CN110910660A - 一种道路交通信号控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种道路交通信号控制器，包括一块主控板和多块灯驱板，主控板与灯驱板之间通过计数器同步链路、灯组控制链路和灯态反馈链路三组通信链路连接；主控板和灯驱板均配置有单片机系统，通过各自板载交流电过零触发脉冲输入实现本地计数器自增功能；主控板周期性通过低延迟广播通信将自身计数器同步至灯驱板中；主控板发送至灯驱板的驱动报文附加延迟生效计数器值，灯驱板在指定的同一生效时间点切换驱动输出；灯驱板返回主控板的灯态检测报文附加检测时刻计数器值，主控板按照设定步长合并，并按照合并后的输出逻辑判断是否存在绿冲突并降级控制。上述方法解决了异步通信方式下各灯驱板驱动输出和灯态检测不同步难题。

Description

一种道路交通信号控制器

技术领域

本发明涉及一种道路交通信号控制器，特别是涉及一种信号机主控板与驱动板通过网络通信方式配合工作、实现严格同步的道路交通信号控制器。

背景技术

交通信号控制器普遍应用于城市道路交通管理，是提升道路通行效率、保障通行秩序和安全的重要设施。相应的，交通信号控制器的可靠性要求极高，要绝对避免出现绿冲突、死机、长时间全红或灭灯等异常情况。因此，在交通信号控制器的设计方面，需要重点考虑信号灯组驱动输出以及信号灯状态检测输入的同步，以及出现异常后的迅速降级运行。

信号机施工中经常会遇到过路难以穿线的工程问题，但是传统信号机的都要求信号灯的功率驱动线，如火线、零线，都必须直接拉入信号机机柜内接线，势必造成施工成本拉高，乃至最终放弃施工的情况。此时，若能在满足安全、可靠的前提下，能够实现将信号灯灯组驱动板从信号机机柜中抽离，改为置于信号灯灯杆的抱杆机箱中，将主控板到灯驱板的驱动信号从IO驱动改为通过网络通信，以通信报文方式发送，将有效降低工程施工量和施工难度。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于网络通信方式实现主控板与多个灯驱板配合工作的道路信号控制器实现方式，不但能确保所有灯驱板在同一时间点上同步转换输出，也能确保在网络通信失败时，及时进入降级工作模式，确保最基本的安全。

本发明的技术方案是：

一种道路交通信号控制器，包括一块主控板和多块灯驱板，主控板与灯驱板之间通过计数器同步链路、灯组控制链路和灯态反馈链路三组通信链路连接；主控板和灯驱板均配置有单片机系统，通过各自板载交流电过零触发脉冲输入实现本地计数器自增功能；各灯驱板分别配置与单片机系统连接的一组黄灯闪烁驱动电路和多组交流驱动组电路；每组交流驱动组电路对应还配置一个通道的功率、电压/电流采样电路，用于检测灯组状态，供主控板做路口域内的异常识别用。

对于上述技术方案，发明人还有进一步的优化实施方案。

作为优化，所述主控板还配置与单片机系统连接的应用处理器，用于运行本地应用程序，维持与各类辅助部件以及外部系统的通信；主控板的单片机系统则专用于维持本地同步计数器以及管理与各灯驱板间的通信链路；主控板的应用处理器通过与主控板的单片机系统之间的板载通信链路间接实现向灯驱板下发灯组输出控制以及获取灯驱板灯态、当前控制模式。

作为优化，所述主控板与灯驱板之间通过三组通信链路配合工作，在通信链路满足带宽、延迟和安全验证、完整性验证的前提指标要求下，主控板与各灯驱板分布式部署，即主控板置于路侧机柜中，各灯驱板分别置于对应受控信号灯的安装立柱抱杆机箱内；通过在报文内指明数据收发的主控板编号和灯驱板地址来来实现分组绑定；通过主控板和灯驱板内置硬件密钥卡解密，来验证所收到报文的合法性；通过校验和算法来验证报文的完整性。

作为优化，所述主控板的单片机系统周期性通过计数器同步链路以广播形式发出同步指示报文，内容包括口编号、主控板编号、同步计数器值、同步报文序号、签名密文、报文校验；灯驱板通过计数器同步链路收到同步指示报文后，以最高中断优先级方式读取接收缓冲器内的报文，将报文内的主控板编号与本地存储的编号对比，对于两者一致的报文，再就签名密文、报文校验进行解密核验，核验通过后，将报文内的计数器覆盖本地计数器值，同时重置同步超时定时器；对于编号不一致或签名核验未通过或报文校验码错误的，直接丢弃，不做任何处置；当同步超时定时器溢出，灯驱板进入同步异常状态，并通过控制外部继电器方式解除交流驱动组电路上的正常交流驱动信号，迫使灯组的黄灯闪烁驱动电路输出切换至闪烁驱动，进入黄闪降级工作模式。

