交通信號控制機(以下簡稱信號機" title="信號機">信號機)是用來操縱路口信號燈使之按照一定規律變化的一種控制裝置，是對城市交叉路口車輛進行指揮和疏導的控制系統的重要組成部分，對城市道路的暢通、城市交通的安全以及城市交通的管理都起著至關重要的作用。
　　但由于信號機安裝在城市路口，工作環境惡劣，因而在實際工作運行中會受到各種各樣的外界干擾，很容易出現機器故障，如信號燈故障、雙向晶閘管" title="雙向晶閘管">雙向晶閘管故障、程序存儲器故障以及綠信號沖突故障等。如果這些外界干擾和機器故障沒有事先防范并得到診斷處理，信號機不但不能發揮其應有的控制作用，反而會誘發交通事故，引起交通堵塞，造成嚴重的后果。因此采取一些有效的措施，增強信號機的自診斷功能、抗干擾能力和防護能力，保證其可靠、穩定地運行，是提高交通信號控制機實用性所必須解決的問題。
　　經調查發現，我國大部分信號機生產企業在設計生產過程中，只注重信號機功能的實現，而對信號機的故障診斷技術、抗干擾技術" title="抗干擾技術">抗干擾技術以及其它防護技術考慮得較少，不能很好地滿足信號機實際工作環境的要求，而且國內在如何提高信號機的穩定性、可靠性以及抗干擾性等方面的研究^[1～2]甚少。因此，無論是從理論上還是從實際上來講，對信號機故障診斷與防護技術進行深入細致的研究都很有必要。
1 故障診斷技術
1.1驅動部分的故障檢測" title="故障檢測">故障檢測與診斷
　　由于信號機驅動部分是功率放大電路，容易損壞，從而引起信號機執行故障，因此需要設計與之匹配的檢測電路，將驅動電路的工作狀態及時地反饋到信號控制器，實現故障檢測與故障處理的自診斷功能。信號機驅動部分的主要故障分為信號燈開路、雙向晶閘管開路和雙向晶閘管短路三種。由于排除信號燈故障所需的工作量較大，因此進行故障診斷時有必要將信號燈故障與雙向晶閘管故障區分開來。采用電流檢測技術檢測信號燈回路電流，可以檢測到雙向晶閘管短路故障，但不能區分信號燈開路故障和雙向晶閘管開路故障；采用電壓檢測技術檢測信號燈兩端電壓，不能檢測到信號燈開路故障；采用電壓檢測技術檢測雙向晶閘管兩端電壓，可以檢測到雙向晶閘管開路故障，但不能區分信號燈開路故障和雙向晶閘管短路故障。因此要實現故障的有效精確診斷，必須結合使用電流檢測技術與電壓檢測技術。實際采用的檢測電路如圖1所示。

　　檢測電路的工作原理為：當信號燈L與雙向晶閘管BCR都正常時，假若輸入信號A為高電平" title="高電平">高電平，BCR將關斷，此時將形成L→BR1→R9→BR1→C3→R14→BR2→R12→R13→OPTO2→BR2的回路，輸出信號B為高電平，輸出信號C為低電平；假若輸入信號A為低電平，BCR將導通，此時將形成L→BR1→R9(R11→OPTO1→R10)→BR1→BCR的回路，輸出信號B為低電平，輸出信號C為高電平。當信號燈L損壞時，此時無法形成電流回路，輸出信號B與輸出信號C恒為高電平。當信號燈L正常、雙向晶閘管BCR開路時，此時將形成L→BR1→R9→BR1→C3→R14→BR2→R12→R13→OPTO2→BR2的回路，輸出信號B恒為高電平，輸出信號C恒為低電平。當信號燈L正常、雙向晶閘管BCR短路時，此時將形成L→BR1→R9(R11→OPTO1→R10)→BR1→BCR的回路，輸出信號B恒為低電平，輸出信號C恒為高電平。
1.2 程序存儲器(EPROM)的故障檢測
　　由于EPROM中存放著信號機的控制程序，為了確保信號機開機后能正確可靠地工作，對EPROM進行開機自檢至關重要，這樣可以將一些信號機故障遏制在萌芽狀態。EPROM故障檢測常采用“校驗和”的方法，具體做法為：將EPROM所有存儲單元進行異或，判斷異或結果是否為#0FFH，從而確定是否存在EPROM故障。在進行EPROM故障檢測之前，必須根據實際的程序機器碼和空余EPROM的存儲值，在控制程序末尾添加合適的“校驗字”，使得對EPROM所有存儲單元進行異或的結果為#0FFH。理論上，這種方法不能發現同一位上的偶數個錯誤，但是這種錯誤出現的概率很小，一般可以不考慮。
