裝配圖道路交通信號(hào)控制機(jī)無(wú)電纜協(xié)調(diào)控制的實(shí)現(xiàn)(開(kāi)題報(bào)告+論文+外文翻譯+文獻(xiàn)綜述+答辯PPT)
裝配圖道路交通信號(hào)控制機(jī)無(wú)電纜協(xié)調(diào)控制的實(shí)現(xiàn)(開(kāi)題報(bào)告+論文+外文翻譯+文獻(xiàn)綜述+答辯PPT),裝配,道路,交通信號(hào),控制,節(jié)制,電纜,協(xié)調(diào),調(diào)和,實(shí)現(xiàn),開(kāi)題,報(bào)告,講演,呈文,論文,外文,翻譯,文獻(xiàn),綜述,答辯,ppt
道路交通信號(hào)控制機(jī)無(wú)電纜協(xié)調(diào)控制的實(shí)現(xiàn)
第一章 緒論
隨著城市化速度加快,機(jī)動(dòng)車日益普及,人們?cè)谙硎軝C(jī)動(dòng)車所帶來(lái)的巨大便利同時(shí),也面臨著交通擁擠的困惑。解決交通擁擠的直接辦法就是修建更多的路橋以提高城市路網(wǎng)通行能力。然而,修建路橋的巨額資金和城市空間的嚴(yán)格限制,使這一方法的有效性大打折扣。因此,在現(xiàn)有基礎(chǔ)上,提高交通控制和管理的水平,合理使用現(xiàn)有交通設(shè)施,充分發(fā)揮其能力,是解決交通問(wèn)題的有效辦法之一。自上世紀(jì)以來(lái),世界各國(guó)都展開(kāi)了對(duì)城市交通控制系統(tǒng)的研究[1]。
1.1課題的目的
本課題解決的是道路交通信號(hào)控制機(jī)的基準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖和系統(tǒng)時(shí)鐘的同步問(wèn)題,用于各路口信號(hào)機(jī)的無(wú)電纜協(xié)調(diào)控制。它是智能交通信號(hào)控制機(jī)的一部分,而智能交通信號(hào)控制機(jī)又是智能交通系統(tǒng)的一個(gè)重要末端設(shè)備。交通信號(hào)控制機(jī)設(shè)備體積雖然不大,但不管硬件還是軟件都是一個(gè)較大的系統(tǒng),完成信號(hào)機(jī)的同步電路的模塊設(shè)計(jì)是為研制智能交通信號(hào)控制機(jī)打下基礎(chǔ)。道路交通信號(hào)控制機(jī)是智能交通系統(tǒng)的重要組成部分,也是所有末端設(shè)備中最為復(fù)雜的信號(hào)處理與控制系統(tǒng)。我國(guó)的ITS無(wú)論是硬件還是軟件,還遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上時(shí)代的發(fā)展。研制能夠適合我國(guó)城市道路交叉的多車道大流量的特點(diǎn),預(yù)測(cè)各流入口的車流量,給各交通高效率地分配通行權(quán)的智能交通信號(hào)控制機(jī),已成為刻不容緩的事。本課題研究和解決的對(duì)象是如何實(shí)現(xiàn)在無(wú)電纜連接通信的情況下,實(shí)現(xiàn)各交通信號(hào)控制機(jī)的協(xié)調(diào)動(dòng)作[3]。
1.2設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容
本課題采用同步時(shí)基信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)各路口交通信號(hào)控制機(jī)的協(xié)調(diào)動(dòng)作。各同步時(shí)基信號(hào)取自供電網(wǎng)絡(luò)的50HZ工頻,來(lái)自供電網(wǎng)絡(luò)50HZ工頻信號(hào)經(jīng)過(guò)隔離整形后,通過(guò)微分電路,形成占空比合適、波形良好的100HZ的時(shí)基脈沖信號(hào)。信號(hào)控制機(jī)系統(tǒng)利用這一時(shí)基信號(hào)對(duì)信號(hào)燈的時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行秒計(jì)時(shí),并實(shí)時(shí)對(duì)信號(hào)控制機(jī)的時(shí)鐘RTC進(jìn)行修正,讓整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)控制機(jī)的時(shí)鐘保持一致。
硬件時(shí)鐘可以采用RTC(實(shí)時(shí)鐘)大規(guī)模集成電路。如DS1302。DS1302可以直接與微處理器的數(shù)據(jù)、地址及控制總線接口,納入微機(jī)系統(tǒng),由程序控制時(shí)鐘數(shù)據(jù)的讀寫。它可以自動(dòng)運(yùn)行100年的日歷,并有12個(gè)字節(jié)內(nèi)部RAM用語(yǔ)日歷各種數(shù)據(jù)儲(chǔ)存,52個(gè)內(nèi)部RAM用于存儲(chǔ)用戶的數(shù)據(jù)。
上述的時(shí)基信號(hào)送入微處理MPU,作為MPU的計(jì)數(shù)脈沖。在微處理MPU的實(shí)時(shí)控制下,使各信號(hào)燈的切換動(dòng)作保持一致。另外,由于時(shí)鐘的一致,確保路網(wǎng)中各信號(hào)控制機(jī)的相位差的正確實(shí)施,達(dá)到協(xié)調(diào)控制的目的。
1.3設(shè)計(jì)的技術(shù)要求
設(shè)計(jì)一個(gè)周期為10ms的時(shí)鐘脈沖發(fā)生器,要求電路設(shè)計(jì)緊湊簡(jiǎn)潔,時(shí)鐘脈沖發(fā)生器輸出的頻率應(yīng)是市電50HZ周期的倍頻,并保持與市電周波的同步。MPU外接一個(gè)時(shí)鐘芯片,可以實(shí)時(shí)地對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行讀寫操作,并通過(guò)MPU把日期或時(shí)刻在6位7SEGLED數(shù)碼管上顯示出來(lái)。利用上述的10ms的時(shí)鐘脈沖信號(hào)作為MPU的計(jì)數(shù)脈沖,從而使各信號(hào)燈的切換動(dòng)作保持協(xié)調(diào)一致,并通過(guò)定時(shí)調(diào)整各信號(hào)控制器的時(shí)鐘使之保持同步。利用定時(shí)器的中斷讀取外接時(shí)鐘的狀態(tài),根據(jù)開(kāi)關(guān)位置的狀態(tài),在6位7SEGLED數(shù)碼管上能正確顯示時(shí)鐘的日期或時(shí)刻
(1)輸出時(shí)鐘脈沖的頻率為100HZ,高電平為5v,能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯電路
(2)具有時(shí)鐘修正功能,使各信號(hào)控制機(jī)的時(shí)鐘保持一致
(3)通過(guò)切換開(kāi)關(guān)能在6位7SEGLED數(shù)碼管上正確顯示時(shí)鐘的日期或時(shí)刻
1.4論文研究的背景與主要研究的內(nèi)容
1.4.1城市交通信號(hào)控制的演變
從1868年英國(guó)倫敦首次使用燃?xì)馍珶粜盘?hào)以來(lái),城市交通信號(hào)機(jī)由手動(dòng)到自動(dòng),交通信號(hào)由固定周期到可變周期,系統(tǒng)控制方式由點(diǎn)控到線控和面控,從無(wú)車輛檢測(cè)器到有車輛檢測(cè)器,經(jīng)歷了近百年的發(fā)展。到1963年加拿大多倫多市建立了一套使用IBM650型計(jì)算機(jī)的集中協(xié)調(diào)感應(yīng)控制信號(hào)系統(tǒng),從而標(biāo)志著城市道路交通信號(hào)系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)新階段。之后,美國(guó)、英國(guó)、前聯(lián)邦德國(guó)、日木、澳大利亞等國(guó)家相繼建成以計(jì)算機(jī)為核心的區(qū)域交通控制系統(tǒng),這種系統(tǒng)一般還配備交通監(jiān)視系統(tǒng)組成交通管制中心[4] [5]。
