CN104167104A - 自适应交通信号倒计时显示装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种自适应交通信号倒计时显示装置及其控制方法，它包括系统调度模块分别连接电源管理模块和灯色检测模块和触发信号检测模块、倒计时信息接收模块、显示倒计时信息模块；倒计时信息接收模块分别连无线模块、网络模块、电力载波通信模块、RS-485通信模块。本发明采用高压模块与低压模块隔离的设计架构，高压部分与低压部分采用光耦隔离，既增强了系统稳定性，又便于维修。本发明力求做到线路简化、性能稳定、工作模式切换时显示平滑过渡，为智能交通控制和管理领域提供高性能价格比并且功能完善的交通信号倒计时装置。

Description

自适应交通信号倒计时显示装置及其控制方法

技术领域

本发明属于智能交通控制领域。

背景技术

目前，交通信号倒计时显示装置被广泛用于智能交通信号灯控制系统中，其作用主要显示当前交通红、黄、绿信号剩余时间。该装置目前采用技术方式有较多，单学习式、单RS-485通信式、单信号触发式、触发学习组合式、通信学习组合式等。单学习式倒计时显示装置适合于没有通信线缆的环境，节省敷设费用，缺点是显示信息在时段切换时或在协调式系统自感应和自适应控制中经常出现数字紊乱状态；单通信式适合倒计时信息提示多变的场合，但是如果通信中断则只能熄灭倒计时显示装置；单触发式控制方式平滑了单学习式和单通信式的部分矛盾，其缺点是部分交通信号机没有触发功能无法完成正常倒计时信息显示。由于单一控制方式的倒计时显示装置存在诸多缺陷，不少厂家开发出各种组合式产品，如触发学习式、通信触发式、通信学习式等多种产品，极大丰富了倒计时显示装置市场。从产品本身来说，都是性能稳定的产品，然后从应用功能上来说普遍存在如下不足：1）不能同时支持通信触发学习自适应；2）通信模式必须增加通信线缆；3）不支持简单交通诱导提示信息。比如，

1. 专利号CN102938212A《通信式道路交通信号倒计时显示器》提供了一种通信式道路交通信号倒计时显示器，该发明未涉及学习式和触发式控制方法，无法解决通信中断情况下倒计时熄灭的问题；

2. 专利号CN102750831A 《道路交通信号倒计时显示装置》、CN103150917A《道路交通信号倒计时显示装置》和专利号CN202177976U《一种交通信号灯倒计时装置》分别提供了一种学习型道路交通信号倒计时显示装置，该发明未涉及通信部分的解决方案，无法提供真正解决相位突变时倒计时平滑显示的问题。

3. 专利号CN102682614A《触发式控制显示的倒计时显示器及显示控制方法》提供了一种触发式控制显示倒计时显示器，未涉及通信和学习方式使得应用灵活性稍显不足。

4. 专利号CN202177976U《一种交通信号灯倒计时装置》提供了一种基于点阵显示屏的学习式倒计时器，缺点与第2种类型的倒计时器类似。

发明内容

本发明采用通信、触发和学习平滑切换自适应算法，支持交通信号倒计时器在通信、触发和学习模式间自动平滑切换，解决了系统升级需要更换相应倒计时器的困惑的自适应交通信号倒计时显示装置及其控制方法。

本发明是通过如下技术方案来实现的：一种自适应交通信号倒计时显示装置，其主要技术特征是它包括系统调度模块分别连接电源管理模块和灯色检测模块和触发信号检测模块、倒计时信息接收模块、显示倒计时信息模块；倒计时信息接收模块分别连无线模块、网络模块、电力载波通信模块、RS-485通信模块；电源管理模块采用RS407桥堆组成桥式整流电路，灯色检测模块和触发信号检测模块通过二极管S2M和分压电路经过P521光耦提供灯态信号至单片机STC15W408S的IO端口；无线接收模块选择通用模块，其输出信号为RS-232串行信号，通过控制板上的接口芯片MAX232传输至STC15W408S 的IO端口；RS-485数据接收模块芯片采用型号为65LBC3082的工业级RS-485串行片；电力载波模块的载波芯片采用SC1128扩频通信芯片；系统调度模块为CPU模块，包括STC15W408S单片机、MAX232串行通信芯片和IO口；倒计时及简洁诱导信息显示模块的笔画式倒计时显示模块，采用IRF9540控制倒计时颜色，芯片ULN2803驱动笔画；倒计时及简洁诱导信息显示模块的点阵显示模块通过拨码实现是否接收和显示通信倒计时信息；驱动显示模块采用芯片APM4953，数据总线隔离芯片型号为74HC245，然后由驱动模块74HC595驱动点阵显示相应的倒计时或诱导信息；

