CN104299429B - 一种基于spi总线控制的信号机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于SPI总线控制的信号机，包括主控模块和驱动模块，所述的主控模块通过SPI总线与驱动模块相连。所述的主控模块，用于实现信号灯的黄闪控制、对按键触发信号的实时监测以及控制驱动模块的运行。所述的驱动模块，用于实现红绿信号灯的开关控制以及信号灯状态的实时监测。所述的主控模块包括主控CPU、第一SPI芯片、第二SPI芯片、按键接口电路和黄灯控制电路。所述的驱动模块包括第三SPI芯片、第四SPI芯片、红绿灯控制电路和红绿灯状态监测电路。由以上技术方案可知，本发明具备低成本、可适度扩展等特点，能够满足当前交通信号控制的一大发展需求。

Description

一种基于SPI总线控制的信号机

技术领域

本发明涉及道路交通信号控制技术领域，具体涉及一种基于SPI总线控制的信号机。

背景技术

信号机用于道路交通信号灯的运行控制，保障道路交通的顺利通行，是城市交通系统的重要组成部分。当前的信号机主要有两大类：一类为由单片机直接控制信号灯的低成本单点式信号机，该类型信号机可控制的信号灯路数受IO个数限制，也无相应的故障检测管理，无法实现系统故障时的黄闪控制；该类信号机主要应用在部分县域乡镇等信号控制要求不高的区域，是低成本信号机的发展基础。另一类信号机为基于RS485等通信控制的分布式信号机，该类信号机可通过模块的扩展级联实现对更多信号灯的可靠控制，且可实现对信号灯状态的实时监测，实现在系统故障时模块的独立黄闪控制，是大中型城市复杂控制路口信号控制的智能发展方向，但其控制技术越来越复杂，成本越来越高，无法较好的在中小城市市场中大力推广。

因此，随着智能交通的发展，以及人们对信号机可靠性要求的提高，单点式信号机越来越满足不了城镇等交通路口的发展需求，而分布式信号机越来越智能化的发展也无法适应城镇等低成本信号机的市场应用要求，具备低成本、可适度扩展特点的信号机成为当前交通信号控制的一大发展需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于SPI总线控制的信号机，该信号机具有低成本、可适度扩展等特点，能够满足当前交通信号控制的一大发展需求。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种基于SPI总线控制的信号机，包括主控模块和驱动模块，所述的主控模块通过SPI总线与驱动模块相连。

所述的主控模块，用于实现信号灯的黄闪控制、对按键触发信号的实时监测以及控制驱动模块的运行。

所述的驱动模块，用于实现红绿信号灯的开关控制以及信号灯状态的实时监测。

进一步的，所述的SPI总线包括2个独立的第一SPI总线和第二SPI总线，可更好的实现每组功能控制的稳定可靠性；更易于实现主控模块对黄灯级联个数及驱动模块的红绿灯控制个数的扩展。

进一步的，所述的主控模块包括主控CPU、第一SPI芯片、第二SPI芯片、按键接口电路和黄灯控制电路。主控CPU通过第一SPI总线分别与第一SPI芯片、第二SPI芯片交互连接。第一SPI芯片的输入端与按键接口电路的输出端相连；按键接口电路的输入端接按键输入。第二SPI芯片的输出端与黄灯控制电路的输入端相连；黄灯控制电路的输出端接黄色信号灯。

所述的驱动模块包括第三SPI芯片、第四SPI芯片、红绿灯控制电路和红绿灯状态监测电路。第三SPI芯片和第四SPI芯片通过第二SPI总线与主控CPU交互连接。第三SPI芯片的输出端与红绿灯控制电路的输入端相连；红绿灯控制电路的输出端接红绿信号灯。第四SPI芯片的输入端与红绿灯状态监测电路的输出端相连；红绿灯状态监测电路的输入端接红绿信号灯。

进一步的，所述的主控模块还包括以太网接口和RS485总线接口。

更进一步的，所述的第一SPI芯片、第二SPI芯片、第三SPI芯片和第四SPI芯片均采用16位MCP23S17芯片。

本发明的有益效果：

（1）本发明通过采用SPI总线控制芯片，实现了信号机的低成本开发及应用。利用SPI总线级联特点，能够实现主控模块对适量驱动模块的级联管理，满足中小城市等一般路口的信号灯路数需求。