1.4.2研究的意義
本次的論文研究具有很大的意義,通過(guò)對(duì)時(shí)鐘及各種硬件軟件的設(shè)計(jì)和操作、調(diào)試,不斷的進(jìn)行各種各樣的組合,測(cè)試各種元件是否匹配,是否達(dá)到預(yù)計(jì)的結(jié)果,由此證明,采用無(wú)電纜協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)對(duì)提高信號(hào)控制精確度是否有幫助。
第二章智能交通系統(tǒng)
2.1世界上幾種典型的交通信號(hào)控制系統(tǒng)
2.1.1 國(guó)外的典型城市道路交通控制系統(tǒng)
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展,以及交通流理論的不斷發(fā)展完善,交通運(yùn)輸組織與優(yōu)化理論、技術(shù)的不斷提高,交通管制中心的功能得到了增強(qiáng),控制手段也越來(lái)越先進(jìn),形成了一批高水平有實(shí)效的城市道路交通控制系統(tǒng)。
從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制方式上分,有集中式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(控制中心的計(jì)算機(jī)處理道路網(wǎng)上的所有信息,并向各個(gè)路口發(fā)出控制指令)、分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(有中央、地區(qū)、路口控制三級(jí)組成,各級(jí)電計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)自己控制區(qū)域,并執(zhí)行上一級(jí)控制指令)和動(dòng)態(tài)系統(tǒng)(根據(jù)檢測(cè)器實(shí)時(shí)采集的交通流數(shù)據(jù)優(yōu)化信號(hào)配時(shí));從控制區(qū)域的路網(wǎng)結(jié)構(gòu)上分,有開(kāi)環(huán)網(wǎng)絡(luò)和閉環(huán)網(wǎng)絡(luò);從系統(tǒng)功能上看兼有監(jiān)視、控制和誘導(dǎo)功能[6] [7] [8]。
當(dāng)前世界各國(guó)廣泛使用的最具代表性且有實(shí)效性的城市道路交通信號(hào)控制系統(tǒng)有三個(gè)
(1)英 國(guó) TRANSYT系統(tǒng)
TRANSYT( TrafficN etworkS tudyT ool)是由英國(guó)道路研究所花費(fèi)近十年時(shí)間研制成功的交通信號(hào)控制系統(tǒng),經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn),己發(fā)展到TRANSYT 8型。它的主要技術(shù)特征有:
控制模式:靜態(tài)模式口
系統(tǒng)目標(biāo):平均延誤時(shí)間、停車次數(shù)、排隊(duì)長(zhǎng)度最小。
參數(shù)特征:綠信比(S)與相位差(O)是通過(guò)建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型計(jì)算,即是優(yōu)化確定的:周期(C)不進(jìn)行優(yōu)化,僅從事先確定的方案中通過(guò)比較各運(yùn)行指標(biāo)選出最佳的,即是選擇性確定。
尋優(yōu)方法 :爬山法。TRANSYT系統(tǒng)被世界400多個(gè)城市采用,目前是最成功的靜態(tài)系統(tǒng)。但它存在幾個(gè)不足的地方:第一,計(jì)算量大,在大城市中這一問(wèn)題尤為突出;第二,不對(duì)周期進(jìn)行優(yōu)化,實(shí)際上很難獲得整體最優(yōu)配時(shí)方案;第三,它是離線優(yōu)化,需要大量的路網(wǎng)幾何、交通流數(shù)據(jù),需要花費(fèi)大量的人力、物力、財(cái)力。
(2)澳大利亞SCATS系統(tǒng)
SCATS( SydneyC oordinatedA daptiveT rafficS ystem)是澳大利亞于70年代末開(kāi)發(fā)的交通信號(hào)控制系統(tǒng)。它采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù),呈計(jì)算機(jī)分層遞階形式,結(jié)構(gòu)為模塊形式。它的主要技術(shù)特征有:
控制模式:地區(qū)級(jí),聯(lián)機(jī),中央控制,聯(lián)機(jī)與脫機(jī)同時(shí)進(jìn)行。
系統(tǒng)目標(biāo):飽和度最大及通過(guò)帶寬度最大。
參數(shù)特征:在預(yù)先確定的多個(gè)S,C,O 中選擇合適的參數(shù)。
尋優(yōu)方法:無(wú)實(shí)時(shí)交通模型,比較選擇法。
SCATS系統(tǒng)充分體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的突出優(yōu)點(diǎn),結(jié)構(gòu)易于更改,控制方案較為容易變換。然而,它也有幾個(gè)明顯的不足之處:第一,它實(shí)為一種方案選擇系統(tǒng),限制了配時(shí)參數(shù)的優(yōu)化程度:第二,過(guò)分依賴于計(jì)算機(jī)硬件,移植能力差;第三,選擇控制方案時(shí),無(wú)實(shí)時(shí)信息反饋。
(3)英國(guó)SCOOT系統(tǒng)
SCOOT( SplitC ycleO fsetO ptimizationT echnique)也是由英國(guó)道路研究所在TRANSYT系統(tǒng)的基礎(chǔ)上采用自適應(yīng)控制方法,經(jīng)過(guò)八年的研究于1980年提出動(dòng)態(tài)交通控制系統(tǒng)。SCOOT采用實(shí)時(shí)控制,獲得了明顯優(yōu)于靜態(tài)系統(tǒng)的效果,被許多國(guó)家采用。它的主要技術(shù)特征有:
控制模式:聯(lián)機(jī)實(shí)時(shí)模式,即動(dòng)態(tài)模式。
系統(tǒng)目標(biāo):費(fèi)用最小為優(yōu)化目標(biāo)。
參數(shù)特征:S,O,C均通過(guò)建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型計(jì)算。
尋優(yōu)方法:小步長(zhǎng)漸進(jìn)尋優(yōu)方法。
SCOOT系統(tǒng)同樣存在不足的地方。第一,相位不能自動(dòng)增減任何路口只能有固定的相序;第二,獨(dú)立控制子區(qū)的劃分不能自動(dòng)完成,只能人工完成;第三,安裝調(diào)試?yán)щy,對(duì)用戶的技術(shù)要求過(guò)高。
2.2中國(guó)的城市交通信號(hào)控制系統(tǒng)
近年國(guó)內(nèi)的經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和機(jī)動(dòng)車急劇增加,導(dǎo)致了現(xiàn)有交通設(shè)施不勝負(fù)荷的局面[9] [10]。
(1)城市道路結(jié)構(gòu)不合理
目前,國(guó)內(nèi)的城市交通以路上交通為主,大多數(shù)城市道路空間結(jié)構(gòu)屬平面交通狀態(tài),形成“人車混行,快慢車混駛”的特點(diǎn)。道路系統(tǒng)布局多采用簡(jiǎn)單的平面方格形式,難以適應(yīng)交通系統(tǒng)現(xiàn)代化管理的需要。路網(wǎng)功能的結(jié)構(gòu)層次混亂,主、次干道和支線比例失調(diào),銜接關(guān)系紊亂,使干線道路難以發(fā)揮其功能。就道路面積來(lái)說(shuō),國(guó)內(nèi)的城市道路面積率低于世界上同等規(guī)模大城市。據(jù)統(tǒng)計(jì),國(guó)內(nèi)的城市道路面積率平均不足8%,人均道路面積也低于世界上同等規(guī)模的大城市