    所述电源管理模块为桥式整流电路的进出两路分别接型号为4007的正反二极管，然后并联一起作为开关电源的输入；

一种自适应交通信号倒计时显示装置的控制方法，其特征在于该控制方法是通过电源管理模块自动完成交通信号倒计时器装置的供电电源获取与切换工作；所述的灯色检测由灯色采集模块完成灯色采集提供TTL电平信号至数据处理单元作灯色检测使用；而通信接口则用来接收从交通信号控制机传输过来的倒计时指令，通过通信芯片采集后传送至数据处理单元，由运行于该处理单元中的处理进程进行解析，然后提交给系统调度模块；系统调度模块则根据优先级从高到低分别为通信式、触发式和学习式的模式自适应控制方法完成输出信号切换；输出模式切换方法采用拨码开关DIP拨码控制方法，选择输出模式为点阵模式或笔画条模式进行输出；

所述的控制方法中电源管理模块的控制和管理方法由信号灯灯色取电电路采用6只RS407桥堆整流后，由正负极各6只4007二极管并联作为开关电源的输入，经过开关电源生成倒计时显示装置可直接使用的DC24V直流电源VDD1；VDD1串入一只S2M二极管，太阳能电池供电正极也串入一只S2M二极管，并联可提供2A的电流给交通信号倒计时显示装置稳定供电；

所述的控制方法中信号采集部分方法是由S2M二极管和EL817光耦共同完成信号采集，并通过EL817对内外电路进行隔离保证控制主板核心部件得以保护，EL817的输出端口接入高速中央处理单元STC15W408S的IO口，经由高速中央处理单元完成信号采集；采集的信号经由中央处理器完成信号灯颜色区分、时序记录和时间计算；区分灯色采用定位方法为位置定位法，由信号接入引脚作为依据，支持3个信号和6个信号的接入；3个信号接入时，信号顺序为绿、黄、红；6个信号接入时，信号顺序为绿1、黄1、红1、绿2、黄2、红2；时序记录采用IO端口检测并保存；信号时间计算方法为采用信号环的模式，绿1、黄1、红1组成第1个环，绿2、黄2、红2组成第2个信号环，两个信号环的信号时长分别统计，在下一个周期时，将对应灯色予以输出；相位时长统计方法本系统中采用自适应算法完成，当相位时长变化小于1.8秒，不予更新数据；变化大于1.8s，而小于3s时，更新2秒；当相位变化大于3s时，实时更新数据；

所述的控制方法中通信信道选择方法是通过接入网络接口或者接入RS-485等通信接口的数据进行区分，由网络通信接口芯片RTL8019AS完成网络物理层连接，采用65HVD3082串行接口芯片完成RS-485通信物理层连接。通信信号接入中央处理器的网络和串行接入端口，完成网络数据通信过程。数据接收软件模块完成接收、拆包、封包和发送等工作。数据拆包后提交灯色输出调度模块，将当前倒计时显示装置状态封包后提交通信接口芯片发送至交通信号控制主机；

所述的控制方法中高速中央处理单元STC15W408S的系统自适应调度模块的调度方法是系统的核心；自适应调度方法，分为状态甄别、模式确定、提取数据和倒计时输出4个阶段。状态甄别和模式确定方法：1、先同时采集学习数据、触发状态和通信数据；2、如果连续3次通信出错转入触发状态检测，触发状态存在则走完当前相位倒计时信息，下一相位开始使用触发模式；如果一个周期内，没有任何触发信号，下一周期开始系统进入学习模式；3、在学习模式下，有1次正确的通信信号，立即转入通信模式；如果没有正确通信数据出现，1个周期内，某一个相位红绿都出现过触发信号，或者任意两个不同相位绿信号触发或者任意两个不同相位有红信号触发，系统切换至触发模式；在触发模式下如果有1次正确的通信信号，系统立即转入通信模式。提取数据和倒计时输出方法则根据当前系统所处模式，调取倒计时灯色数据，判断输出显示方式是点阵模式或笔画条模式后，输出相应的倒计时颜色和倒计时显示数字信息。