作为优化，所述主控板通过灯组控制链路向各灯驱板先发出灯组预驱动报文，内容包括主控板编号、灯驱板地址、灯驱载荷、计数器值生效步长、报文序号、签名密文、报文校验，报文生效计数器值指明了灯驱板正确收到该报文后，何时可以正式驱动输出，该值的确定考虑了灯驱板相包括继接收、核验的一系列报文操作时间损耗总值。

作为优化，所述灯驱板接收到灯组预驱动报文后立刻应答，应答报文包括灯驱板地址、主控板编号、灯驱载荷、计数器值生效步长、报文序号、签名密文、报文校验；其中除签名密文、报文校验需要重新计算外，其它报文内容与所要应答的灯组驱动报文内容一致；主控板未收到对应应答的，则尝试重传驱动报文，达到最大重传次数仍未收到应答的，判定灯驱板故障，主控板主动进入降级模式。

作为优化，所述灯驱板的功率、电压/电流采样电路的采样值，通过灯态反馈链路发送灯态检测报文至主控板，该灯态检测报文包括主灯驱板地址控板编号、灯组状态、状态检测时刻的同步计数器值、签名密文、报文校验码；主控板收到灯驱板反馈的灯态结果后，按照报文内的计数器值代表的时间窗口合并，在同一窗口内的灯态做绿冲突等异常判别。

作为优化，所述主控板通过将签名密文前序内容按照字节长度做运算后送入板载密钥卡与卡内存储的密钥进行对称加密后由密钥卡返回的密文与收到的签名密文比对来核验该报文的合法性；通过将报文校验码前序内容按照字节长度做校验和计算产生的结果与收到的报文校验比对来核验报文的正确性。

相对于现有技术中的方案，本发明的优点是：

本发明的道路交通信号控制器方案，将高频度、低可靠性要求的计数器同步链路与低频度、高可靠性要求的灯组控制链路和灯态反馈链路分离，最大程度上规避了物理层的信号冲突，具备很强的工程可用性；通信双方通过预置的设备编号建立工作组，且通信报文都附带有校验和签名密文，安全性高，即便采用无线电通信方式，仍然适用；能够确保做到各灯驱板在同一时间点上转换输出，根本上避免了因灯驱板不同步而可能引发的信号冲突；当发生通信或信号灯状态异常时，能迅速进入降级工作模式。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1是本发明实施例的系统结构原理示意图。

具体实施方式

实施例：

本实施例以我国交流220V市电环境下描述了一种交通信号控制器，处理必备的机柜、机箱以及电源附件外，系统主体部分结构如图1所示，板级层面，系统由一块主控板和多块灯驱板组成，主控板是系统的逻辑核心，负责系统级的输入输出管理以及与控制平台外部系统（手动控制面板、中心控制平台、配置终端等）的信息交换；灯驱板的主要功能是依据主控板的控制要求驱动多组信号灯，同时实时采集信号灯状态反馈至主控板；在发生异常时，主动降级至黄闪模式。

主控板内部设置两个处理单元，一个是主处理器，也称为应用处理器，负责整机系统的最高层次逻辑和通信；另一个是专用于与各个灯驱板通信以及维持同步计数器的微控制器，即单片机系统。同时，主控板还载有硬件密钥卡、存储有主控板编号的非易失存储器、交流过零触发等必要外围电路。

多个灯驱板电路和软件完全相同，但是分配有不同地址，地址可以通过板载拨码开关的方式设置。灯驱板上的单片机是核心，内部设置有同步计数器，受外部交流过零触发电路激励后可自增计数；内部还设置了同步超时定时器，并绑定中断，用于监督来自主控板的计数器同步报文是否收发正常；同样，板载有硬件密钥卡和存储主控板编号的非易失性存储器；另外，带有多个通道的交流驱动组，每个驱动组可驱动红、黄、绿一组信号灯；驱动组电路附有功率、电压/电流采样电路，通过I/O（PWM波）或通信口方式将采样值返回值单片机，待单片机通过灯态反馈链路发送至主控板；为实现高效地在正常、黄闪模式间切换，还载有继电器控制的交流闪烁驱动电路。

我国路口普遍采用单相交流220V、50Hz市电供电，通过对此信号进行变压器降压、整流桥以及比较器整形，可获得100Hz脉冲触发信号。当采用2Byte寄存器作为同步计数器时，寄存器累加的溢出周期为2^16/100=655.36秒=10.9分钟。

