱，电源板和ARM主控板以单独的板卡插入机箱，每块相位控制板也以单独的板卡插入机箱；电源板通过电源线以串联形式为ARM主控板和相位控制板供电；ARM主控板通过IIC接口以串联形式接入各相位控制板。

与现有技术相比，本发明的优点和有益效果是：本发明的交通信号控制机主控制器采用IIC总线通信方式与相位控制板进行通信，IIC控制器集成于主控制器和相位控制板的I/O扩展芯片里面，不需要专门的总线控制器和收发器，减少了独立芯片数量，简化了软硬件电路设计，提高了信号控制机整体的可靠性，降低了开发和维护成本。同时，根据需要接入1至4块相位控制板，提高了系统的灵活性。

附图说明

图1是典型CAN总线应用示意图。

图2是本发明的框架结构示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实时方式，本领域技术人员可以本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

IIC总线是一种由PHILIPS公司开发的高效，实用，可靠的双向二线制串行数据传输结构总线，用于连接微控制器及其外围设备。

IIC总线由数据线SDA和时钟SCL构成，可发送和接收数据。在主控与被控IC之间、IC与IC之间进行双向传送，最高传送速率100kbps。各种被控制器件均并联在这条总线上，每个电路和模块都有唯一的地址，在信息的传输过程中，IIC总线上并接的每一模块电路既是主控器（或被控器），又是发送器（或接收器），这取决于它所要完成的功能。主控发出的控制信号分为地址码和控制量两部分，地址码用来选址，即接通需要控制的电路，确定控制的种类；控制量决定该调整的类别（如对比度、亮度等）及需要调整的量。这样，各控制设备虽然挂在同一条总线上，却彼此独立，互不相关。

IIC总线在传送数据过程中共有三种类型信号，它们分别是：开始信号、结束信号和应答信号。

开始信号：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据。

结束信号：SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。

应答信号：接收数据的IC在接收到8bit数据后，向发送数据的IC发出特定的低电平脉冲，表示已收到数据。CPU向受控单元发出一个信号后，等待受控单元发出一个应答信号，CPU接收到应答信号后，根据实际情况作出是否继续传递信号的判断。若未收到应答信号，由判断为受控单元出现故障。

IIC总线最主要的优点是其简单性和有效性。IIC接口可以直接设计在微控制器和其他设备器件之内，因此IIC总线占用的空间非常小，减少了电路板的空间和芯片管脚的数量，降低了互联成本。IIC总线的长度可高达25英尺，并且能够以100Kbps的最大传输速率，支持多达40个器件。IIC总线的另一个优点是，它支持多主控(MultiMastering)，其中任何能够进行发送和接收的设备都可以成为主控。一个主控能够控制信号的传输和时钟频率。在任何时间点上只能有一个主控。

基于此，本实施例提出了一种在主控制器与相位控制板之间使用IIC总线的交通信号控制机。

如图2，在本实施例的交通信号控制机中设置有主控制器、相位控制板和IIC总线。主控制器作为交通信号控制的控制核心，负责交通信号控制方案数据的配置、配置数据存储，并向相位控制板发出某一时间的相位控制命令；相位控制单元接受主控制器发送的相位控制命令，驱动控制路口上各方向信号灯的通断状态，从而充当交通信号控制的执行机构。IIC总线采用串行方式连接主控制器和相位控制板，传送主控制器发出的相位控制命令及信号灯工作状态的反馈信号；

对主控制器的组建方式。在本实施例中选用32位高性能的ARM芯片LPC3250。LPC3250芯片是NXP半导体设计的，适用高性能和低功耗结合的嵌入式应用。该芯片使用90纳米的技术，集成一个带有矢量浮点协处理器的ARM926EJ-SCPU内核，CPU时钟运行速率可高达208MHz；32kB指令高速缓存和32kB数据高速缓存;高达256kB的内部SRAM（IRAM）；支持DDR和SDR SDRAM；2个NAND Flash控制器，分别支持单级NAND Flash和多级NAND Flash器件；集成了多种接口如GPIO、UART、USB、SPI、以太网等，只需要少量的外围电路就可以实现主控制器。尤其是该芯片集成了2个独立的主IIC接口，具有标准开漏管脚。IIC总线接口支持单主机、从机和多主机的IIC配置模式，速率可达400Kbps，也支持7位或10位的地址方式。只需将IIC总线的SDA和SCL从芯片引出，外接上拉电阻即可。当主控制器需要控制信号灯的状态时，主控制器根据系统设定的配时参数，生成一定长度的信号灯控制字节，通过IIC接口发送到IIC总线上。