（2）本发明通过SPI总线实现了对红绿信号灯状态的监控，能够实时判断信号灯的故障信息。本发明通过主控模块对SPI总线的控制，能够实现信号灯的独立黄闪。本发明通过SPI总线对管制按键、人行按键的输入进行实时检测，能够实现对多路外部输入的有效管理。

（3）本发明主控模块与驱动模块之间采用直接线束连接的方式实现，而非分布式信号机多采用的背板连接方式，主控模块与每个驱动模块通过3根控制信号线和2个独立的使能信号线进行连接，可减少采用背板连接时电路板和灯组接插件的成本，降低信号机成本。

综上所述，本发明所述的信号机具有较高的性价比，克服了单点式信号机的灯组控制个数较少和无法较好的实现故障检测、无法独立黄闪控制的缺点，以及分布式信号机成本较高难以推广应用的不足。该信号机可较好的实现灯组个数的增加、信号灯状态的实时检测、黄闪控制的独立控制，且成本较低、安全可靠，可很好的适用快速发展的中小城市信号机的应用需求。

附图说明

图1是本发明的原理框图；

图2是主控模块内部及SPI连接控制图；

图3是驱动模块内部及SPI连接控制图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

一种基于SPI总线控制的信号机，包括主控模块和驱动模块，所述的主控模块通过SPI总线与驱动模块相连。SPI总线是一种高速的、全双工、同步的通信总线，由主控设备实现对系统的统一控制。所述的主控模块，用于实现信号灯的黄闪控制、对按键触发信号的实时监测以及控制驱动模块的运行。所述的驱动模块，用于实现红绿信号灯的开关控制以及信号灯状态的实时监测。一般路口信号灯组数小于等于16组；本信号机采用具有16个IO接口的SPI芯片，每个芯片可实现对16个信号灯或16个按键的控制或监测。在图1中，主控模块通过SPI总线级联两个驱动模块，实现对16个红黄绿灯组的管理，通过2组5芯通信线及2根电源线分别连接至两个驱动模块。通过增加SPI芯片，主控模块可增加黄灯控制路数；通过增加驱动模块，系统可增加红绿灯控制路数。

进一步的，如图2所示，所述的主控模块包括主控CPU、第一SPI芯片、第二SPI芯片、按键接口电路和黄灯控制电路。主控CPU通过第一SPI总线分别与第一SPI芯片、第二SPI芯片交互连接。第一SPI芯片的输入端与按键接口电路的输出端相连；按键接口电路的输入端接按键输入。第二SPI芯片的输出端与黄灯控制电路的输入端相连；黄灯控制电路的输出端接黄色信号灯。

主控模块为实现信号控制的核心处理单元，包括第一SPI总线和第二SPI总线两路SPI总线的控制实现。第一SPI总线，一方面用于连接信号灯的黄闪控制，当系统外部出现故障时，主控CPU通过第一SPI芯片直接控制信号灯黄闪运行；另一方面用于连接各种外部开关量输入信号，实现对管制按键、人行按键等触发信号的实时检测。第二SPI总线，用于连接驱动模块，向驱动模块发送信号灯的控制方案指令并控制驱动模块的运行。

主控CPU通过第一SPI总线连接按键接口电路和黄灯控制电路，需要时钟SCK、串行数据输入MISO、串行数据输出MOSI、芯片使能CS1和芯片使能CS2这5根信号线来进行连接。按键接口电路有以下三方面的功能：第一，可实现4路管制按键（手动控制按键、步进控制按键、全红按键、黄闪按键）输入的实时状态检测，便于对信号机进行手动管制；第二，可实现4路人行按键输入检测，便于路口行人过街功能的触发；第三，含有8路扩展输入IO，用于特殊功能输入的信号检测。由于按键接口电路只向主控CPU输出状态信号，因此，第一SPI芯片需要连接时钟SCK、串行数据输入MISO和芯片使能CS1三根数据线。黄灯控制电路，通过第二SPI芯片来控制16路黄灯的开关管理。由于黄灯控制电路只从主控CPU接收控制指令，因此，第二SPI芯片需要连接时钟SCK、串行数据输出MOSI和芯片使能CS2三根数据线。