当系统实现时，假设指定的设计指标如下：

系统支持的灯驱板数量：4块；

每块灯驱板容纳信号灯灯组组数：8组；

灯驱板同步超时定时器周期：500ms；

主控板对灯驱板预驱动报文的最多连续尝试次数：5次；

绿冲突等异常状态最大停留时间：0.5秒。

当系统实现时，假设指定的设计技术条件如下：

主控板与灯驱板的计数器同步链路采用RS485总线，传输码率为115200bps，主控板为总线主机，4块灯驱板为总线从机，从机不需要对主机发出的同步广播包进行应答；广播发送频率为20次/秒，即正常情况下灯驱板同步计数器平均每自增5，就要和主控板核对一次，若自增50仍然未能与主控板同步，则进入降级模式。

主控板发出的计数器同步报文的数据域格式为：路口编号（1Byte）+主板ID（1Byte）+计数器值（2Byte）+报文序号（1Byte）+签名密文（1Byte）+CRC校验（1Byte），总计7个字节长度。

以常见的MODBUS协议-RTU方式为例，算上数据链路层的地址（1Byte）、功能代码（1Byte）、数据包长度（1Byte）、载荷（7Byte）和LRC校验（2Byte），总计12个字节，广播包的发送耗时未12*8/115200=830ns，链路时间占用率不足1.7%。

主控板与灯驱板的灯组控链路制各采用一条250kbps的CAN总线，灯驱板需要对主控板发出的预驱动报文进行应答，主控板计算报文传输的总线开销，采用时隙分配方式主动避免总线冲突，降低总线进入Bus-off的可能性。

主控板发出的灯组预驱动报文（仅列出CAN数据域）格式为：主控板ID（后6bit）+灯驱板ID（2bit）+灯驱载荷（3Byte）+计数器值生效步长（1Byte）+报文序号（1Byte）+签名密文（1Byte）+CRC校验（1Byte），总计8个字节长度。

灯驱载荷以3bit位一组，指示了红、黄、绿三个信号灯为一个灯组通道的信号灯输出，格式如下：

计数器值生效步长，指示了灯驱板自收到预驱动报文后多少个计数器自增脉冲后可以启用报文内的灯驱载荷；计数器值生效步长大于“灯驱板未确认同步状态最大停留时间”，即大于100，以便主控板在未收到灯驱板应答时，通过主动停发计数器同步报文的方式迫使灯驱板进入异常降低工作模式。

灯驱板收到灯组预驱动报文后，必须立即予以应答，其报文格式（仅列出CAN数据域）为：灯驱板ID（2bit）+主控板ID（后6bit）+灯驱载荷（3Byte）+计数器值生效步长（1Byte）+报文序号（1Byte）+签名密文（1Byte）+CRC校验（1Byte），总计8个字节长度。

算上数据链路层的帧起始、仲裁场、控制场、CRC场、帧结尾和必要的帧间隔，每次报文发送整体不超过16字节，发送耗时为16*8/250000=512ns。按照每组报文最多尝试5次，并预留5次应答，每次收发主动预留5ms总线空隙，4块灯驱板发送驱动报文最大耗时0.512*10+5*10*4=205.12ms，即当主控板确定了各灯组的输出逻辑后，正常情况下0.2秒可预发送至输出板备用，或0.5秒后强迫驱动板进入降级模式。

如上所述，主控板与灯驱板的灯态反馈链路的机制可参照灯组控制链路执行，只是报文格式更改为：灯驱板ID（2bit）+主控板ID（后6bit）+驱动组状态（3Byte）+采样时刻同步计数器值低字节（1Byte）+报文序号（1Byte）+签名密文（1Byte）+CRC校验（1Byte），总计8个字节长度。为防止因特殊原因主控板未能正确接收到反馈报文，主控板可依据报文序号是否连续决定是否要求灯驱板重发报文，特定序号报文重发请求的报文格式为：主控板ID（后6bit）+灯驱板ID（2bit）+报文序号（1Byte）+签名密文（1Byte）+CRC校验（1Byte），总计4个字节长度。

综上所述，基于通信方式构建的灯驱板工作逻辑为：其拥有三个例常任务：

（1）不断地刷新同步计数器—当收到计数器同步报文时，将主控板计数器值覆盖本地计数器值，并及时向主控板予以报文应答，同时重置同步超时定时器；当被外部交流同步脉冲激励（如上升沿信号）时，计数器值+1；

