本發(fā)明屬于智能交通控制與管理相結(jié)合的技術(shù)領(lǐng)域,涉及一種可編程的多種信號燈控制配時方案的實驗教學(xué)裝置,用于交通工程專業(yè)相關(guān)課程的教學(xué),為學(xué)生展示信號機的工作原理,在此基礎(chǔ)上,學(xué)生可通過程序的編寫,模擬多種需求下的信號燈配時控制方案。
背景技術(shù):
隨著城市交通事業(yè)的發(fā)展,很多企業(yè)和高校都投入到了交通信號控制設(shè)備的研發(fā)和實驗當(dāng)中,但是之前的實驗裝置只是信號機外載的一種簡單的展示工具,用戶既不能現(xiàn)場對實驗箱進行編程控制,更換配時方案,而且存在著體積巨大、模擬情況單一、硬件復(fù)雜、可擴展性低、系統(tǒng)集成度低等問題,這既給交通信號實驗箱的組裝、系統(tǒng)升級帶來麻煩,增加了成本,也不能直觀的對學(xué)生展示信號機的工作原理,更不能針對不同的需求,更換配時方案,因此教學(xué)效果不是很理想。由此可見,針對課堂教學(xué)實驗需求,設(shè)計實驗教學(xué)專用的交通信號控制實驗設(shè)備是有必要的。
而現(xiàn)有技術(shù)中,涉及實驗箱用做信號機的有本申請人早期申請的專利CN201410354935.X,但其只有簡單的信號燈燈組和路口渠化標(biāo)志,線圈檢測器在外部,只有外接信號機和饋線、線圈檢測器,才會模擬車輛通過的信號,需要通過外接信號機或安裝模擬軟件,來展示封裝好的信號機的控制方案,此實驗箱只是一種便攜式的信號機工作的展示裝置。
為解決現(xiàn)有實驗箱只能用做信號機的展示裝置、教學(xué)效果差、價格昂貴、使用者不能隨意改變控制方案的問題,本發(fā)明的目的是提供一種在課堂上能夠為學(xué)生演示信號機的工作原理,以及根據(jù)需求更換配時方案的可編程、便攜式交通信號控制實驗教學(xué)設(shè)備,該裝置采用FPGA控制模塊,搭載了ARM操作系統(tǒng),能夠脫離CPU并行執(zhí)行,簡化了復(fù)雜的底層控制操作,比傳統(tǒng)的工控機和外圍接口芯片集成度更高,硬件成本降低,且可帶動更多的輸出端接口,本裝置最多可以使4路口的32組燈組和檢測器組合輸出,系統(tǒng)的擴展性更加靈活;信號機通過以太網(wǎng)接口和PC機相連,可以自由的在Linux環(huán)境下進行程序的上傳、編譯、執(zhí)行,方便使用者開發(fā)、在線修改控制程序;實驗箱還可以和數(shù)據(jù)庫聯(lián)接,方便數(shù)據(jù)的調(diào)取和存儲,更換不同的配時方案,實驗裝置的下面板可提供脈沖信號的輸入,搭載線圈檢測器燈板,可根據(jù)當(dāng)前車流量大小,系統(tǒng)自適應(yīng)控制。這些軟硬件特點能夠使本發(fā)明裝置可以提供單、多路口的不同配時方案模擬,本發(fā)明裝置集展示、控制于一體。既能滿足高校的學(xué)生教學(xué)工作,又能提供給相關(guān)企業(yè)部門多種路口的信號配時控制模擬演示,具有一定的經(jīng)濟價值。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
為了實現(xiàn)上述目的,本發(fā)明具體采用以下技術(shù)方案:交通信號控制演示箱,包括:箱體,用于放置燈板、連接線、電源、以太網(wǎng)線等,所述箱體還包括固定在箱體內(nèi)的下面板,下面板包括有連接信號燈和檢測器的接口;燈板組件,包括用于模擬交叉口路口信號控制的多種燈板,所述燈板為可拆卸的獨立燈板,多種所述燈板可串聯(lián)工作;燈板連接組件,用于固定燈板和所述箱體;顯示模塊,其包括倒計時燈組、指示燈組;以太網(wǎng)接口,用于外接電腦或路由器;所述下面板、顯示模