交通信號(hào)控制機(jī)(以下簡(jiǎn)稱信號(hào)機(jī)" title="信號(hào)機(jī)">信號(hào)機(jī))是用來(lái)操縱路口信號(hào)燈使之按照一定規(guī)律變化的一種控制裝置，是對(duì)城市交叉路口車輛進(jìn)行指揮和疏導(dǎo)的控制系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)城市道路的暢通、城市交通的安全以及城市交通的管理都起著至關(guān)重要的作用。
　　但由于信號(hào)機(jī)安裝在城市路口，工作環(huán)境惡劣，因而在實(shí)際工作運(yùn)行中會(huì)受到各種各樣的外界干擾，很容易出現(xiàn)機(jī)器故障，如信號(hào)燈故障、雙向晶閘管" title="雙向晶閘管">雙向晶閘管故障、程序存儲(chǔ)器故障以及綠信號(hào)沖突故障等。如果這些外界干擾和機(jī)器故障沒(méi)有事先防范并得到診斷處理，信號(hào)機(jī)不但不能發(fā)揮其應(yīng)有的控制作用，反而會(huì)誘發(fā)交通事故，引起交通堵塞，造成嚴(yán)重的后果。因此采取一些有效的措施，增強(qiáng)信號(hào)機(jī)的自診斷功能、抗干擾能力和防護(hù)能力，保證其可靠、穩(wěn)定地運(yùn)行，是提高交通信號(hào)控制機(jī)實(shí)用性所必須解決的問(wèn)題。
　　經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，我國(guó)大部分信號(hào)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)在設(shè)計(jì)生產(chǎn)過(guò)程中，只注重信號(hào)機(jī)功能的實(shí)現(xiàn)，而對(duì)信號(hào)機(jī)的故障診斷技術(shù)、抗干擾技術(shù)" title="抗干擾技術(shù)">抗干擾技術(shù)以及其它防護(hù)技術(shù)考慮得較少，不能很好地滿足信號(hào)機(jī)實(shí)際工作環(huán)境的要求，而且國(guó)內(nèi)在如何提高信號(hào)機(jī)的穩(wěn)定性、可靠性以及抗干擾性等方面的研究^[1～2]甚少。因此，無(wú)論是從理論上還是從實(shí)際上來(lái)講，對(duì)信號(hào)機(jī)故障診斷與防護(hù)技術(shù)進(jìn)行深入細(xì)致的研究都很有必要。
1 故障診斷技術(shù)
1.1驅(qū)動(dòng)部分的故障檢測(cè)" title="故障檢測(cè)">故障檢測(cè)與診斷
　　由于信號(hào)機(jī)驅(qū)動(dòng)部分是功率放大電路，容易損壞，從而引起信號(hào)機(jī)執(zhí)行故障，因此需要設(shè)計(jì)與之匹配的檢測(cè)電路，將驅(qū)動(dòng)電路的工作狀態(tài)及時(shí)地反饋到信號(hào)控制器，實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)與故障處理的自診斷功能。信號(hào)機(jī)驅(qū)動(dòng)部分的主要故障分為信號(hào)燈開路、雙向晶閘管開路和雙向晶閘管短路三種。由于排除信號(hào)燈故障所需的工作量較大，因此進(jìn)行故障診斷時(shí)有必要將信號(hào)燈故障與雙向晶閘管故障區(qū)分開來(lái)。