(2)交通出行結(jié)構(gòu)失衡
國(guó)內(nèi)的城市交通主要由各種機(jī)動(dòng)車、非機(jī)動(dòng)車和行人構(gòu)成,形成特殊的三元混合交通結(jié)構(gòu)。交通方式可分為兩大類,即公共交通和私人交通。其中公共交通由公共汽車(包括有、無(wú)軌電車)、出租汽車、地鐵、輕軌組成;私人交通主要由自行車、摩托車、私人小汽車及步行交通構(gòu)成。由于這些交通方式的自身特點(diǎn),使它們能夠在系統(tǒng)中共存。另外,由于系統(tǒng)所具有的自組織能力,并在外界交通環(huán)境的協(xié)同作用下,形成了各種交通方式間的制約與平衡。因此,對(duì)某一種交通方式來(lái)說(shuō),不能任其自由發(fā)展,否則會(huì)破壞這種平衡狀態(tài),使系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題。
目前,國(guó)內(nèi)的城市交通結(jié)構(gòu),由于公共交通畸形落后、不勝負(fù)荷的局面,在一定程度上刺激了私人交通的發(fā)展,主要體現(xiàn)在對(duì)自行車、私人小汽車需求的急劇增長(zhǎng),使交通方式間比例嚴(yán)重失調(diào)。據(jù)調(diào)查,大部分城市公交車與自行車出行比例為2:8-1:9,或更加嚴(yán)重失調(diào),導(dǎo)致的結(jié)果是巨大的自行車流,特別是上下班高峰期間,勢(shì)如潮涌,并與機(jī)動(dòng)車爭(zhēng)道搶行,阻礙正常交通。這種局面反過(guò)來(lái)又影響了公共交通的服務(wù)水平,由于大量出行被自行車吸引,使公共交通經(jīng)營(yíng)陷入困境。低劣的服務(wù)水平又增大了廣大群眾的不信任感,增加了對(duì)私有交通需求的傾向,這更加重了城市交通系統(tǒng)的紊亂。
(3)交通管理技術(shù)水平低,交通事故頻繁
國(guó)內(nèi)的城市交通管理和交通安全現(xiàn)代化設(shè)施極少。以北京與東京比較,兩市都有一個(gè)交通管制中心,但北京交通控制中心管理交叉路口數(shù)目?jī)H是東京的3%,交通志數(shù)是東京的7%,人行橫道數(shù)是東京的4.8%,人行天橋數(shù)是東京的3.6%,地下人行通道是東京的5%,國(guó)內(nèi)的交通事故率居高不下,萬(wàn)車事故死亡率北京為6人(國(guó)內(nèi)為最小的城市),而東京僅為1.9人,美國(guó)、澳大利亞和英國(guó)平均分別為2.6和2.7人
2.2.1國(guó)內(nèi)的城市道路交通控制系統(tǒng)
國(guó)內(nèi)應(yīng)用和研究城市交通控制系統(tǒng)的工作起步較晚,在七十年代后期,北京市開(kāi)始采用DJS-130型計(jì)算機(jī)進(jìn)行了道路協(xié)調(diào)控制的研究。八十年代以來(lái),城市道路交通問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重,國(guó)家一方面進(jìn)行以改善城市市中心交通為核心的UTSM (Urban Traffic System Manage)技術(shù)研究;另一方面采取引進(jìn)與開(kāi)發(fā)相結(jié)合的方針,建立了一些城市道路交通控制系統(tǒng)。以北京、上海為代表的大城市,交通控制系統(tǒng)主要是簡(jiǎn)易單點(diǎn)信號(hào)機(jī)、SCOOT系統(tǒng)、TRANSYT系統(tǒng)和SCATS系統(tǒng)其中幾個(gè)結(jié)合使用;而如湘潭、岳陽(yáng)等國(guó)內(nèi)中小城市,交通控制系統(tǒng)主要還是使用國(guó)產(chǎn)的簡(jiǎn)易單點(diǎn)信號(hào)機(jī)和集中協(xié)調(diào)式信號(hào)機(jī)。現(xiàn)以北京使用的交通信號(hào)控制系統(tǒng)進(jìn)行說(shuō)明[11] [12]。
(1)簡(jiǎn)易單點(diǎn)信號(hào)機(jī),可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)手動(dòng)或自動(dòng)控制的交叉路口單點(diǎn)定時(shí)控制,并且具有夜晚黃閃控制功能,使用方便并且成本低。
(2)MSKE-20型微處理器路口信號(hào)機(jī),它是屬于TRANSYT系統(tǒng),具有自動(dòng)運(yùn)行、中心控 制、人工控制、無(wú)電纜協(xié)調(diào)控制、黃閃控制、備用方式等功能。
(3)T200MK2型路口信號(hào)機(jī),它是屬于SCOOT系統(tǒng),具有自動(dòng)運(yùn)行、中心控制、人工制、黃閃控制、及降級(jí)控制(它包括區(qū)域協(xié)調(diào)控制、無(wú)電纜協(xié)調(diào)控制、單點(diǎn)感應(yīng)控制、單點(diǎn)定時(shí)控制、手動(dòng)控制)等功能。這些信號(hào)系統(tǒng)雖然取得了較好的效果,但我國(guó)實(shí)際情況決定了需要對(duì)這些系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn),主要體現(xiàn)在:
需要完善信號(hào)控制現(xiàn)有單點(diǎn)信號(hào)控制系統(tǒng),一般只能實(shí)現(xiàn)口數(shù)目?jī)H是東京的3%,交通標(biāo)志數(shù)是東京的7%,人行橫道數(shù)是東京的4.8%,人行天橋數(shù)是東京的3.6%,地下人行通道是東京的5%,國(guó)內(nèi)的交通事故率居高不下,萬(wàn)車事故死亡率北京為6人(國(guó)內(nèi)為最小的城市),而東京僅為1.9人,美國(guó)、澳大利亞和英國(guó)平均分別為2.6和2.7人。
2.2.2國(guó)內(nèi)的城市道路交通控制系統(tǒng)
國(guó)內(nèi)應(yīng)用和研究城市交通控制系統(tǒng)的工作起步較晚,在七十年代后期,北京市開(kāi)始采用DJS-130型計(jì)算機(jī)進(jìn)行了+道協(xié)調(diào)控制的研究。八十年代以來(lái),城市道路交通問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重,國(guó)家一方面進(jìn)行以改善城市市中心交通為核心的UTSM (Urban Traffic System Manage)技術(shù)研究;另一方面采取引進(jìn)與開(kāi)發(fā)相結(jié)合的方針,建立了一些城市道路交通控制系統(tǒng)X26]。以北京、上海為代表的大城市,交通控制系統(tǒng)主要是簡(jiǎn)易單點(diǎn)信號(hào)機(jī)、SCOOT系統(tǒng)、TRANSYT系統(tǒng)和SCATS系統(tǒng)其中幾個(gè)結(jié)合使用;而如湘潭、岳陽(yáng)等國(guó)內(nèi)中小城市,交通控制系統(tǒng)主要還是使用國(guó)產(chǎn)的簡(jiǎn)易單點(diǎn)信號(hào)機(jī)和集中協(xié)調(diào)式信號(hào)機(jī)?,F(xiàn)以北京使用的交通信號(hào)控制系統(tǒng)進(jìn)行說(shuō)明[13] [14]。
(1)簡(jiǎn)易單點(diǎn)信號(hào)機(jī),可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)手動(dòng)或自動(dòng)控制的交叉路口單點(diǎn)定時(shí)控制,并且具有夜晚黃閃控制功能,使用方便并且成本低。