进一步的，如图3所示，所述的驱动模块包括第三SPI芯片、第四SPI芯片、红绿灯控制电路和红绿灯状态监测电路。第三SPI芯片和第四SPI芯片通过第二SPI总线与主控CPU交互连接；第三SPI芯片的输出端与红绿灯控制电路的输入端相连。红绿灯控制电路的输出端接红绿信号灯。第四SPI芯片的输入端与红绿灯状态监测电路的输出端相连。红绿灯状态监测电路的输入端接红绿信号灯。

驱动模块通过第二SPI总线与主控模块交互连接，用于实现红绿信号灯的开关控制及红绿信号灯状态的实时监测。驱动模块的红绿灯控制电路和红绿灯状态监测电路，采用同一路SPI总线的两个独立SPI扩展IO芯片（第三SPI芯片和第四SPI芯片）独立管理。红绿灯控制电路与第三SPI芯片的IO输出直接相连，并由主控模块控制。红绿灯状态监测电路，用于实时监测红绿信号灯的电压状态，并将各输出信号传输到第四SPI芯片，再由主控模块读取。

驱动模块可根据路口信号灯的数量进行适量扩展，并级联至主控模块输出的同一路SPI总线（第二SPI总线）上。主控模块通过第二SPI总线连接各驱动模块。各驱动模块可实现8组红绿信号灯（8个红灯和8个绿灯）的控制以及信号灯的电压状态监测。各驱动模块的红绿信号灯控制电路通过交流光耦MOC3063及可控硅BTA10-600控制8个红灯和8个绿灯的开关，并由一个独立的SPI芯片驱动所有的交流光耦。由于红绿灯控制电路只从主控CPU接收输入控制指令，因此，第三SPI芯片连接时钟CLK、串行数据输出MOSI和芯片使能CS1三根数据线。各驱动模块的红绿灯状态监测电路，可检测8个红灯和8个绿灯的实时电压状态，各信号灯电压先通过分压电路降压后，再由光耦TLP126转换为开关量输出，然后连接至第四SPI芯片的IO输入，最后由主控模块读取数据。由于红绿灯状态监测电路只向主控CPU输出电压检测状态，因此，第四SPI芯片连接时钟CLK、串行数据输入MISO和芯片使能CS2三根数据线。

进一步的，所述的主控模块还包括以1路以太网接口和1路RS485总线接口。以太网接口，用于信号机的联网通信。RS485总线接口，用于连接外部的倒计时模块以及其它设备。

更进一步的，所述的第一SPI芯片、第二SPI芯片、第三SPI芯片和第四SPI芯片均采用16位MCP23S17芯片。这不仅能够增加同一个SPI芯片的IO管理个数，还能保持系统中各SPI芯片的统一。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于SPI总线控制的信号机，其特征在于：包括主控模块和驱动模块，所述的主控模块通过SPI总线与驱动模块相连；

所述的主控模块，用于实现信号灯的黄闪控制、对按键触发信号的实时监测以及控制驱动模块的运行；

所述的驱动模块，用于实现红绿信号灯的开关控制以及信号灯状态的实时监测；

所述的SPI总线包括2个独立的第一SPI总线和第二SPI总线；

所述的主控模块包括主控CPU、第一SPI芯片、第二SPI芯片、按键接口电路和黄灯控制电路；主控CPU通过第一SPI总线分别与第一SPI芯片、第二SPI芯片交互连接；第一SPI芯片的输入端与按键接口电路的输出端相连；按键接口电路的输入端接按键输入；第二SPI芯片的输出端与黄灯控制电路的输入端相连；黄灯控制电路的输出端接黄色信号灯；

所述的驱动模块包括第三SPI芯片、第四SPI芯片、红绿灯控制电路和红绿灯状态监测电路；第三SPI芯片和第四SPI芯片通过第二SPI总线与主控CPU交互连接；第三SPI芯片的输出端与红绿灯控制电路的输入端相连；红绿灯控制电路的输出端接红绿信号灯；第四SPI芯片的输入端与红绿灯状态监测电路的输出端相连；红绿灯状态监测电路的输入端接红绿信号灯。

2.根据权利要求1所述的一种基于SPI总线控制的信号机，其特征在于：所述的主控模块还包括以太网接口和RS485总线接口。

3.根据权利要求1所述的一种基于SPI总线控制的信号机，其特征在于：所述的第一SPI芯片、第二SPI芯片、第三SPI芯片和第四SPI芯片均采用16位MCP23S17芯片。