采用電流檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)信號(hào)燈回路電流，可以檢測(cè)到雙向晶閘管短路故障，但不能區(qū)分信號(hào)燈開路故障和雙向晶閘管開路故障；采用電壓檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)信號(hào)燈兩端電壓，不能檢測(cè)到信號(hào)燈開路故障；采用電壓檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)雙向晶閘管兩端電壓，可以檢測(cè)到雙向晶閘管開路故障，但不能區(qū)分信號(hào)燈開路故障和雙向晶閘管短路故障。因此要實(shí)現(xiàn)故障的有效精確診斷，必須結(jié)合使用電流檢測(cè)技術(shù)與電壓檢測(cè)技術(shù)。實(shí)際采用的檢測(cè)電路如圖1所示。

　　檢測(cè)電路的工作原理為：當(dāng)信號(hào)燈L與雙向晶閘管BCR都正常時(shí)，假若輸入信號(hào)A為高電平" title="高電平">高電平，BCR將關(guān)斷，此時(shí)將形成L→BR1→R9→BR1→C3→R14→BR2→R12→R13→OPTO2→BR2的回路，輸出信號(hào)B為高電平，輸出信號(hào)C為低電平；假若輸入信號(hào)A為低電平，BCR將導(dǎo)通，此時(shí)將形成L→BR1→R9(R11→OPTO1→R10)→BR1→BCR的回路，輸出信號(hào)B為低電平，輸出信號(hào)C為高電平。當(dāng)信號(hào)燈L損壞時(shí)，此時(shí)無(wú)法形成電流回路，輸出信號(hào)B與輸出信號(hào)C恒為高電平。當(dāng)信號(hào)燈L正常、雙向晶閘管BCR開路時(shí)，此時(shí)將形成L→BR1→R9→BR1→C3→R14→BR2→R12→R13→OPTO2→BR2的回路，輸出信號(hào)B恒為高電平，輸出信號(hào)C恒為低電平。當(dāng)信號(hào)燈L正常、雙向晶閘管BCR短路時(shí)，此時(shí)將形成L→BR1→R9(R11→OPTO1→R10)→BR1→BCR的回路，輸出信號(hào)B恒為低電平，輸出信號(hào)C恒為高電平。
1.2 程序存儲(chǔ)器(EPROM)的故障檢測(cè)
　　由于EPROM中存放著信號(hào)機(jī)的控制程序，為了確保信號(hào)機(jī)開機(jī)后能正確可靠地工作，對(duì)EPROM進(jìn)行開機(jī)自檢至關(guān)重要，這樣可以將一些信號(hào)機(jī)故障遏制在萌芽狀態(tài)。EPROM故障檢測(cè)常采用“校驗(yàn)和”的方法，具體做法為：將EPROM所有存儲(chǔ)單元進(jìn)行異或，判斷異或結(jié)果是否為#0FFH，從而確定是否存在EPROM故障。在進(jìn)行EPROM故障檢測(cè)之前，必須根據(jù)實(shí)際的程序機(jī)器碼和空余EPROM的存儲(chǔ)值，在控制程序末尾添加合適的“校驗(yàn)字”，使得對(duì)EPROM所有存儲(chǔ)單元進(jìn)行異或的結(jié)果為#0FFH。理論上，這種方法不能發(fā)現(xiàn)同一位上的偶數(shù)個(gè)錯(cuò)誤，但是這種錯(cuò)誤出現(xiàn)的概率很小，一般可以不考慮。
1.3 綠信號(hào)沖突的故障檢測(cè)與處理
　　由于工作環(huán)境惡劣、長(zhǎng)期連續(xù)使用，信號(hào)機(jī)有可能會(huì)發(fā)生綠信號(hào)沖突(以下簡(jiǎn)稱為綠沖突)的故障，而綠沖突一旦產(chǎn)生，將會(huì)給路口交通帶來(lái)嚴(yán)重的后果，因此信號(hào)機(jī)必須具備綠沖突保護(hù)措施，保證信號(hào)機(jī)在檢測(cè)到綠沖突信號(hào)后立即動(dòng)作，及時(shí)排除綠沖突故障。