(2)MSKE-20型微處理器路口信號(hào)機(jī),它是屬于TRANSYT系統(tǒng),具有自動(dòng)運(yùn)行、中心控制、人工控制、無(wú)電纜協(xié)調(diào)控制、黃閃控制、備用方式等功能。
(3)T200MK2型路口信號(hào)機(jī),它是屬于SCOOT系統(tǒng),具有自動(dòng)運(yùn)行、中心控制、人工控制、黃閃控制、及降級(jí)控制(它包括區(qū)域協(xié)調(diào)控制、無(wú)電纜協(xié)調(diào)控制、單點(diǎn)感應(yīng)控制、單點(diǎn)定時(shí)控制、手動(dòng)控制)等功能。這些 信 號(hào) 系統(tǒng)雖然取得了較好的效果,但我國(guó)實(shí)際情況決定了需要對(duì)這些系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn),主要體現(xiàn)在:
(1)需 要 完善信號(hào)控制現(xiàn)有單點(diǎn)信號(hào)控制系統(tǒng),一般只能實(shí)現(xiàn)兩相位控制,存在一定的局限性。而實(shí)際中,如果根據(jù)交叉路口的情況,適當(dāng)采用多相位控制、變相序控制,可減少交叉路口的交通沖突,提高交通的安全性。
(2)需要合理解決混合交通流問(wèn)題現(xiàn)有信號(hào)控制系統(tǒng)對(duì)自行車流的放行幾乎都是與機(jī)動(dòng)車同時(shí)開(kāi)始,容易造成交通流沖突。因此,需要設(shè)計(jì)出一種信號(hào)系統(tǒng)能對(duì)各個(gè)相位包括對(duì)自行車流單獨(dú)進(jìn)行控制。
(3)實(shí)現(xiàn)小型區(qū)域網(wǎng)絡(luò)控制目前,雖然在我國(guó)的幾個(gè)大城市,引進(jìn)或研制了具有區(qū)域控制功能的交通信號(hào)系統(tǒng),但對(duì)于中小城市來(lái)說(shuō),建立這樣龐大的系統(tǒng)一方面代價(jià)高昂,另一方面實(shí)際利用效率不高。為了解決這一情況,在國(guó)內(nèi)的中小城市應(yīng)大量推廣小型區(qū)域網(wǎng)絡(luò)控制信號(hào)系統(tǒng)。
(4)國(guó)產(chǎn)化率低目前國(guó)內(nèi)采用的信號(hào)控制系統(tǒng),國(guó)產(chǎn)化率整體較低,進(jìn)口費(fèi)用昂貴。
隨著我國(guó)城市化水平不斷提高,進(jìn)一步完善城市交通控制系統(tǒng)是大勢(shì)所趨。因此,研制并設(shè)計(jì)出符合我國(guó)實(shí)際情況的微機(jī)化、模塊化的信號(hào)系統(tǒng),意義十分重大,效益也將十分明顯。
系統(tǒng)時(shí)鐘的同步有GPS授時(shí)修正。信號(hào)控制用的基準(zhǔn)脈沖信號(hào)由晶振產(chǎn)生,不同步。國(guó)內(nèi)信號(hào)機(jī)的系統(tǒng)時(shí)鐘雖然通過(guò)GPS授時(shí)修正,可以保持同步,但由于信號(hào)控制用的基準(zhǔn)脈沖信號(hào)不同步,每個(gè)信號(hào)周期都有可能使信號(hào)控制偏離同步點(diǎn)而產(chǎn)生搖擺,這在智能交通系統(tǒng)中有時(shí)會(huì)導(dǎo)致被上層系統(tǒng)認(rèn)為信號(hào)機(jī)工作不正常。解決信號(hào)控制用的基準(zhǔn)脈沖信號(hào)的同步問(wèn)題,是避免信號(hào)控制偏離同步點(diǎn)而產(chǎn)生搖擺的較好辦法。
2.3道路交通信號(hào)與控制
2.3.1空耗控制原理
交通信號(hào)控制系統(tǒng)的信號(hào)控制有各種各樣的方式,其分類也有很多種。在此考慮選擇控制方式的方便性,將信號(hào)分為點(diǎn)控、線控和面控。點(diǎn)控,指獨(dú)立控制各信號(hào)機(jī);線控,指同時(shí)控制沿著連續(xù)的幾個(gè)信號(hào)機(jī);面控,是指把城市道路網(wǎng)分區(qū)域進(jìn)行控制的方式[15] [16] [17]。
決定交叉路口控制方式為點(diǎn)控還是線控目前為止無(wú)固定的標(biāo)準(zhǔn),一般來(lái)說(shuō),可根據(jù)如下情況進(jìn)行綜合判斷:
(1)相臨交叉路口間距越小,線控的必要性越大;
(2)交通量(線方向)越多,線控的必要性越大;
(3)相臨兩個(gè)信號(hào)機(jī)之間交通流的脈動(dòng)越大,線控的必要性越大;
(4)在相臨交叉口飽和度相差越大、最優(yōu)周期長(zhǎng)不同,但不是相差整倍數(shù)或整數(shù)分之一的情況下,應(yīng)把實(shí)施線控的損失和不采用線控的損失進(jìn)行比較后再?zèng)Q定是否采用線控。
2.3.2區(qū)域信號(hào)控制(面控)
對(duì)設(shè)置在大面積道路網(wǎng)上的多臺(tái)信號(hào)機(jī)采用集中控制的方式成為面控。這種控制方式原理上可看作是線控?cái)U(kuò)大到面上。因此,面控是由若干個(gè)子區(qū)域控制構(gòu)成的。這里的子區(qū)域是指由用相同的周期長(zhǎng)進(jìn)行控制的區(qū)域,對(duì)每一個(gè)子區(qū)域給出最佳周期長(zhǎng),在各個(gè)子區(qū)域得到最優(yōu)控制的效果。面控方式又分為無(wú)電纜協(xié)調(diào)控制和中心計(jì)算機(jī)控制方式[17] [18]。
所謂無(wú)電纜協(xié)調(diào)是指控制機(jī)之間沒(méi)有信號(hào)控制線相連,其相關(guān)協(xié)調(diào)控制是靠采用共同時(shí)基同步實(shí)現(xiàn)的。目前,大都利用從供電網(wǎng)50HZ工頻中獲取相同周期、固定相位的秒計(jì)時(shí)時(shí)基信號(hào),并通過(guò)人工或自動(dòng)裝置將信號(hào)控制器內(nèi)實(shí)時(shí)鐘的日、時(shí)、分、秒校正至同步的方法實(shí)現(xiàn)無(wú)電纜協(xié)調(diào)控制。其優(yōu)點(diǎn)是比較簡(jiǎn)單易行,但必須用人工或自動(dòng)裝置及時(shí)校正。
目前,大多數(shù)多時(shí)段固定交通信號(hào)控制器,尤其是采用分級(jí)處理的控制器,均具備無(wú)電纜協(xié)調(diào)控制的功能。之所以在此著重強(qiáng)調(diào)這一功能,是因?yàn)樗梢宰鳛橄鄬?duì)獨(dú)立的功能加到上述任何一種控制器上,使各單個(gè)交通信號(hào)控制器很容易的形成相關(guān)控制。
中心計(jì)算機(jī)控制方式交通信號(hào)控制器通過(guò)數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)與中心控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相連,受中心計(jì)算機(jī)的直接控制。這種控制器可以分為兩類,一類是簡(jiǎn)單型的,另一類是復(fù)雜型的。
簡(jiǎn)單型,一般受中心計(jì)算機(jī)的直接控制,它的沒(méi)一步操作均受中心計(jì)算機(jī)的直接指令,并且隨時(shí)將其工作狀態(tài)以及交通數(shù)據(jù)直接傳誦給計(jì)算機(jī)。當(dāng)中心計(jì)算機(jī)或通信系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí),它可以降級(jí)做簡(jiǎn)單的運(yùn)行,即運(yùn)行一個(gè)基本的配時(shí)方案。