塊均設(shè)置在箱體內(nèi)部;所述燈板正面設(shè)置有路口的渠化箭頭、檢測器和信號燈,信號燈包括直行燈、左轉(zhuǎn)燈、行人燈,用于模擬路口的信號控制狀態(tài);所述燈板還設(shè)置有信號燈、行人燈、檢測器接線口;各燈板背面通過磁鐵固定在箱體內(nèi);下面板的檢測器接線口用于與燈板檢測器接口相連,當(dāng)運行程序時,按下相應(yīng)序號的檢測器控制按鍵,指示燈組亮;箱體與數(shù)據(jù)庫軟件相連,用于調(diào)用儲存各時段交通流數(shù)據(jù)、配時字段以及多種信號燈的配時方案;所述箱體與燈板內(nèi)嵌FGPA模塊并搭載高速CPU,支持多組燈組和檢測器的組合輸出。
優(yōu)選地,還包括活動燈板,其可與下面板連接,用于模擬路口信號控制狀態(tài)。
優(yōu)選地,還包括RS-232接口,用于系統(tǒng)的更新;復(fù)位鍵,用于信號機重啟;USB接口,用于文件傳輸、程序上傳。
優(yōu)選地,還包括燈板存放袋、線纜儲物盒、工具儲物盒。
優(yōu)選地,還包括單路口信號燈采用如下配時方案:第一個階段,先開始全紅階段,2秒鐘過后,設(shè)定的一個相位開始綠燈亮,并綠燈倒計時,其余相位紅燈,紅燈倒計時,當(dāng)綠燈變黃燈,其余相位更新紅燈時間,再有黃燈變紅,進入第二個階段,循環(huán)。
優(yōu)選地,還包括箱體與數(shù)據(jù)庫軟件相連后,進行如下感應(yīng)控制:首先判斷某一階段的運行時間是否到達該階段的最小綠燈時間,如未到達繼續(xù)則繼續(xù)運行,如到達,則判斷是否有車輛通行需求,如有需求,則給定擴展步長時間,繼續(xù)運行該階段同時判斷延長時間是否完成,如未完成繼續(xù)運行,若完成則判斷是否到達最大綠燈時間,如達到最大綠燈時間,則進入下一階段。
所述信號機系統(tǒng)采用ARM開發(fā),能夠簡化外部軟件接口,編譯環(huán)境是在ARM上建立的一個嵌入式Linux系統(tǒng),通過底層的驅(qū)動控制FPGA端的接口,用外部串并方式傳化芯片再轉(zhuǎn)接到信號燈、檢測器及數(shù)碼管接口,用戶可以進行程序的編寫來滿足不同的配時需求,不僅只是一種信號機的展示工具,而且大幅降低了硬件的復(fù)雜度,降低功耗,從而節(jié)省了成本。
本發(fā)明具有如下有益效果:
(1)方便攜帶,本發(fā)明裝置采用手提式箱體設(shè)計,體積小、功能齊全、箱體內(nèi)存儲空間大,存放更多的燈板、線纜和工具。
(2)實驗箱采用FPGA模塊,可搭載更多的燈組、檢測器,方便多路口的協(xié)調(diào)信號控制模擬演示,也提高了系統(tǒng)和硬件的集成度,節(jié)約成本。
(3)采用ARM開發(fā)系統(tǒng),適合復(fù)雜的底層控制操作,在性能模塊提高的同時,也使使用者操作起來更加方便,界面交互性更強,根據(jù)不同的使用需求,可自編譯控制方案。
(4)實驗箱可以用以太網(wǎng)接口和外部電腦進行聯(lián)網(wǎng)操作,進行文件的傳輸,可以實現(xiàn)動態(tài)聯(lián)動演示。
(5)實驗箱可連接數(shù)據(jù)庫軟件,靈活調(diào)取和存儲外部數(shù)據(jù),可以實現(xiàn)全感應(yīng)信號控制、自適應(yīng)控制。
(6)實驗教學(xué)效果好,通過本發(fā)明專利,不僅能讓學(xué)生直觀的了解實際信號機的工作原理,而且可以自己拆裝、組裝燈板以及編程控制信號機的配時方案,能夠進一步幫助學(xué)生了解信號機在交通管理中的運用領(lǐng)域和信號控制的重要性。
附圖說明
圖1是多功能交通信號控制實驗箱正面示意圖。
圖2是單路口信號控制活動燈板示意圖。
圖3是單路口固定配時控制流程圖。