　　根據(jù)產(chǎn)生的原因，綠沖突可分為暫時(shí)性綠沖突和永久性綠沖突兩類。對(duì)于暫時(shí)性綠沖突，通常要求信號(hào)機(jī)在故障排除后能自動(dòng)恢復(fù)到正常運(yùn)行模式，以確保信號(hào)機(jī)的工作效率；對(duì)于永久性綠沖突，則要求信號(hào)機(jī)保持在降級(jí)運(yùn)行模式，以減少故障對(duì)設(shè)備的損壞程度。通過(guò)在信號(hào)機(jī)輸出部分和信號(hào)燈驅(qū)動(dòng)部分分別增設(shè)信號(hào)檢測(cè)電路^[2]，利用綠燈控制向量、綠燈狀態(tài)向量和事先定義好的綠沖突保護(hù)邏輯，實(shí)現(xiàn)了綠沖突故障的分類檢測(cè)。針對(duì)綠沖突的故障類型，綠沖突的故障處理即綠沖突的保護(hù)可分為重復(fù)性綠沖突保護(hù)和熔絲型綠沖突保護(hù)兩種。在信號(hào)機(jī)綠燈信號(hào)輸出和綠燈驅(qū)動(dòng)部分之間插入綠沖突保護(hù)，通過(guò)阻塞綠信號(hào)燈驅(qū)動(dòng)器的控制信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)重復(fù)性綠沖突保護(hù)；在信號(hào)機(jī)綠燈電源控制端插入綠沖突保護(hù)，通過(guò)切斷綠信號(hào)燈驅(qū)動(dòng)器的電源可以實(shí)現(xiàn)熔絲型綠沖突保護(hù)。
2 防護(hù)技術(shù)
　　當(dāng)信號(hào)機(jī)受到外界干擾時(shí)可能出現(xiàn)死機(jī)、程序亂飛、破壞系統(tǒng)參數(shù)甚至損壞機(jī)器的現(xiàn)象，如果信號(hào)機(jī)未采取行之有效的防護(hù)措施，將嚴(yán)重威脅到交叉路口的交通安全。
2.1 硬件抗干擾技術(shù)
　　采用硬件抗干擾技術(shù)^[3]是主動(dòng)抑制和切斷噪聲干擾的有效措施，主要采用的方法有：
　　(1)接入電源濾波器
　　由于信號(hào)機(jī)的供電電源源于安裝場(chǎng)所的用電網(wǎng)，這里通常存在著電壓波動(dòng)、高次諧波和脈沖干擾，因此必須在信號(hào)機(jī)電源輸入端接入電源濾波器，以凈化電源。電源濾波器濾波電容的大小與可能存在的干擾信號(hào)頻率有關(guān)，電源濾波器的電流值由信號(hào)機(jī)的驅(qū)動(dòng)負(fù)載功率決定。
　　(2)合理設(shè)計(jì)印刷電路板
　　在信號(hào)機(jī)的印刷電路板設(shè)計(jì)過(guò)程中，除遵循印刷電路板設(shè)計(jì)的基本原則外，還有一些需要特別注意的地方。由于信號(hào)機(jī)采用多時(shí)段控制方式時(shí)，信號(hào)機(jī)選用的實(shí)時(shí)配時(shí)方案取決于系統(tǒng)時(shí)間，因此系統(tǒng)時(shí)鐘的準(zhǔn)確性對(duì)配時(shí)方案的合理性起著至關(guān)重要的作用。實(shí)際上，系統(tǒng)時(shí)鐘的準(zhǔn)確性不但與晶振的選取和時(shí)鐘脈沖振蕩電路息息相關(guān)，而且實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片外接晶振在PCB板上的布置^[4]也起著十分關(guān)鍵的作用。由于實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片的振蕩器輸入端容易引入高頻干擾，因此在PCB板上布置晶振時(shí)需要注意以下幾點(diǎn)：晶振盡量靠近實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片的振蕩器輸入端；減小晶振的焊盤大??；用環(huán)繞地線實(shí)現(xiàn)晶振與鄰近干擾信號(hào)的隔離；實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片遠(yuǎn)離任何產(chǎn)生電磁輻射的器件。此外還應(yīng)盡量減小引線的長(zhǎng)度，增加引線之間的距離，以減小寄生電容所帶來(lái)的影響。