復(fù)雜型是指當(dāng)今以微處理器為核心,功能齊全,可與中心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相連,較高的交通信號(hào)控制器。它可以接受中心計(jì)算機(jī)的方案,階段調(diào)用;可以實(shí)現(xiàn)包括無(wú)電纜協(xié)調(diào),多時(shí)段固定配時(shí)等控制方式。它對(duì)所收集的各種交通數(shù)據(jù)可以做預(yù)處理,實(shí)現(xiàn)多臺(tái)信號(hào)機(jī)集中控制。
2.3.3線路信號(hào)控制(線控)
線控方式把一條道路延長(zhǎng)線上連續(xù)幾個(gè)信號(hào)機(jī)在時(shí)間上互相聯(lián)系起來(lái)進(jìn)行信號(hào)顯示,通過(guò)減少車輛停止次數(shù),縮短停車時(shí)間達(dá)到交通暢通的目的。另外,此種控制方式有助于形成適當(dāng)速度的交通流。線控的主要特點(diǎn)是對(duì)幾個(gè)信號(hào)機(jī)設(shè)定共用的周期長(zhǎng)、系統(tǒng)周期長(zhǎng)和確定各信號(hào)時(shí)間上的相對(duì)關(guān)系即相位差[19]。
2.3.3.1定周期控制
定周期控制與點(diǎn)控制方式同樣根據(jù)交通需求的變動(dòng)模式使用固定配時(shí),通常分為單時(shí)段和多時(shí)段。單時(shí)段定周期交通信號(hào)控制器是起今為止交通信號(hào)控制系統(tǒng)中最簡(jiǎn)單的交通信號(hào)控制器,通常機(jī)內(nèi)只配置一種配時(shí)方案。該方案的主要參數(shù)可以通過(guò)改變矩陣控制插針、撥碼開(kāi)關(guān)或多位撥段開(kāi)關(guān)設(shè)置與調(diào)試。與點(diǎn)控方式不同的是控制參數(shù)中還有相位差。多時(shí)段定周期交通信號(hào)控制器可儲(chǔ)存多個(gè)配時(shí)方案,將其存入多時(shí)段控制器中,并根據(jù)路口交通流的日變化、周變化的統(tǒng)計(jì)規(guī)律,將一日的交通信號(hào)控制劃分為若干時(shí)段,設(shè)置好各時(shí)段配時(shí)方案的切換時(shí)刻。這樣,多時(shí)段定周期控制器可根據(jù)實(shí)時(shí)日歷鐘自動(dòng)按以上設(shè)置時(shí)間表變換響應(yīng)的控制方案。它使用于交通流比較穩(wěn)定的時(shí)間,比如低峰時(shí)段、普通時(shí)段、擁擠時(shí)段分別有明確的交通模式情況下。交通指揮人員可根據(jù)交叉路口的交通實(shí)際情況,隨時(shí)調(diào)整配時(shí)方案中的各種控制參數(shù),以適應(yīng)路口交通流的變化。
固定配時(shí)交通信號(hào)控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、維護(hù)使用方便,是當(dāng)今單個(gè)交叉點(diǎn)交通信號(hào)控制中使用最普遍的交通信號(hào)控制器。
2.3.3.2交通感應(yīng)控制
交通感應(yīng)控制方式是對(duì)應(yīng)于變化的交通狀況實(shí)時(shí)的改變控制參數(shù)(周期長(zhǎng)、綠信比、相位差)進(jìn)行控制的方式。此方式可根據(jù)交通的需要的變動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制參數(shù)修正,從而實(shí)現(xiàn)高度的線控制。因此,它使用于交通量時(shí)間變動(dòng)劇烈、交通量大、要求快速的交通處理效率的干線道路。作為該控制方式的手段通常有兩種,其一是在線路上設(shè)置車輛感測(cè)器,監(jiān)測(cè)交通流的變動(dòng),以這些測(cè)量值為基準(zhǔn),從預(yù)先設(shè)定的幾個(gè)程序中(一套控制參數(shù))選擇最合適的控制程序。另一種是基于交通流的聯(lián)機(jī)測(cè)量實(shí)時(shí)算出控制參數(shù)并根據(jù)此值形成控制方案。
全感應(yīng)交通信號(hào)控制一般用于飽和度大于60%、主次干道延誤相差不大的路口,目的在于盡量減少各方向車輛的延誤,最大限度的提高單個(gè)交叉路口的放行效率。
第三章 道路交通信號(hào)控制機(jī)
3.1交通信號(hào)控制機(jī)的發(fā)展
交通控制是交通系統(tǒng)發(fā)展的客觀需要及控制理論與技術(shù)在交通系統(tǒng)中應(yīng)用的結(jié)果。
(1)交通控制按照類別可劃分3類:以交通限制為主的控制、以交通信號(hào)為主的控制和以傳遞情報(bào)信息為主的控制— 交通誘導(dǎo)控制。
(2)按范圍可劃分為3類;單點(diǎn)控制、干線控制、區(qū)域控制。
(3)按方式可分為單點(diǎn)定時(shí)控制和單點(diǎn)感應(yīng)控制、干線無(wú)電纜協(xié)調(diào)控制、干線有電纜協(xié)調(diào)控制、區(qū)域定時(shí)協(xié)調(diào)控制、區(qū)域自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制。交叉口信號(hào)機(jī)執(zhí)行信號(hào) 配時(shí)方案對(duì)車流進(jìn)行控制的方式稱為定時(shí)控制,即定周期控制。配時(shí)方案可以是一個(gè)或多個(gè),一天執(zhí)行一個(gè)配時(shí)方案的稱為單段式定時(shí)控制;一天按時(shí)段不同分別執(zhí)行不同配時(shí)方案的稱為多段式定時(shí)控制。信號(hào)配時(shí)方案是根據(jù)交通流歷史數(shù)據(jù)事先設(shè)置好的,時(shí)段確定可根據(jù)全天交通流的波動(dòng)情況而定。單點(diǎn)感應(yīng)控制是在交叉口進(jìn)道口上設(shè)置車輛檢測(cè)器,信號(hào)機(jī)在控制時(shí)根據(jù)檢測(cè)器實(shí)時(shí)檢測(cè)到的交通流數(shù)據(jù),實(shí)時(shí)改變信號(hào)配時(shí)的一種控制方式。區(qū)域自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制是中心控制計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)收集交叉口檢測(cè)器檢測(cè)的交通流數(shù)據(jù),通過(guò)配時(shí)優(yōu)化軟件在線生成如SCOOT或選擇SCAT信號(hào)配時(shí)方案,實(shí)時(shí)用于控制的一種控制方式。
3.2中國(guó)道路交通信號(hào)控制機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀
我國(guó)在城市道路交通控制系統(tǒng)方面的工作起步較晚,在七十年代后期北京市開(kāi)始采用 DIS---130型計(jì)算機(jī)進(jìn)行了干道協(xié)調(diào)控制的研究。八十年代以來(lái),城市道路交通問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重,國(guó)家一方面進(jìn)行以改善城市中心交通為核心的 UTSM 技術(shù)研究,另一方面采取引進(jìn)與開(kāi)發(fā)相結(jié)合的方針,目前我國(guó)已有三十多個(gè)城市建立了城市道路交通控制系統(tǒng)。如:北京引進(jìn)了 SCOOT系統(tǒng),上海引進(jìn)了 SCAT系統(tǒng),深圳市引進(jìn)了日本的監(jiān)控系統(tǒng)等。已經(jīng)在運(yùn)行中的系統(tǒng),越來(lái)越表現(xiàn)出它良好的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益,減少了車輛停車和延誤造成的損失,緩解了交通擁塞,減少了交通事故,減輕了噪音和空氣污染,提高了路段和路口通過(guò)能力,改善了交通警工作條件,增加了現(xiàn)代化城市的科學(xué)文明色彩。但是引進(jìn)中也存在許多不盡如人意的地方:首先,由于國(guó)情的不同,引進(jìn)系統(tǒng)的適應(yīng)性較差,如國(guó)外交通中非機(jī)動(dòng)車流的比重非常小,一般不予考慮,而在國(guó)內(nèi)交通中,非機(jī)動(dòng)車流占了相當(dāng)大的比例,由非機(jī)動(dòng)車引起的機(jī)非混雜,不僅降低了機(jī)動(dòng)車的行車速度,而且增加了交通事故;其次由于實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)備比較昂貴,在國(guó)內(nèi)引進(jìn)的系統(tǒng)中,一般都要作些簡(jiǎn)略,這也將影響設(shè)備的可靠性和檢測(cè)數(shù)字的準(zhǔn)確性,控制效果相應(yīng)就差些 。