对于相位控制板的组建方式，在本实施例中分为四个部分：输出转换部分、驱动控制部分、反馈检测部分及输入转换部分。这里输出转换和输入转换部分均采用带有IIC总线接口的I/O转换芯片。这里选择一款带有I²C接口的40位并行I/O口扩展芯片，采用5V供电电压，40个I/O口分为5组，每组8个I/O口，用一个字节来反映其电平状态，每组可以单独配置为输出或输入模式。该芯片的IIC支持高速（400KHz）和标准（100KHz）IIC总线速率；具有3条地址线可配置从地址。在每个相位控制板上设计两块该芯片，一块芯片用于输出转换，I/O口均配置为输出模式，每个I/O口用于控制一个信号灯。它通过IIC控制单元接收主控制器发送的串行的相位控制命令，转换为并行的电平信号，经驱动控制部分进行隔离、放大后控制可控硅，最终控制信号灯的状态。另一块用于输入转换，I/O口均配置为输入模式，每个I/O口反映信号灯的工作状态。它接收反馈检测部分检测的多路信号灯工作状态的并行电平信号，转换为串行信号后经过IIC总线发送到主控制器，进行故障的判断与处理。一组信号灯有红绿黄三种，考虑相位控制板的大小，每块相位板上设计固定的8组信号灯。

为了提高信号控制机的灵活性，本实施例中相位控制板通过地址设定部分来区分不同的相位控制板。可以根据需要接入1至4块相位控制板至IIC总线上。在故障维护时，任意一块相位控制板只需重新通过跳线设定地址，就可以替换故障相位控制板。

为了提高信号控制机安装和维护的便利性，本实施例中信号控制机的整体结构采用插板式结构。

为了方便所述交通信号控制机与上位机及其他交通设施间通信如车检器、倒计时器、交通诱导屏之间的通信，在所述主控板上还可以进一步设置其他各类通信接口，如以太网接口、串口如RS-232/485接口等。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种基于IIC总线的多相位交通信号控制机，其特征在于，包括主控制器、相位控制板和IIC总线；主控制器作为交通信号控制的控制核心，负责交通信号控制方案数据的配置、配置数据存储，并向相位控制板发出某一时间的相位控制命令；相位控制单元接受主控制器发送的相位控制命令，驱动控制路口上各方向信号灯的通断状态，从而充当交通信号控制的执行机构；IIC总线采用串行方式连接主控制器和相位控制板，传送主控制器发出的相位控制命令及信号灯工作状态的反馈信号。

2.根据权利要求1所述的多相位交通信号控制机，其特征在于，相位控制板包括输出转换电路、相位驱动电路、反馈检测电路、反馈信号输入转换电路；输出转换电路通过IIC总线连接主控制器和相位控制板，接受主控制器发出的串行交通信号灯控制信号，转换为并行信号后作为相位驱动电路的输入；相位驱动电路连接信号灯，根据输出转换电路输出的并行信号同时控制各路信号灯的连通或关断；反馈检测电路检测信号灯电路中的电流并产生反馈电平，传给输入转换电路；输入转换电路通过IIC总线连接主控制器和反馈检测电路，将反馈检测电路输入的并行I/O信号转换为串行信号输入到主控制器。

3.根据权利要求2所述的多相位交通信号控制机，其特征在于，所述相位控制板包含24路相位驱动电路和反馈检测电路，每路独立控制一个信号灯，每块相位控制板独立控制和反馈检测24路信号灯。

4.根据权利要求3所述的多相位交通信号控制机，其特征在于，所述相位控制板24路控制信号分为8组，每组按红绿黄顺序控制相应信号灯，可以控制一个方向的信号灯。

5.根据权利要求1所述的多相位交通信号控制机，其特征在于，所述主控制器连接1至4块相位控制板。

6.根据权利要求1所述的多相位交通信号控制机，其特征在于，所述相位控制板上设有两组三位跳线器，分别设定输出转换电路和输入转换电路的IIC器件地址。

7.根据权利要求1至6任一所述的多相位交通信号控制机，其特征在于，所述交通信号控制机采用插卡式结构机箱，电源板和ARM主控板以单独的板卡插入机箱，每块相位控制板也以单独的板卡插入机箱；电源板通过电源线以串联形式为ARM主控板和相位控制板供电；ARM主控板通过IIC接口以串联形式接入各相位控制板。