圖4是實驗箱與數(shù)據(jù)庫相連的感應(yīng)控制流程圖。
圖5是實驗箱下面板示意圖。
圖6是實驗箱外部接口示意圖。
具體實施方式
圖中:1、扣槽;2、手提式把手;3、檢測器;4、道路渠化箭頭;5、行人信號燈燈組;6、倒計時燈組;7、機動車信號燈燈組;8、信號燈組與下面板連接口;9、檢測器與下面板連接口;10、燈板與下面板連接輔助接口;11、活動燈板存儲袋;12、線纜儲物盒;13、工具儲物盒;14電源按鈕;15、檢測器工作指示燈;16、檢測器按鍵;17、預(yù)留鍵工作指示燈;18、預(yù)留鍵;19、信號燈工作指示燈;20、RS-232接口;21、RS-485接口;22、CAN總線接口;23、復(fù)位按鈕;24、USB接口;25、以太網(wǎng)接口;26、I/0接口;27、JTAG接口;28、存儲卡端口;29、電源插孔。
在燈板正面設(shè)置路口渠化和信號燈,包括左、直、右信號燈,行人燈。燈板面上設(shè)置有信號燈、檢測器接線口,該處接線口采用直插直拔型,既方便接線,又保證安全。活動燈板可吸附在箱體上,并通過輔助接口與下面板相連,可實現(xiàn)模擬路口信號控制狀態(tài)演示。
燈板上設(shè)置有檢測器接口,與實驗箱下面板相連,當(dāng)連接數(shù)據(jù)庫時,調(diào)用數(shù)據(jù)庫交通數(shù)據(jù),通過接收到的數(shù)據(jù)控制燈板組件的感應(yīng)控制演示,外接電腦時,客戶端可以實時顯示檢測器上傳的交通信號數(shù)據(jù)。
實驗箱通過以太網(wǎng)接口或者USB接口,可以進行程序的上傳、編譯、執(zhí)行,也可以直接與路由器相連,可聯(lián)網(wǎng)修改控制參數(shù),將Linux系統(tǒng)接入到該燈板系統(tǒng),實現(xiàn)外部軟件和動態(tài)燈組配時方案功能。
圖2中,路口渠化箭頭4、行人信號燈組5、倒計時燈6、機動車左轉(zhuǎn)、直行、右轉(zhuǎn)信號燈組7,構(gòu)成路口的信號燈控制布局,用于主要的顯示功能。接線口7、8處進行信號燈、檢測器的接入工作,其中接線口內(nèi)部具有電壓保護單元,用于保護使用者安全以及燈組使用的可靠性。
圖3中,單路口信號燈固定配時,分兩個階段,第一個階段,先開始全紅階段,2秒鐘過后,設(shè)定的一個相位開始綠燈亮,并綠燈倒計時,其余相位紅燈,紅燈倒計時,當(dāng)綠燈變黃燈,其余相位更新紅燈時間,再有黃燈變紅,進入第二個階段,循環(huán)。燈板和信號箱可以模擬多種路口的信號控制方案。
如圖4所示,通過燈板和實驗箱及數(shù)據(jù)庫連接實現(xiàn)感應(yīng)控制。數(shù)據(jù)庫中存放調(diào)度表、時間表、方案表。調(diào)度表用于確認(rèn)某一天使用一個特定的時間表;時間表用于確認(rèn)某一時段選用某種控制方案;方案表可以存放多種配時方案,如感應(yīng)配時的具體配時參數(shù)。感應(yīng)控制方案:首先判斷某一階段的運行時間是否到達該階段的最小綠燈時間,如未到達繼續(xù)則繼續(xù)運行,如到達,則判斷是否有車輛通行需求,如有需求,則給定擴展步長時間,繼續(xù)運行該階段同時判斷延長時間是否完成,如未完成繼續(xù)運行,若完成則判斷是否到達最大綠燈時間,如達到最大綠燈時間,則進入下一階段。
圖5中,燈板存放袋11、線纜儲物盒12、工具儲物盒13、可以收納實驗用的燈板等設(shè)備;信號燈工作指示燈19、檢測器工作指示燈15,用于顯示對應(yīng)編號的燈組是否處于工作狀態(tài);預(yù)留鍵18、可以自定義。
圖6中,RS-232接口20作實驗箱系統(tǒng)升級,刷機用;以太網(wǎng)口25上傳文件到實驗箱、連接外部軟件;復(fù)位鍵23重啟實驗箱。