可喜的是,在國(guó)家計(jì)委、國(guó)家科委的批準(zhǔn)下,公安部、南京市完成了“七五”攻關(guān)項(xiàng)目,建成了南京城市交通控制系統(tǒng) (代號(hào) 2443)。此項(xiàng)目的攻關(guān)目標(biāo)是研究和建立適合中國(guó)國(guó)情的機(jī)動(dòng)車與非機(jī)動(dòng)車混合交通的城市控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)結(jié)合了 SCOOT與 SCAT的優(yōu)點(diǎn),是我國(guó)完全國(guó)產(chǎn)化自行設(shè)計(jì)建成的第一個(gè)適應(yīng)中國(guó)混合交通條件及路網(wǎng)密度低、路口間距懸殊的城市交通控制系統(tǒng)。但是在運(yùn)行中也有不足之處:第一優(yōu)化目標(biāo)綜合了行車延誤、停車次數(shù)、阻塞度、但未充分考慮提高能力;第二機(jī)動(dòng)車與非機(jī)動(dòng)車控制模式尚不完善,車流相互影響仍大量存在,限制了系統(tǒng)效果。因此如果在協(xié)調(diào)控制之前,對(duì)機(jī)動(dòng)車和非機(jī)動(dòng)車進(jìn)行時(shí)間或者空間上的分離 (機(jī)非時(shí)空分離),控制效果會(huì)更好。
綜合分析國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的城市道路交通控制系統(tǒng),結(jié)合中國(guó)大城市道路交通的實(shí)際情況,充分考慮現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)成果的使用,中國(guó)城市道路交通控制系統(tǒng)的發(fā)展方向應(yīng)是:
(1)多模式化:首先在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上,應(yīng)吸收集中式 SCOOT、分布式SCAT、半分布式NUTCS各自的長(zhǎng)處,在控制范圍內(nèi)各個(gè)區(qū)域采用靈活可轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),以達(dá)到在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上適應(yīng)交通流的區(qū)域變化;其次在系統(tǒng)目標(biāo)上,應(yīng)根據(jù)不同區(qū)域的實(shí)時(shí)交通情況,對(duì)路口能力最大、總延誤最小、排隊(duì)長(zhǎng)度最短等目標(biāo)進(jìn)行篩選和組合以確定不同的系統(tǒng)目標(biāo),這樣系統(tǒng)優(yōu)化更具針對(duì)性;再者在控制戰(zhàn)略模式上,應(yīng)有適應(yīng)交通
擁擠狀態(tài)下和適應(yīng)中等交通量的方式。
(2)智能化:隨著信息技術(shù)的高度發(fā)展,作為道路交通控制系統(tǒng)應(yīng)能為車輛提供準(zhǔn)確、及時(shí)、多樣的信息,在傳統(tǒng)的信息廣播、可變情報(bào)板的基礎(chǔ)上,應(yīng)在城市中建立與控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)的集中式 GPS誘導(dǎo)系統(tǒng),并與公路的智能車輛公路系統(tǒng)相銜接。
(3)最優(yōu)化:TRANSYT與 SCOOT都采用交通模型來(lái)優(yōu)化配時(shí),但由于當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)技術(shù)的限制,在模型算法求解上有一定的局限性,隨線爬山法及小步長(zhǎng)漸近尋優(yōu)常常能獲得有限的局部甚至整體最優(yōu)解。著計(jì)算機(jī)技術(shù)和優(yōu)化理論的發(fā)展,在線優(yōu)化有可能獲得更好的局部甚至整體最優(yōu)解。同時(shí)要看到無(wú)論TRANSYT還是SCOOT、以及NUTCS都立足于路口、控制區(qū)域建立交通模型,以獲得路口控制參數(shù),同樣隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和優(yōu)化理論的發(fā)展,建立立足整個(gè)路網(wǎng)的動(dòng)態(tài)交通分配模型和整體優(yōu)化模型并求解,達(dá)到對(duì)路口控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)整從而實(shí)現(xiàn)在整個(gè)城市范圍內(nèi)對(duì)交通流動(dòng)態(tài)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制是可行的。
(4)規(guī)整化:任何控制系統(tǒng)都是立足于一定的道路與交通條件下因而使用道路與疏導(dǎo)交通流的方法對(duì)控制系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生深刻的影響。在建立一個(gè)城市道路交通控制系統(tǒng)之前,必須對(duì)道路狀況及交通流狀況做出交通流疏導(dǎo)方案和道路使用方案,制定出交通規(guī)則,使得道路交通更加規(guī)整。
(5)通用化與模塊化:鑒于 SCAT控制方式受硬件及匯編語(yǔ)言編制的限制,只能在 PDPll系統(tǒng)計(jì)算機(jī)上實(shí)施,而 SCOOT, UNTCS都使用高級(jí)語(yǔ)言編程,便于推廣使用,特別是 UNTCS在軟件編制上全部模塊化,更有利于開(kāi)發(fā)研制和進(jìn)一步完善??刂葡到y(tǒng)在研制中應(yīng)立足通用化和模塊化,以有利推廣和完善。
3.3無(wú)電纜協(xié)調(diào)控制機(jī)
無(wú)電纜協(xié)調(diào)控制機(jī)的整體示意圖如下,其中10ms脈沖發(fā)生器、時(shí)鐘芯片和LED的電路是本次實(shí)驗(yàn)要完成的部分。
圖3-3-1 無(wú)電纜協(xié)調(diào)控制機(jī)的系統(tǒng)框圖
本系統(tǒng)是通過(guò)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)各個(gè)交通路口信號(hào)燈的時(shí)鐘始終保持同步,利用開(kāi)關(guān)可以同時(shí)控制各個(gè)信號(hào)機(jī)同步實(shí)現(xiàn)功能。因?yàn)椋鱾€(gè)信號(hào)燈本身都有自身的晶振,但是,經(jīng)過(guò)一定時(shí)間,各個(gè)信號(hào)燈的晶振會(huì)發(fā)生偏差,這就造成了各信號(hào)機(jī)之間時(shí)間的不同步,例如,某個(gè)信號(hào)正進(jìn)行黃閃,而其它的信號(hào)機(jī)還是綠或紅,這就造成了交通的堵塞。