1.3 綠信號沖突的故障檢測與處理
　　由于工作環境惡劣、長期連續使用，信號機有可能會發生綠信號沖突(以下簡稱為綠沖突)的故障，而綠沖突一旦產生，將會給路口交通帶來嚴重的后果，因此信號機必須具備綠沖突保護措施，保證信號機在檢測到綠沖突信號后立即動作，及時排除綠沖突故障。
　　根據產生的原因，綠沖突可分為暫時性綠沖突和永久性綠沖突兩類。對于暫時性綠沖突，通常要求信號機在故障排除后能自動恢復到正常運行模式，以確保信號機的工作效率；對于永久性綠沖突，則要求信號機保持在降級運行模式，以減少故障對設備的損壞程度。通過在信號機輸出部分和信號燈驅動部分分別增設信號檢測電路^[2]，利用綠燈控制向量、綠燈狀態向量和事先定義好的綠沖突保護邏輯，實現了綠沖突故障的分類檢測。針對綠沖突的故障類型，綠沖突的故障處理即綠沖突的保護可分為重復性綠沖突保護和熔絲型綠沖突保護兩種。在信號機綠燈信號輸出和綠燈驅動部分之間插入綠沖突保護，通過阻塞綠信號燈驅動器的控制信號可以實現重復性綠沖突保護；在信號機綠燈電源控制端插入綠沖突保護，通過切斷綠信號燈驅動器的電源可以實現熔絲型綠沖突保護。
2 防護技術
　　當信號機受到外界干擾時可能出現死機、程序亂飛、破壞系統參數甚至損壞機器的現象，如果信號機未采取行之有效的防護措施，將嚴重威脅到交叉路口的交通安全。
2.1 硬件抗干擾技術
　　采用硬件抗干擾技術^[3]是主動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
　　由于信號機的供電電源源于安裝場所的用電網，這里通常存在著電壓波動、高次諧波和脈沖干擾，因此必須在信號機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頻率有關，電源濾波器的電流值由信號機的驅動負載功率決定。
　　(2)合理設計印刷電路板
　　在信號機的印刷電路板設計過程中，除遵循印刷電路板設計的基本原則外，還有一些需要特別注意的地方。由于信號機采用多時段控制方式時，信號機選用的實時配時方案取決于系統時間，因此系統時鐘的準確性對配時方案的合理性起著至關重要的作用。實際上，系統時鐘的準確性不但與晶振的選取和時鐘脈沖振蕩電路息息相關，而且實時時鐘芯片外接晶振在PCB板上的布置^[4]也起著十分關鍵的作用。由于實時時鐘芯片的振蕩器輸入端容易引入高頻干擾，因此在PCB板上布置晶振時需要注意以下幾點：晶振盡量靠近實時時鐘芯片的振蕩器輸入端；減小晶振的焊盤大小；用環繞地線實現晶振與鄰近干擾信號的隔離；實時時鐘芯片遠離任何產生電磁輻射的器件。此外還應盡量減小引線的長度，增加引線之間的距離，以減小寄生電容所帶來的影響。
　　(3)去耦電容器配置
　　對于抗干擾能力弱、關斷時電流變化大的器件和ROM、RAM等存儲器件，應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動芯片對電源波動的影響，應在盡量靠近大功率顯示驅動芯片的電源端與公共地之間并聯10μF的電解電容和0.1μF的陶瓷電容；為減小電磁感應干擾，大功率顯示驅動芯片與數碼顯示器之間的信號線距離應盡量短。
　　(4)光電隔離
　　由于光電耦合器的輸入輸出信號借助于光信號傳遞，切斷了輸入電路與輸出電路之間電的聯系，因此光電耦合器具有較高的電氣隔離和干擾抑制能力，能實現輸入信號與輸出信號的有效隔離。在信號機所有強電信號與弱電信號之間都采用光電隔離技術，可以達到有效抑制共模干擾和保護單片機系統的目的。