本发明通信模式支持无线模式、载波模式和有线通信模式，提供灵活通信传输模式；触发支持100ms~300ms的宽范围触发脉冲，支持多种型号信号机输出的触发信号；学习模式下支持单周期学习显示方式；显示模块不仅支持笔画条单数位、双数位和多数位显示方式，还支持点阵显示模块，可支持简单的提示信息，满足用户各种显示需求。本发明采用高压模块与低压模块隔离的设计架构，高压部分与低压部分采用光耦隔离，既增强了系统稳定性，又便于维修。本发明力求做到线路简化、性能稳定、工作模式切换时显示平滑过渡，为智能交通控制和管理领域提供高性能价格比并且功能完善的交通信号倒计时装置。

本发明线路设计简洁，性能稳定、工作模式切换时显示平滑过渡；触发部分支持100~300ms宽范围脉冲触发；学习时间短，仅需一个完整周期即可显示倒计时信息；支持笔画倒计时显示和点阵倒计时显示；高压采集电路与低压检测电路完全隔离，增强了系统安全性且便于维护。通信部分采用工业级485串行通信芯片65LBC3082，支持RS-485串行通行方式；本发明所涉及装置设计有载波通信外围电路模块，载波芯片采用SC1128扩频通信芯片。本发明所涉及装置增加了网络模块即网络通信扩展模块，网络通信芯片采用RTL8019AS；通信、触发和学习模式调度切换采用基于闭环学习模式，综合触发和通信信号，实时动态平滑输出相应的倒计时信息。RS-232芯片采用工业级MAX232芯片，采用光耦EL817实施光电隔离。无线通信模块采用470Mhz无线通信模块。中央处理器采用STC15W408S单片机，采用1T模式（1时钟周期/指令）主频可达到60~420MHz，相当于普通8051单片机的7~12倍。

附图说明：

图1为自适应交通信号倒计时显示装置工作原理；

图2 为自适应交通信号倒计时显示装置原理图；

图3 为电源管理原理图；

图4为信号采集电路原理图；

图5为系统控制方法软件流程图。

具体实施方式：

如图1-图4所示，1为电源管理与信号采集模块，包含模块如图3和图4所示，电源管理部分采用RS407桥堆作为整流电路，3~6组信号只要有一组提供电源就可以保证控制模块能正常获取工作电压；通过S2M和分压电路经过EL817光耦提供灯态信号至单片机STC15W408S的IO端口，由完成STC15W408S完成信号采集与处理。

2为无线接收模块，接收模块选择通用模块，其输出信号为RS-232串行信号，通过控制板上的接口芯片MAX232传输至STC15W408S 的IO端口，用软件读取端口,输入缓存，得到相应数据，获取倒计时显示信息。

3为RS-485数据接收模块，该模块主要用于通用RS-485串行网络数据的接收。该模块芯片采用型号为65LBC3082的工业级RS-485串行片。

4为电力载波模块，该模块的载波芯片采用SC1128扩频通信芯片，可稳定传输和接收倒计时信息。

5为网络模块，该模块的接口芯片采用RTL8019AS通信芯片，可通过该芯片接收倒计时信息和简洁诱导信息。

6为CPU模块，包括STC15W408S单片机、MAX232串行通信芯片和IO口。

7为倒计时及简洁诱导信息显示模块。1）笔画式倒计时显示模块，采用IRF9540控制倒计时颜色，ULN2803驱动笔画；2）点阵显示模块，支持简洁诱导信息，通过拨码实现是否接收和显示通信倒计时信息。1）不显示倒计时信息时模式，只提供绿信号时，显示汉字“慢”；红信号时显示汉字“停”。2）显示倒计时信息模式时，收到通信倒计时信息，则显示倒计时数值到1后，2秒超时后，显示对应交通信号，绿“慢”红“停”。采用APM4953控制倒计时及诱导信息颜色，设计通过74HC245作为数据总线隔离芯片，然后由74HC595驱动点阵显示相应的倒计时或诱导信息。