　　(3)去耦電容器配置
　　對(duì)于抗干擾能力弱、關(guān)斷時(shí)電流變化大的器件和ROM、RAM等存儲(chǔ)器件，應(yīng)在芯片的電源線和地線之間直接接入去耦電容；為減小大功率顯示驅(qū)動(dòng)芯片對(duì)電源波動(dòng)的影響，應(yīng)在盡量靠近大功率顯示驅(qū)動(dòng)芯片的電源端與公共地之間并聯(lián)10μF的電解電容和0.1μF的陶瓷電容；為減小電磁感應(yīng)干擾，大功率顯示驅(qū)動(dòng)芯片與數(shù)碼顯示器之間的信號(hào)線距離應(yīng)盡量短。
　　(4)光電隔離
　　由于光電耦合器的輸入輸出信號(hào)借助于光信號(hào)傳遞，切斷了輸入電路與輸出電路之間電的聯(lián)系，因此光電耦合器具有較高的電氣隔離和干擾抑制能力，能實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)與輸出信號(hào)的有效隔離。在信號(hào)機(jī)所有強(qiáng)電信號(hào)與弱電信號(hào)之間都采用光電隔離技術(shù)，可以達(dá)到有效抑制共模干擾和保護(hù)單片機(jī)系統(tǒng)的目的。
2.2 軟件抗干擾技術(shù)
　　竄入系統(tǒng)的干擾的頻譜往往很寬，采用硬件抗干擾技術(shù)通常只能抑制某個(gè)頻段的干擾信號(hào)，因此除采用硬件抗干擾技術(shù)外，還需要進(jìn)一步借助軟件抗干擾技術(shù)^[3]來(lái)提高系統(tǒng)的可靠性。信號(hào)機(jī)采用的軟件抗干擾技術(shù)主要有：
　　(1)軟件冗余技術(shù)
　　軟件冗余技術(shù)是一種通過(guò)消耗一定系統(tǒng)資源達(dá)到一定糾錯(cuò)目的的軟件抗干擾技術(shù)。其中，“重復(fù)輸出法”和“延時(shí)避開法”在提高信號(hào)機(jī)的抗干擾能力方面起到了至關(guān)重要的作用。利用“重復(fù)輸出法”對(duì)信號(hào)機(jī)控制信號(hào)輸出鎖存器和顯示接口芯片進(jìn)行實(shí)時(shí)刷新，能夠非常有效地抑制外部干擾。在允許的情況下，信號(hào)機(jī)控制信號(hào)輸出鎖存器的輸出重復(fù)周期應(yīng)盡可能地短，使得輸出端口受到某種干擾而輸出錯(cuò)誤控制信號(hào)時(shí)，外部執(zhí)行設(shè)備還來(lái)不及作出有效反應(yīng)，正確的控制信號(hào)就又輸出到了輸出端口，從而及時(shí)地避免錯(cuò)誤動(dòng)作的發(fā)生，極大地提高了信號(hào)機(jī)的抗干擾能力和安全可靠性。由于信號(hào)機(jī)顯示可編程接口芯片容易受到外部干擾而產(chǎn)生錯(cuò)誤的顯示信息，影響信息的正常交換，因此可以將其工作方式控制字與輸出狀態(tài)字每次一并設(shè)置，從而有效抑制了外部干擾對(duì)顯示接口芯片的影響，確保了顯示信息的準(zhǔn)確可靠。
　　利用“延時(shí)避開法”可在信號(hào)機(jī)即將接通或斷開大功率負(fù)載(信號(hào)燈)時(shí)，使CPU進(jìn)入睡眠狀態(tài)暫停工作，待干擾過(guò)去以后再恢復(fù)工作，這樣即有效地避開了信號(hào)燈通斷電時(shí)所產(chǎn)生的強(qiáng)干擾。使用延時(shí)避開時(shí)間冗余技術(shù)的程序流程圖如圖2所示。

　　(2)軟件陷阱技術(shù)