2.2 軟件抗干擾技術
　　竄入系統的干擾的頻譜往往很寬，采用硬件抗干擾技術通常只能抑制某個頻段的干擾信號，因此除采用硬件抗干擾技術外，還需要進一步借助軟件抗干擾技術^[3]來提高系統的可靠性。信號機采用的軟件抗干擾技術主要有：
　　(1)軟件冗余技術
　　軟件冗余技術是一種通過消耗一定系統資源達到一定糾錯目的的軟件抗干擾技術。其中，“重復輸出法”和“延時避開法”在提高信號機的抗干擾能力方面起到了至關重要的作用。利用“重復輸出法”對信號機控制信號輸出鎖存器和顯示接口芯片進行實時刷新，能夠非常有效地抑制外部干擾。在允許的情況下，信號機控制信號輸出鎖存器的輸出重復周期應盡可能地短，使得輸出端口受到某種干擾而輸出錯誤控制信號時，外部執行設備還來不及作出有效反應，正確的控制信號就又輸出到了輸出端口，從而及時地避免錯誤動作的發生，極大地提高了信號機的抗干擾能力和安全可靠性。由于信號機顯示可編程接口芯片容易受到外部干擾而產生錯誤的顯示信息，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字每次一并設置，從而有效抑制了外部干擾對顯示接口芯片的影響，確保了顯示信息的準確可靠。
　　利用“延時避開法”可在信號機即將接通或斷開大功率負載(信號燈)時，使CPU進入睡眠狀態暫停工作，待干擾過去以后再恢復工作，這樣即有效地避開了信號燈通斷電時所產生的強干擾。使用延時避開時間冗余技術的程序流程圖如圖2所示。

　　(2)軟件陷阱技術
　　軟件陷阱技術就是通過跳轉指令強行將捕獲到的亂飛程序引向復位入口地址0000H，使程序納入正軌。在各控制程序模塊之間和未使用的EPROM空間設置軟件陷阱可以有效地抑制程序亂飛，使程序運行更加可靠。在中斷服務程序區通過判定中斷斷點地址是否在程序存儲區間，利用軟件陷阱可以將亂飛入非EPROM空間的程序返回到復位入口地址0000H。在未使用的中斷區使用軟件陷阱可以及時捕捉到因干擾而開放的錯誤中斷，迅速將程序返回到復位入口，通過初始化設置關閉因干擾而開放的錯誤中斷。在寫外部數據存儲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據存儲器中的內容。
　　(3)看門狗技術
　　看門狗技術是一種通過不斷監視程序循環運行時間使程序脫離死循環困境的軟件抗干擾技術。其中，硬件看門狗技術可以通過選用具有看門狗電路的集成芯片實現，能有效監視程序陷入死循環故障，但它對中斷關閉故障無能為力；軟件看門狗技術可以通過監視程序運行狀態觀測單元編程實現，對高級中斷服務程序陷入死循環故障無能為力，但能監視全部中斷關閉故障。信號機將硬件看門狗技術和軟件看門狗技術有機結合起來，獲得了良好的抗干擾效果。
2.3 防雷技術
　　通常雷擊有三種形式，直擊雷、感應雷和球形雷，其中感應雷是造成路口信號機損壞最主要的因素。感應雷又分為靜電感應雷和電磁感應雷兩種，其中對靜電感應雷的防范是路口信號機需要特別重視的。由于感應雷是造成路口信號機損壞最主要的因素，而感應雷又是通過供電線路破壞電器設備的，因此對路口信號機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燈驅動/檢測線路內加裝適當的避雷裝置?？傊?，對每一條可能將浪涌電壓引入信號機的輸入輸出線路都應當采取必要的保護措施。
　　本文針對交通信號控制機的實際工作環境和自身運行特點，將一些有效的診斷與防護技術靈活運用到了信號控制機中。運行測試結果表明，這些診斷與防護技術增強了系統的可維護性，大大提高了信號控制機的可靠性和穩定性，具有很好的實用價值和廣闊的應用前景。
參考文獻
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