交通信号机多路信号转接器设计

　交通信号机是交通控制的实验设备，对全面掌握交通控制的基础理论，培养操作能力具有重要意义。在现有的实验室信号机共有四台，分别独立工作，而倒计时牌只能显示某一台信号机的倒计时时间。如果要显示其他信号机的倒计时信息，必须将其控制线路拆开再与需要显示的信号机连接，使用很不方便，而且较易因连接不可靠等问题而发生错误。
　　本文设计的交通信号机倒计时信号转接器，可以通过按键方便地切换与倒计时牌相连的信号机，从而实现多台信号机分时共享同一个倒计时牌的目的。该信号转接器的使用简化了试验过程，提高了试验效率，实现了对实验室现有设备的升级改造，具有一定的实用价值。
　　1交通信号机转接器的工作原理
　　1.1交通信号机实验系统简介
　　交通信号机是进行交通信号控制实验的仪器|仪表，每一台信号机都能完成一个交叉口的信号控制实验。在智能交通信号控制中，除了单个交叉口交通信号的点控方式外，还有可以将干线上一批相邻的交叉口联合协调控制以此来明显地减少延误的线控方式，以及把城区内的全部交通信号的监控作为指挥控制中心管理下的一套整体的面控方式，而其中又可以分解为线控和点控方式。因此在进行交通控制的实验时，将四个信号机组合在一起形成一个简单的面控模式，从而达到对交通信号控制模拟的目的，如图1所示。然而，作为交通信号控制模拟结果的表现形式之一的倒计时信号灯只有一组，在某一时刻只能显示一台信号机中的倒计时，而且只能将倒计时灯的信号连线重新连接才能显示另一台信号机的倒计时时间，给实验造成很大麻烦。如果设计一种转接器装置使其能按照需要控制倒计时灯显示，则可以解决这个问题。

　　1.2 信号传输原理
　　根据交通信号机的使用说明，倒计时信号的传输遵循RS-485串口协议。该串行通信协议定义了串行通信协议中传输的信息内容及使用格式。其中包括：主机轮询（或广播）格式、主机的编码方法，内容包括：要求动作的功能代码、传输数据和错误检验等；从机的响应也是采用相同的格式和方法，内容包括：动作确认、返回数据和错误检验等。当从机在接收信息时发生错误，或不能完成主机要求动作时，将组织一个故障信息作为响应反馈给主机。
　　RS-485采用两根信号线，这两根信号线都传递几乎相同大小的反向电流，因为大多数的噪声电压在两条导线上或多或少同时出现，这就减少了接收到的噪声。
　　1.3 信号转接器的工作原理
　　在信号传输过程中，RS-485采用平衡传输模式，能够在较低误码率下进行远距离传输且性能可靠。要形成一个有效的输出，两条传输线A、B之间的压差大于1.5V即可。而在RS-485的接收器端，两传输线A、B的输入差异只需要0.2V，即如果A至少比B高0.2V，则接收器即认为它是逻辑“1”；如果B至少比A高出0.2V，则接收器即认为它为逻辑“0”；如果A、B之间的压差小于0.2V，则这个逻辑电平属于没有定义，接收器收到这个电压将要发出一个错误代码。
　　由于交通信号机倒计时信号的传输符合RS-485协议，每个信号机用两根信号线来传输倒计时信息，所以转换器要将多台信号机的倒计时传输线按照要求有选择地和倒计时牌的传输线进行连接，以此来显示指定信号机的倒计时信息。
　　在现有的实验室中，共有四台信号机，按照设计功能要求，信号转接器通过按键的处理来选择信号机，将相应信号机输出的倒计时信号和倒计时灯的接收线连接起来。交通信号机倒计时信号转换器原理图如图2所示。

　　2 转接器的设计
　　在转接器的设计中，利用多路选择器芯片来实现转接，这就要考虑所传输信号的特征。交通信号机的倒计时信号要遵循RS-485协议、接收器的输入电阻RIN≥12kΩ、驱动器能输出±7V的共模电压，同时输入端的电容≤50pF，选取多路选择模拟开关MAX309。为了操作方便，选用四个按钮控制转接器，同时需要有对按键去抖动的处理电路以及连接开关按钮与多路选择器开关的逻辑电路。因此，设计的转接器主要由多路选择器开关、按键处理电路、逻辑电路以及电源|稳压器模块几个部分组成。
　　2.1核心器件MAX309
　　MAX309是MAXIM公司的一种精密、双四通道的高性能CMOS模拟多路开关，通过两位逻辑选择双四通道的开关，±15V双电源供电，可以满足RS-485输出±7V共模电压的电平要求;它的接通电阻为100Ω，漏电流1nA，导通速率0.225μs，并采用ESD保护，因此它是一种低功耗四路RS-422/RS-485接收器。MAX309逻辑示意图如图3所示。

　　2.2 信号机转接器电路设计
　　模拟多路开关是利用两位逻辑来控制的，而四个信号机需要四个按键来控制，这样连接四个按键和两位逻辑之间需要进行转换。信号机转接器的电路如图4所示，由按键、逻辑电路和MAX309组成。

　　(1)按键处理电路
　　由于电路中没有控制芯片，因此按键只能采用硬件去抖动方法处理。按键处理电路如图5所示。

　　(2)逻辑转换和提示灯设计
　　将控制四个信号机的按键信号通过逻辑电路变换，用以控制多路选择模拟开关MAX309，利用一个74LS148来实现4-2编码的功能，同时将空置的管脚接地。
　　为了能够明确地指示倒计时灯显示的是哪一个信号机，在设计时增加了提示灯，即当按键按下时，对应的表征信号机的灯点亮，起到提示作用。由于按键是按钮式的，而要使二极管点亮需要持续的高电平，因此利用锁存器74LS377来实现。74LS377的使能信号是利用逻辑器件74121产生的，当有按键按下时，就会输出一个脉冲作为74LS377的使能信号。按键编码逻辑电路如图6所示。

　　(3)转换器的电路实现
　　如图4所示，四个信号机中每个信号机都有两根传输倒计时信息的数据线，分别为M1A、M1B，M2A、M2B，M3A、M3B，M4A、M4B。每一组分别接在双四选择器MAX309的两端。倒计时牌也有两根数据线MA、MB，同样与双四选择器MAX309两端相接。
　　本电路设置了四个按键用来对应四台信号机，如按钮1代表信号机1的按键开关，以此类推。四个按键的输出与双四输入与非门的四个接口相连，输出一个脉冲信号KeyALL接到单稳态触发器，通过单稳态触发器对脉冲信号的作用后，输出的信号PULSE接到D触发器，作为一个时钟信号，同时，四个按键的四根信号线也接到D触发器的输入端。从D触发器输出的四个信号再接到编码器的四个输入端，输出二进制编码。
　　本文介绍了交通信号机转接器的设计，该转换器具有对倒计时灯实现自动转接的功能，而且结构简单可靠、性能稳定、便于操作、费用低，完全可以满足设计要求，已经在实验室中应用，效果良好。同时，它具有一定的可扩展性，便于进一步的功能开发，可应用于多种串口数据传输设备的信号切换，具有一定的应用前景。