（2）处置同步超时定时器中断，进入该终端服务程序时，认为超过“灯驱板未确认同步状态最大停留时间”内都没有来自主控板的计数器同步报文时，主动进入黄闪降级工作模式；

（3）当接收到主控板发来的预驱动报文后，立即予以正确应答，争取将预驱动报文转变为正式输出。

当然上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种道路交通信号控制器，其特征在于，包括一块主控板和多块灯驱板，主控板与灯驱板之间通过计数器同步链路、灯组控制链路和灯态反馈链路三组通信链路连接；主控板和灯驱板均配置有单片机系统，通过各自板载交流电过零触发脉冲输入实现本地计数器自增功能；各灯驱板分别配置与单片机系统连接的一组黄灯闪烁驱动电路和多组交流驱动组电路；每组交流驱动组电路对应还配置一个通道的功率、电压/电流采样电路，用于检测灯组状态，供主控板做路口域内的异常识别用。

2.根据权利要求1所述的道路交通信号控制器，其特征在于：所述主控板还配置与单片机系统连接的应用处理器，用于运行本地应用程序，维持与各类辅助部件以及外部系统的通信；主控板的单片机系统则专用于维持本地同步计数器以及管理与各灯驱板间的通信链路；主控板的应用处理器通过与主控板的单片机系统之间的板载通信链路间接实现向灯驱板下发灯组输出控制以及获取灯驱板灯态、当前控制模式。

3.根据权利要求1或2所述的道路交通信号控制器，其特征在于：所述主控板与灯驱板之间通过三组通信链路配合工作，在通信链路满足带宽、延迟和安全验证、完整性验证的前提指标要求下，主控板与各灯驱板分布式部署，即主控板置于路侧机柜中，各灯驱板分别置于对应受控信号灯的安装立柱抱杆机箱内；通过在报文内指明数据收发的主控板编号和灯驱板地址来来实现分组绑定；通过主控板和灯驱板内置硬件密钥卡解密，来验证所收到报文的合法性；通过校验和算法来验证报文的完整性。

4.根据权利要求3所述的道路交通信号控制器，其特征在于：所述主控板的单片机系统周期性通过计数器同步链路以广播形式发出同步指示报文，内容包括口编号、主控板编号、同步计数器值、同步报文序号、签名密文、报文校验；灯驱板通过计数器同步链路收到同步指示报文后，以最高中断优先级方式读取接收缓冲器内的报文，将报文内的主控板编号与本地存储的编号对比，对于两者一致的报文，再就签名密文、报文校验进行解密核验，核验通过后，将报文内的计数器覆盖本地计数器值，同时重置同步超时定时器；对于编号不一致或签名核验未通过或报文校验码错误的，直接丢弃，不做任何处置；当同步超时定时器溢出，灯驱板进入同步异常状态，并通过控制外部继电器方式解除交流驱动组电路上的正常交流驱动信号，迫使灯组的黄灯闪烁驱动电路输出切换至闪烁驱动，进入黄闪降级工作模式。

5.根据权利要求4所述的道路交通信号控制器，其特征在于：所述主控板通过灯组控制链路向各灯驱板先发出灯组预驱动报文，内容包括主控板编号、灯驱板地址、灯驱载荷、计数器值生效步长、报文序号、签名密文、报文校验，报文生效计数器值指明了灯驱板正确收到该报文后，何时可以正式驱动输出，该值的确定考虑了灯驱板相包括继接收、核验的一系列报文操作时间损耗总值。

6.根据权利要求5所述的道路交通信号控制器，其特征在于：所述灯驱板接收到灯组预驱动报文后立刻应答，应答报文包括灯驱板地址、主控板编号、灯驱载荷、计数器值生效步长、报文序号、签名密文、报文校验；其中除签名密文、报文校验需要重新计算外，其它报文内容与所要应答的灯组驱动报文内容一致；主控板未收到对应应答的，则尝试重传驱动报文，达到最大重传次数仍未收到应答的，判定灯驱板故障，主控板主动进入降级模式。

7.根据权利要求4所述的道路交通信号控制器，其特征在于：所述灯驱板的功率、电压/电流采样电路的采样值，通过灯态反馈链路发送灯态检测报文至主控板，该灯态检测报文包括主灯驱板地址控板编号、灯组状态、状态检测时刻的同步计数器值、签名密文、报文校验码；主控板收到灯驱板反馈的灯态结果后，按照报文内的计数器值代表的时间窗口合并，在同一窗口内的灯态做绿冲突等异常判别。

8.根据权利要求6或7所述的道路交通信号控制器，其特征在于：所述主控板通过将签名密文前序内容按照字节长度做运算后送入板载密钥卡与卡内存储的密钥进行对称加密后由密钥卡返回的密文与收到的签名密文比对来核验该报文的合法性；通过将报文校验码前序内容按照字节长度做校验和计算产生的结果与收到的报文校验比对来核验报文的正确性。

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