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號控制機的原理框圖如圖1所示。現場總線型交通控制系統原理框圖見圖2。

　　1.控制系統中的各節點均為智能的，各自具有很強的功能且可在主機不參與的情況下獨立工作，大大減輕了主機的工作量，主機節約的時間可用于控制策略的計算與生成、系統檢測數據的處理與管理、與中心計算機交換信息等高層任務等。而集中控制型交通信號控制器的主機工作時不停的忙于低層的工作，無暇顧及高層任務的處理，很難向干線協調控制、區域協調控制系統等大型交通控制系統方面發展。
　　2.系統擴展和更新靈活方便，只需將智能節點掛在總線上，周期短，適應能力強。
　　3.現場總線型交通控制系統主機可通過兩條雙絞線或電力線或一根光纖組成網，與各節點聯接。因此系統布線少、工程費用低、施工簡單，工程維護費用低。
　　我們設計了一種現場總線型倒計時器，它具有下列主要功能。
　　1.向行駛車輛及行人提示允許通行或等待通行的時間。紅、綠兩色，二位半數字顯示(倒計時秒數1～199)。
　　2.亮度可變，避免倒計時器白天亮度不足，夜間刺眼的現象。
　　3.顯示筆段檢測功能。

　　與傳統的交通控制系統相比，現場總線交通自動控制系統有兩方面的不同。第一，信號機要具有現場總線接口；第二，所有交通設備均為具有現場總線接口的智能設備。在現場總線的選擇上，考慮到Echelon公司為LonWorks現場總線(簡稱Lon總線)設計和成品化提供了一套完整的開發平臺，其通信協議LonTalk支持OSI/RM的所有七層模型，具有高可靠性、安全性，易于實現和互操作性等優點，我們設計了一型Lon總線交通自動控制系統。
2.1Lon交通信號控制器電路設計
　　在技術實現上將集中控制系統中的主控制器，與非核心的、輔助性、專業化功能器件分離。簡言之，就是將系統的主控制器與執行器在結構上分離，各自都設計成總線模塊(硬件及軟件)，形成現場總線系統的主、從節點。原理框圖如圖2所示。交通信號控制器的主控板由擴展神經元(Neuron)芯片及Lon總線收發器構成系統的主節點。Neuron芯片選用了3150，總線介質選用雙絞線，總線收發器選用FT-10A。交通信號控制器上的MCU通過雙端口RAM-IDT71342與3150交換信息。3150在系統中只作為通信控制器用，充分發揮Neuron芯片高效可靠的通信控制能力之長，避其I/O實時性不佳的短處。主節點的I/O功能由MCU實現。
2.2Lon倒計時器節點電路設計
　　(1)系統規劃
　　根據倒計時器節點的功能，采用多MCU結構，功能執行(顯示、亮度控制以及檢測)由89C51完成。節點的通信任務由3150完成。3150通過總線收發器與主節點通信，將顯示及亮度等級命令下達給89C51，并將89C51的檢測結果上傳至主節點(交通信號控制器)。
　　(2)驅動方式和器件選擇
　　倒計時器的顯示筆段由多個LED發光管作為點陣有機連接(串、并及混聯)組成。為使倒計時器在白天有明顯的亮度，LED發光管選用超高亮度產品，日光最強時其驅動電流達20mA。LED燈的驅動方式有動態和靜態兩種，動態驅動硬件成本低，但在室外大電流驅動的條件下，LED管的工作壽命短。靜態驅動硬件成本高，但LED管的工作壽命相對較長。我們選用靜態恒壓驅動方式。亮度變化采用脈寬功率調制方法實現。倒計時器控制板電路原理框圖如圖3所示。

　　圖4是倒計時器檢測控制電路的簡化電路原理圖，89C51控制74HC595實現筆段的靜態顯示控制，三極管TIP41C作為段驅動器。紅、綠兩色顯示切換用89C51 I/O控制，用兩個大功率三極管TIP127(加散熱片)實現。
　　74HC595是具有8位移位寄存器、帶三態鎖存輸出的邏輯芯片。輸出口具有較強的驅動能力，QA～QH為±35mA，QH′為±25mA。89C51通過I/O控制74HC595實現筆段的靜態顯示，節省MCU的I/O端口。74HC595管腳配置和定義如圖所示：

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　　圖4模塊C，兩片595級聯，一片輸出倒計時器的個位信號，一片輸出倒計時器的十位信號和一位百位信號。
　　筆段驅動電路由模塊E和模塊F組成。模塊E的TIP41C作為段驅動(大功率管，可省去散熱片)，圖中，每段LED發光二極管陣列用一個LED發光管表示，其結構如模塊G所示。模塊F是倒計時器紅、綠顯示驅動電路，MCU通過兩位I/O控制。模塊F兩只小功率三極管8050的作用是將+5V和+15V兩個電源隔開；TIP127為紅、綠導通的切換開關，它為大功率管，在加散熱片的條件下，驅動電流可達5A以上。整個倒計時器由15個模塊E和兩個模塊F組成。
　　模塊E中的電阻和二極管IN4148與模塊B的VT端聯接，其作用是消除倒計時器筆段的‘暗亮’現象。倒計時器在工作時，不亮的筆段發出微弱亮度的現象稱為‘暗亮’。分析其原因，由于增加了倒計時器筆段的檢測電路，需要一定的檢測電流，相當于增加了段控電子開關的分布電容，其充放電效果，對LED發光二極管足以產生‘暗亮’的效果。模塊B為模塊E的檢測端提供約1.2V的電壓VT，通過保護電阻和二極管加至檢測端，在筆段滅時，起提供檢測電流和箝位的作用，有效消除了‘暗亮’現象。
　　筆段檢測電路由模塊A和模塊D組成。模塊A為比較電路。筆段亮、滅時分別輸出0V和5V電壓信號，信號輸出至89C51 I/O端口，對筆段的工作情況進行檢測。模塊D為15個模塊A提供比較電壓。運放用+15V供電，模塊A中的電阻和穩壓二極管起保護作用，穩壓管在圖中1kΩ的電阻開路時起作用，可選用通用的5.1V穩壓管，也可選用質量較好的穩壓器件，如ZRB5.0等。圖中的運放選用軌對軌四運放TLC2274，15段檢測加一路參考，正好用4個TLC2274。
　　倒計時器筆段的亮度調節采用定周期調節導通時間百分比的方法。周期為10ms，調節頻率為100Hz，視覺上不會閃爍。共分10個亮度等級，段導通時間百分比分別為：10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％和100％。
　　圖4中89C51為控制板上的主MCU，它通過串口、Neuron芯片3150與交通信號機交換信息(接收倒計時的工作命令，如倒計時數、亮度等級、顯示顏色等，上傳倒計時的工作狀態等)。3150的IO8和IO10為多功能I/O口，通過編程令其工作于異步串行通信方式，波特率4800。主MCU-89C51還承擔系統環境的溫度測量、系統工作信息的存儲和看門狗定時器的控制等工作，這里不再贅述。

　　本文從總線型交通倒計時器的基礎功能出發，設計并實現了基于Lonworks總線技術的交通倒計時器。與傳統的交通倒計時器相比，除具有作為總線節點獨立工作能力外，還增加了顯示筆段損壞的檢測和按實用要求調節亮度的功能，使交通倒計時器工作更加可靠、人性化、環保、節能。另外，總線型產品在施工費用、維護費用方面也優于傳統的交通信號控制系統。總線型交通倒計時器自開發成功至今一年多的時間內，連續試運行，工作良好，性能令人滿意。