10ms脈沖是作為整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)基,為單片機(jī)提供計(jì)數(shù)脈沖,時(shí)鐘芯片為信號(hào)燈顯示時(shí)間,LED顯示時(shí)刻。
利用市電的50HZ工頻,為各個(gè)信號(hào)機(jī)提供時(shí)基信號(hào),保持各個(gè)信號(hào)機(jī)的輸入時(shí)基相同。50HZ工頻通過(guò)電壓比較器產(chǎn)生50HZ的方波輸出,50HZ的方波作為2倍頻器的輸入,2倍頻器輸出100HZ,即10ms脈沖,再經(jīng)過(guò)整形電路形成波形較好的時(shí)基信號(hào)。時(shí)鐘芯片是各個(gè)信號(hào)機(jī)的時(shí)鐘顯示,與單片機(jī)相連,單片機(jī)的時(shí)基就是100HZ,即10ms脈沖信號(hào)。單片機(jī)接收到時(shí)基信號(hào),并定時(shí)的對(duì)各個(gè)時(shí)鐘進(jìn)行監(jiān)測(cè),當(dāng)發(fā)先時(shí)鐘不同步時(shí),對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行修正,達(dá)到各個(gè)時(shí)鐘始終保持同步。下面就是10ms脈沖與單片機(jī),時(shí)鐘芯片與單片機(jī)相連接的電路圖
圖3-3-2 時(shí)鐘芯片接口圖
圖3-3-3LED數(shù)碼管接口圖
第四章 10ms時(shí)鐘脈沖發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)
本課題要求的一個(gè)最主要的部分就是10ms同步脈沖發(fā)生器,10ms脈沖很容易實(shí)現(xiàn),可以采取精振來(lái)完成,但本次是要求采用市電網(wǎng)的50HZ市電的同步脈沖。所以,我在閱讀了很多資料后制定了一個(gè)實(shí)現(xiàn)方案,就是選用比較器加倍頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)。
4.1電壓比較器
4.1.1電壓比較器設(shè)計(jì)概念
電壓比較器在電路結(jié)構(gòu)、點(diǎn)性能等方面與運(yùn)放基本相同,而其符號(hào)表示也與運(yùn)放完全一致,有同向和反向兩個(gè)輸入端,一個(gè)輸出端,開(kāi)環(huán)增益用A表示,電壓比較器的功能是比較兩個(gè)模擬信號(hào)的大小,并在輸出端得到高電平或低電平。理想的電壓比較器,其特點(diǎn)可表示為:當(dāng)V+大于V-,輸出高電平;而當(dāng)V-大于V+,輸出低電平。
實(shí)際上,電壓比較器的輸出端由低電平轉(zhuǎn)換到高電平,或從高電平轉(zhuǎn)換到低電平時(shí),需要一定的時(shí)間(決定電壓比較器的瞬態(tài)響應(yīng)),其次由于電壓比較器的增益是有限的,并且存在失調(diào)電壓,因此它的輸入端將出現(xiàn)不確定電壓,該不確定電壓將直接影響比較器的靈敏度(對(duì)輸入電壓判定的靈敏度)。對(duì)于高性能的電壓比較器來(lái)說(shuō),應(yīng)具有高的開(kāi)環(huán)增益A、低的失調(diào)電壓和高的壓擺率。顯然,一般的運(yùn)算放大器如果工作在開(kāi)環(huán)狀態(tài),也可以作為電壓比較器之用。但在運(yùn)放電路設(shè)計(jì)時(shí),著重考慮其輸出與輸入之間的先行傳輸特性以及頻率補(bǔ)償?shù)姆€(wěn)定性。因此,運(yùn)放的響應(yīng)時(shí)間和延遲時(shí)間往往不是很大,開(kāi)環(huán)增益也不是很高。若需要高速度或靈敏度的電壓比較器,采用運(yùn)放來(lái)代替電壓比較器,在要求比較高的設(shè)計(jì)中通常是不合適的,而需要根據(jù)具體的要求設(shè)計(jì)電壓比較器。在設(shè)計(jì)電壓比較器時(shí),其直流特性的設(shè)計(jì)原則基本上與運(yùn)放電路一致,而頻率特性的設(shè)計(jì)與運(yùn)放電路不同,通常電壓比較器在開(kāi)環(huán)條件下工作,因此在電路內(nèi)部不需要考慮放大閉環(huán)穩(wěn)定工作的頻率補(bǔ)償。
4.1.2基本的電壓比較器設(shè)計(jì)和性能指標(biāo)
電壓比較器是一種常見(jiàn)的信號(hào)幅度處理電路,輸入一個(gè)模擬量電壓信號(hào)與門限電壓比較,在兩者幅度相等附近,比較器輸出的邏輯電平就發(fā)生轉(zhuǎn)換。通常用專用集成電壓比較器(如LM311等)來(lái)組成,也可以用通用運(yùn)算放大器組成。
(1)單限比較器 它只是一個(gè)門限電壓,如圖4-1所示:
圖4-1 單限比較器
圖中R1。R2成對(duì)出現(xiàn)是分別代表信號(hào)源和門限電壓內(nèi)阻,應(yīng)用中使它們相等,以便減小輸入偏置電流及其漂移的影響,R0是限流電阻,穩(wěn)壓管DW是為了輸出箝位。當(dāng)門限電壓與信號(hào)電壓加入的位置不同時(shí),可得圖4-1中(a)、(c)兩種結(jié)果。當(dāng)VR加在同相輸入端,Vi加在反相輸入端時(shí)得到圖4-1(b)傳輸特性,其輸出VOmax與VOmin分別為
Vo =﹛ Vomax=Vz(ViU1 時(shí),運(yùn)放A1 輸出高電平;當(dāng)Ui U2,則當(dāng)輸入電壓Ui 越出[U2,U1]區(qū)間范圍時(shí),LED 點(diǎn)亮,這便是一個(gè)電壓。
若選擇U2 > U1,則當(dāng)輸入電壓在[U2,U1]區(qū)間范圍時(shí),LED 點(diǎn)亮,這是一個(gè)“窗口”電壓指示器。此電路與各類傳感器配合使用,稍加變通,便可用于各種物理量的雙限檢測(cè)、短路、斷路報(bào)警等。
__
圖4-7 比較器
根據(jù)對(duì)芯片LM324的了解,我設(shè)計(jì)了下面的電壓比較器,在輸入端接入通220—5v的變壓器的市電。第一次的設(shè)計(jì)圖
圖4-8 電壓比較器
但是,沒(méi)有波形輸出,考慮是不是因?yàn)樯侠娮璧闹颠^(guò)大,但是直到把上拉電阻的值調(diào)到0,還是沒(méi)有波形出現(xiàn)。
所以,采用負(fù)反饋電路,如下圖,終于解決問(wèn)題。
圖4-9 改進(jìn)型電壓比較器
采用10K電阻對(duì)電路進(jìn)行負(fù)反饋,采用背靠背二級(jí)管對(duì)波形進(jìn)行整流,產(chǎn)生波形如下
圖4-10 電壓比較器波形
但是,圖象中出現(xiàn)了負(fù)向的波形,經(jīng)過(guò)反復(fù)的實(shí)驗(yàn),最后決定采用兩個(gè)反向器對(duì)波形進(jìn)行整形。電路圖如下
圖4-11 最終設(shè)計(jì)電壓比較器
產(chǎn)生的波形如下圖,產(chǎn)生出很好的正向方撥波
圖4-12 電壓比較器波形
4.1.4小節(jié)
在做這個(gè)電壓比較器時(shí),剛開(kāi)始的時(shí)候,產(chǎn)生的波形的峰峰值很小,怎么調(diào)試也沒(méi)有改變,剛開(kāi)始以為是電壓的問(wèn)題,所以才用雙電源供電,而且把電源電壓調(diào)到10v,但是結(jié)果基本上沒(méi)有改變。再調(diào)整上拉電阻值,可是直到調(diào)到0可是還是沒(méi)有明顯的改觀,最后加入負(fù)反饋電路,終于解決了這個(gè)問(wèn)題。
4.2倍頻器
4.2.1倍頻器的原理及其特點(diǎn)
所謂倍頻器是指能完成輸入信號(hào)頻率倍增功能的電子設(shè)備。原則上,各種非線性器件都能實(shí)現(xiàn)倍頻,利用半導(dǎo)體器件的非線性實(shí)現(xiàn)的倍頻,即為固態(tài)倍頻器。當(dāng)用一個(gè)正弦信號(hào)激勵(lì)非線性器件時(shí),便會(huì)在基頻的諧波頻率上產(chǎn)生功率。倍頻電路的作用就是有效提取其中所需要的諧波信號(hào),而將其基頻和不需的諧波加以抑制。為了在所要求的頻率上獲得最大功率,必須滿足兩個(gè)條件:其一是非線性展開(kāi)式中必須包含有產(chǎn)生它所需的適當(dāng)分量,也就是應(yīng)適當(dāng)選擇所用器件和偏置電路。其二是所選電路必須保證使不需要的諧波分量功率最小,并保證任何器件電路相互作用都能把寄生元件的影響減至最小。