本发明装置稳定可靠，倒计时信息在三种模式（通信、触发和学习）下，显示无缝切换，平滑显示相应信息。支持多种通信接入方式，用户使用便捷，适合各种交通信号控制器中显示倒计时信息；提供简洁的诱导信息显示，使倒计时器显示信息更加人性化。安装调试操作便捷。

   本发明应用由协调式智能交通控制主机和自适应交通信号倒计时显示装置2部分组成，自适应交通信号倒计时显示装置可以接收协调式智能交通控制主机通过RS-232接口、RS-485接口、无线通信、电力载波接口和网络通信数据，或者由交通信号灯灯色信号输出触发信息，处理后显示相应的倒计时信息或简洁诱导信息。本系统的创新之处在于：1）支持通信、触发和学习三种方式的倒计时信息独有的平滑过渡调度模式；2）通信方式支持多种方式通信接口，支持无线通信模块、电力载波模块、网络通信模块等；3）本装置支持笔画式、点阵式两种显示方式；4）采用自主研发的开关电源作为控制模块和显示模块的电源，使得产品易损件更换便捷。

本自适应交通信号倒计时显示装置的控制方法，是通过电源管理模块自动完成交通信号倒计时器装置的供电电源获取与切换工作；所述的灯色检测由灯色采集模块完成灯色采集提供TTL电平信号至数据处理单元作灯色检测使用；而通信接口则用来接收从交通信号控制机传输过来的倒计时指令，通过通信芯片采集后传送至数据处理单元，由运行于该处理单元中的处理进程进行解析，然后提交给系统调度模块；系统调度模块则根据优先级从高到低分别为通信式、触发式和学习式的模式自适应控制方法完成输出信号切换；输出模式切换方法采用拨码开关DIP拨码控制方法，选择输出模式为点阵模式或笔画条模式进行输出；

所述的控制方法中电源管理模块的控制和管理方法由信号灯灯色取电电路采用6只RS407桥堆整流后，由正负极各6只4007二极管并联作为开关电源的输入，经过开关电源生成倒计时显示装置可直接使用的DC24V直流电源VDD1；VDD1串入一只S2M二极管，太阳能电池供电正极也串入一只S2M二极管，并联可提供2A的电流给交通信号倒计时显示装置稳定供电；

所述的控制方法中信号采集部分方法是由S2M二极管和EL817光耦共同完成信号采集，并通过EL817对内外电路进行隔离保证控制主板核心部件得以保护，EL817的输出端口接入高速中央处理单元STC15W408S的IO口，经由高速中央处理单元完成信号采集；采集的信号经由中央处理器完成信号灯颜色区分、时序记录和时间计算；区分灯色采用定位方法为位置定位法，由信号接入引脚作为依据，支持3个信号和6个信号的接入；3个信号接入时，信号顺序为绿、黄、红；6个信号接入时，信号顺序为绿1、黄1、红1、绿2、黄2、红2；时序记录采用IO端口检测并保存；信号时间计算方法为采用信号环的模式，绿1、黄1、红1组成第1个环，绿2、黄2、红2组成第2个信号环，两个信号环的信号时长分别统计，在下一个周期时，将对应灯色予以输出；相位时长统计方法本系统中采用自适应算法完成，当相位时长变化小于1.8秒，不予更新数据；变化大于1.8s，而小于3s时，更新2秒；当相位变化大于3s时，实时更新数据；

所述的控制方法中通信信道选择方法是通过接入网络接口或者接入RS-485等通信接口的数据进行区分，由网络通信接口芯片RTL8019AS完成网络物理层连接，采用65HVD3082串行接口芯片完成RS-485通信物理层连接。通信信号接入中央处理器的网络和串行接入端口，完成网络数据通信过程。数据接收软件模块完成接收、拆包、封包和发送等工作。数据拆包后提交灯色输出调度模块，将当前倒计时显示装置状态封包后提交通信接口芯片发送至交通信号控制主机；