　　軟件陷阱技術(shù)就是通過(guò)跳轉(zhuǎn)指令強(qiáng)行將捕獲到的亂飛程序引向復(fù)位入口地址0000H，使程序納入正軌。在各控制程序模塊之間和未使用的EPROM空間設(shè)置軟件陷阱可以有效地抑制程序亂飛，使程序運(yùn)行更加可靠。在中斷服務(wù)程序區(qū)通過(guò)判定中斷斷點(diǎn)地址是否在程序存儲(chǔ)區(qū)間，利用軟件陷阱可以將亂飛入非EPROM空間的程序返回到復(fù)位入口地址0000H。在未使用的中斷區(qū)使用軟件陷阱可以及時(shí)捕捉到因干擾而開放的錯(cuò)誤中斷，迅速將程序返回到復(fù)位入口，通過(guò)初始化設(shè)置關(guān)閉因干擾而開放的錯(cuò)誤中斷。在寫外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器之前加入條件陷阱，可以屏蔽非法寫操作，防止CPU因干擾而非法修改外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的內(nèi)容。
　　(3)看門狗技術(shù)
　　看門狗技術(shù)是一種通過(guò)不斷監(jiān)視程序循環(huán)運(yùn)行時(shí)間使程序脫離死循環(huán)困境的軟件抗干擾技術(shù)。其中，硬件看門狗技術(shù)可以通過(guò)選用具有看門狗電路的集成芯片實(shí)現(xiàn)，能有效監(jiān)視程序陷入死循環(huán)故障，但它對(duì)中斷關(guān)閉故障無(wú)能為力；軟件看門狗技術(shù)可以通過(guò)監(jiān)視程序運(yùn)行狀態(tài)觀測(cè)單元編程實(shí)現(xiàn)，對(duì)高級(jí)中斷服務(wù)程序陷入死循環(huán)故障無(wú)能為力，但能監(jiān)視全部中斷關(guān)閉故障。信號(hào)機(jī)將硬件看門狗技術(shù)和軟件看門狗技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，獲得了良好的抗干擾效果。
2.3 防雷技術(shù)
　　通常雷擊有三種形式，直擊雷、感應(yīng)雷和球形雷，其中感應(yīng)雷是造成路口信號(hào)機(jī)損壞最主要的因素。感應(yīng)雷又分為靜電感應(yīng)雷和電磁感應(yīng)雷兩種，其中對(duì)靜電感應(yīng)雷的防范是路口信號(hào)機(jī)需要特別重視的。由于感應(yīng)雷是造成路口信號(hào)機(jī)損壞最主要的因素，而感應(yīng)雷又是通過(guò)供電線路破壞電器設(shè)備的，因此對(duì)路口信號(hào)機(jī)既需要合理地加裝電源避雷器，又需要在每一條通信線路和信號(hào)燈驅(qū)動(dòng)/檢測(cè)線路內(nèi)加裝適當(dāng)?shù)谋芾籽b置?？傊?，對(duì)每一條可能將浪涌電壓引入信號(hào)機(jī)的輸入輸出線路都應(yīng)當(dāng)采取必要的保護(hù)措施。
　　本文針對(duì)交通信號(hào)控制機(jī)的實(shí)際工作環(huán)境和自身運(yùn)行特點(diǎn)，將一些有效的診斷與防護(hù)技術(shù)靈活運(yùn)用到了信號(hào)控制機(jī)中。運(yùn)行測(cè)試結(jié)果表明，這些診斷與防護(hù)技術(shù)增強(qiáng)了系統(tǒng)的可維護(hù)性，大大提高了信號(hào)控制機(jī)的可靠性和穩(wěn)定性，具有很好的實(shí)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。
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