所述的控制方法中高速中央处理单元STC15W408S的系统自适应调度模块的调度方法是系统的核心；自适应调度方法，分为状态甄别、模式确定、提取数据和倒计时输出4个阶段。状态甄别和模式确定方法：1、先同时采集学习数据、触发状态和通信数据；2、如果连续3次通信出错转入触发状态检测，触发状态存在则走完当前相位倒计时信息，下一相位开始使用触发模式；如果一个周期内，没有任何触发信号，下一周期开始系统进入学习模式；3、在学习模式下，有1次正确的通信信号，立即转入通信模式；如果没有正确通信数据出现，1个周期内，某一个相位红绿都出现过触发信号，或者任意两个不同相位绿信号触发或者任意两个不同相位有红信号触发，系统切换至触发模式；在触发模式下如果有1次正确的通信信号，系统立即转入通信模式。提取数据和倒计时输出方法则根据当前系统所处模式，调取倒计时灯色数据，判断输出显示方式是点阵模式或笔画条模式后，输出相应的倒计时颜色和倒计时显示数字信息。

本发明通信模式支持无线模式、载波模式和有线通信模式，提供灵活通信传输模式；触发支持100ms~300ms的宽范围触发脉冲，支持多种型号信号机输出的触发信号；学习模式下支持单周期学习显示方式；显示模块不仅支持笔画条单数位、双数位和多数位显示方式，还支持点阵显示模块，可支持简单的提示信息，满足用户各种显示需求。本发明采用高压模块与低压模块隔离的设计架构，高压部分与低压部分采用光耦隔离，既增强了系统稳定性，又便于维修。本发明力求做到线路简化、性能稳定、工作模式切换时显示平滑过渡，为智能交通控制和管理领域提供高性能价格比并且功能完善的交通信号倒计时装置。

本发明线路设计简洁，性能稳定、工作模式切换时显示平滑过渡；触发部分支持100~300ms宽范围脉冲触发；学习时间短，仅需一个完整周期即可显示倒计时信息；支持笔画倒计时显示和点阵倒计时显示；高压采集电路与低压检测电路完全隔离，增强了系统安全性且便于维护。通信部分采用工业级485串行通信芯片65LBC3082，支持RS-485串行通行方式；本发明所涉及装置设计有载波通信外围电路模块，载波芯片采用SC1128扩频通信芯片。本发明所涉及装置增加了网络模块即网络通信扩展模块，网络通信芯片采用RTL8019AS；通信、触发和学习模式调度切换采用基于闭环学习模式，综合触发和通信信号，实时动态平滑输出相应的倒计时信息。RS-232芯片采用工业级MAX232芯片，采用光耦EL817实施光电隔离。无线通信模块采用470Mhz无线通信模块。中央处理器采用STC15W408S单片机，采用1T模式（1时钟周期/指令）主频可达到60~420MHz，相当于普通8051单片机的7~12倍。

Claims (3)

1.一种自适应交通信号倒计时显示装置，其特征在于它包括系统调度模块分别连接电源管理模块和灯色检测模块和触发信号检测模块、倒计时信息接收模块、显示倒计时信息模块；倒计时信息接收模块分别连无线模块、网络模块、电力载波通信模块、RS-485通信模块；电源管理模块采用RS407桥堆组成桥式整流电路，灯色检测模块和触发信号检测模块通过二极管S2M和分压电路经过P521光耦提供灯态信号至单片机STC15W408S的IO端口；无线接收模块选择通用模块，其输出信号为RS-232串行信号，通过控制板上的接口芯片MAX232传输至STC15W408S 的IO端口；RS-485数据接收模块芯片采用型号为65LBC3082的工业级RS-485串行片；电力载波模块的载波芯片采用SC1128扩频通信芯片；系统调度模块为CPU模块，包括STC15W408S单片机、MAX232串行通信芯片和IO口；倒计时及简洁诱导信息显示模块的笔画式倒计时显示模块，采用IRF9540控制倒计时颜色，芯片ULN2803驱动笔画；倒计时及简洁诱导信息显示模块的点阵显示模块通过拨码实现是否接收和显示通信倒计时信息；驱动显示模块采用芯片APM4953，数据总线隔离芯片型号为74HC245，然后由驱动模块74HC595驱动点阵显示相应的倒计时或诱导信息。

2.如权利要求1所述的一种自适应交通信号倒计时显示装置，其特征在于所述电源管理模块为桥式整流电路的进出两路分别接型号为4007的正反二极管，然后并联一起作为开关电源的输入。

3.如权利要求1所述的一种自适应交通信号倒计时显示装置的控制方法，其特征在于该控制方法是通过电源管理模块自动完成交通信号倒计时器装置的供电电源获取与切换工作；所述的灯色检测由灯色采集模块完成灯色采集提供TTL电平信号至数据处理单元作灯色检测使用；而通信接口则用来接收从交通信号控制机传输过来的倒计时指令，通过通信芯片采集后传送至数据处理单元，由运行于该处理单元中的处理进程进行解析，然后提交给系统调度模块；系统调度模块则根据优先级从高到低分别为通信式、触发式和学习式的模式自适应控制方法完成输出信号切换；输出模式切换方法采用拨码开关DIP拨码控制方法，选择输出模式为点阵模式或笔画条模式进行输出；

所述的控制方法中电源管理模块的控制和管理方法由信号灯灯色取电电路采用6只RS407桥堆整流后，由正负极各6只4007二极管并联作为开关电源的输入，经过开关电源生成倒计时显示装置可直接使用的DC24V直流电源VDD1；VDD1串入一只S2M二极管，太阳能电池供电正极也串入一只S2M二极管，并联可提供2A的电流给交通信号倒计时显示装置稳定供电；

所述的控制方法中信号采集部分方法是由S2M二极管和EL817光耦共同完成信号采集，并通过EL817对内外电路进行隔离保证控制主板核心部件得以保护，EL817的输出端口接入高速中央处理单元STC15W408S的IO口，经由高速中央处理单元完成信号采集；采集的信号经由中央处理器完成信号灯颜色区分、时序记录和时间计算；区分灯色采用定位方法为位置定位法，由信号接入引脚作为依据，支持3个信号和6个信号的接入；3个信号接入时，信号顺序为绿、黄、红；6个信号接入时，信号顺序为绿1、黄1、红1、绿2、黄2、红2；时序记录采用IO端口检测并保存；信号时间计算方法为采用信号环的模式，绿1、黄1、红1组成第1个环，绿2、黄2、红2组成第2个信号环，两个信号环的信号时长分别统计，在下一个周期时，将对应灯色予以输出；相位时长统计方法本系统中采用自适应算法完成，当相位时长变化小于1.8秒，不予更新数据；变化大于1.8s，而小于3s时，更新2秒；当相位变化大于3s时，实时更新数据；

所述的控制方法中通信信道选择方法是通过接入网络接口或者接入RS-485等通信接口的数据进行区分，由网络通信接口芯片RTL8019AS完成网络物理层连接，采用65HVD3082串行接口芯片完成RS-485通信物理层连接；通信信号接入中央处理器的网络和串行接入端口，完成网络数据通信过程；数据接收软件模块完成接收、拆包、封包和发送等工作；数据拆包后提交灯色输出调度模块，将当前倒计时显示装置状态封包后提交通信接口芯片发送至交通信号控制主机；

所述的控制方法中高速中央处理单元STC15W408S的系统自适应调度模块的调度方法是系统的核心；自适应调度方法，分为状态甄别、模式确定、提取数据和倒计时输出4个阶段；状态甄别和模式确定方法：1、先同时采集学习数据、触发状态和通信数据；2、如果连续3次通信出错转入触发状态检测，触发状态存在则走完当前相位倒计时信息，下一相位开始使用触发模式；如果一个周期内，没有任何触发信号，下一周期开始系统进入学习模式；3、在学习模式下，有1次正确的通信信号，立即转入通信模式；如果没有正确通信数据出现，1个周期内，某一个相位红绿都出现过触发信号，或者任意两个不同相位绿信号触发或者任意两个不同相位有红信号触发，系统切换至触发模式；在触发模式下如果有1次正确的通信信号，系统立即转入通信模式；提取数据和倒计时输出方法则根据当前系统所处模式，调取倒计时灯色数据，判断输出显示方式是点阵模式或笔画条模式后，输出相应的倒计时颜色和倒计时显示数字信息。