倍頻器具有以下特點(diǎn):
(1)能夠降低電子設(shè)備的主振頻率。這對(duì)于那些工作頻率較高而對(duì)穩(wěn)定性要求又較嚴(yán)格的通信機(jī)和高頻設(shè)備極為重要。因?yàn)榫w頻率越高,相對(duì)頻率穩(wěn)定度就越低。為了解決固態(tài)發(fā)信機(jī)中高的穩(wěn)定度和高的輸出頻率之間的矛盾,常在主振級(jí)和輸出級(jí)間采用多次倍頻的技術(shù)。
(2)擴(kuò)展工作頻段。在電子對(duì)抗中需要寬頻帶的干擾和反干擾收、發(fā)設(shè)備,若用一個(gè)振蕩器難以使它覆蓋一個(gè)倍頻程的頻段,而采用倍頻方式卻能做到一個(gè)或多個(gè)倍頻程的工作頻帶。因此在電子戰(zhàn)中倍頻成為很重要的一種技術(shù)手段。許多通信設(shè)備在主振器工作波段不擴(kuò)展的條件下,利用倍頻器亦易于擴(kuò)展發(fā)射機(jī)輸出級(jí)的工作波段。
(3)對(duì)于調(diào)相或調(diào)頻發(fā)射機(jī),利用倍頻器可以加深調(diào)制度,以獲得大的相移或頻移。
(4)由于倍頻器容易產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)的各次諧波頻率,所以倍頻器成為頻率合成器中不可缺少的一部分。利用倍頻,可以制成毫米波、亞毫米波固態(tài)源,它們?cè)谏潆娞煳膶W(xué)、等離子診斷學(xué)、光譜學(xué),毫米波通信、雷達(dá)、軍事偵察、監(jiān)視、制導(dǎo)等方面得到廣泛的應(yīng)用。
4.2.2倍頻器的分類
一 、倍頻器按其倍頻次數(shù)的高低可分為兩類:
(1)低次倍頻器。單級(jí)倍頻次數(shù)通常不超過(guò)5。這類倍頻是通過(guò)電容呈非線性變化的功率變?nèi)莨艿淖饔没蚓w三極管C類放大的非線性阻抗實(shí)現(xiàn)的。它的倍頻效率較高,輸出功率較大。但是隨著倍頻次數(shù)增加,倍頻效率和輸出功率將迅速降低。如需高次倍頻,必須做成多級(jí)倍頻鏈,使其中每一單級(jí)仍為低次倍頻。
(2)高次倍頻器。單級(jí)倍頻次數(shù)可達(dá)10-20以上。倍頻器件采用階躍管。在高次倍頻時(shí),其倍頻效率約為l/n, n為倍頻次 數(shù) 。 因?yàn)楸额l次數(shù) 高, 故可由幾十兆赫的石英晶體振蕩器一級(jí)倍頻至微波,得到很穩(wěn)定的頻率輸出。這種倍頻器輸出功率較小,通常在幾瓦以下,但利用階躍管進(jìn)行低次倍頻時(shí),輸出功率在L波段可達(dá)15W以上。無(wú)論是低次或高次倍頻器,從電路結(jié)構(gòu)形式看,有集總參數(shù)與分布參數(shù)或半集總半分布參數(shù)的型式。集總參數(shù)型一般工作在低頻或高頻。分布參數(shù)型工作在微波或毫米波段。
二、 倍頻器按其工作原理又可分為兩大類
(1)非線性電阻倍頻。這類倍頻器是利用雙結(jié)型晶體管、場(chǎng)效應(yīng)晶體管或二極管的非線性電阻效應(yīng)把大幅度正弦波變成電流脈沖,再用選頻回路將所需要的諧波選出,以完成倍頻作用。
(2)非線性電抗倍頻,亦稱為“參量倍頻”。其一是利用PN結(jié)(或金屬一半導(dǎo)體結(jié))電容的非線性變化得到輸入信號(hào)的諧波,經(jīng)濾波器選出需要的頻率.變?nèi)荻O管倍頻器、階躍二極管倍頻器以及利用集電極非線性效應(yīng)做成的三極管倍頻器都是非線性電容構(gòu)成的倍頻器;其二是利用非線性電感構(gòu)成的倍頻器。例如利用雪崩二極管雪崩渡越效應(yīng)引起的非線性電感實(shí)現(xiàn)的倍頻。
4.2.3倍頻方案的選擇
在傳統(tǒng)的微波倍頻源的應(yīng)用中,倍頻器一般采用經(jīng)典的非線性電抗微波器件:變?nèi)荻O管倍頻器或者階躍二極管倍頻器等無(wú)源電路。其中變?nèi)荻O管倍頻器是利用了變?nèi)莨艿姆蔷€性電容特性實(shí)現(xiàn)倍頻,而階躍二極管倍頻器是利用階躍管的電子躍遷效應(yīng)產(chǎn)生的電流脈沖實(shí)現(xiàn)倍頻。盡管兩種二極管非線性產(chǎn)生的機(jī)理以及設(shè)計(jì)方法各不相同,但是從能量轉(zhuǎn)換的角度看,它們的共同點(diǎn)是倍頻器件本身不產(chǎn)生額外能量(無(wú)源的),僅僅是把輸入信號(hào)能量的一部分轉(zhuǎn)化成所需頻率的信號(hào)能量輸出,因此其倍頻效率是較低的,存在著較大的倍頻損耗,并且其需要較高的輸入功率電平。
然而 ,1981年人們將低頻電路中晶體管倍頻器的設(shè)計(jì)思想應(yīng)用于微波電路中,設(shè)計(jì)出了世界上第一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管有源倍頻器,即采用有源微波晶體場(chǎng)效應(yīng)管的非線性跨導(dǎo)來(lái)實(shí)現(xiàn)倍頻。由于場(chǎng)效應(yīng)晶體管在利用非線性跨導(dǎo)實(shí)現(xiàn)倍頻的同時(shí),把一部分直流能量轉(zhuǎn)化成信號(hào)能量輸出,從而提高了倍頻效率。與無(wú)源倍頻器相比,其優(yōu)點(diǎn)是不需要空閑電路,輸入功率要求較低,倍頻損耗比較小,倍頻效率較高,工作頻段較寬,溫度穩(wěn)定性好,可以產(chǎn)生倍頻增益,并且對(duì)于最佳轉(zhuǎn)換增益,場(chǎng)效應(yīng)晶體管有緣倍頻器所需求的輸入功率要低于變?nèi)莨鼙额l器
目前國(guó)內(nèi)的應(yīng)用中,人們一般只有在頻率較低、倍頻次數(shù)不是很高的場(chǎng)合中,才會(huì)常采用微波晶體管有源倍頻來(lái)實(shí)現(xiàn),而在頻率較高時(shí)往往采用變?nèi)荻O管或是階躍二極管等無(wú)源電路。然而,隨著固態(tài)器件與電路的發(fā)展,出現(xiàn)了截止頻率很高(幾十到幾百個(gè)GHz)的微波晶體場(chǎng)效應(yīng)管、高電子遷移率晶體管(HEMT)以及異質(zhì)結(jié)
雙極晶體管(HBT)等等的新型器件,使得其應(yīng)用范圍也從微波向毫米波、亞毫米
波頻段在不斷發(fā)展。事實(shí)上,有源倍頻電路在體積、倍頻效率、功率損耗等方面比無(wú)源倍頻電路具有很大的優(yōu)勢(shì),這也就使得其更加適合于現(xiàn)代小型的超高速集成電路(VH SIC)和微波單片集成電路(MMIC)的發(fā)展趨勢(shì)。
4.2.4倍頻器的設(shè)計(jì)
在數(shù)字電路中,我們?cè)?jīng)學(xué)習(xí)過(guò)555芯片的基本電路和設(shè)計(jì)功能,所以在開(kāi)始的時(shí)候我準(zhǔn)備用555芯片來(lái)完成倍頻器的設(shè)計(jì)。555組要有雙級(jí)型和COMS型的,而兩者也存在著很多的不同。
雙極型555和COMS型555的共同特點(diǎn):
(1) 二者的功能大體相同,外形和管角排列一致,在大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合可直接替換。
(2) 都使用單一電源,適應(yīng)電壓范圍大,可與TTL、HTL、COMS型數(shù)字邏輯電路等共用電源。
(3) 555的輸出為全電源電平,可與TTL、HTL、COMS型等電路直接接口。
(4) 電源電壓變化對(duì)震蕩頻率和定時(shí)精度的影響小。對(duì)定時(shí)精度的影響僅為0.05%/V,而且溫度穩(wěn)定性好,溫度飄溢不高于50ppm/C(即0.005%/C)。
雙極型555與COMS型555的差異:
(1) COMS型555的功耗僅為雙極型的幾十分之一,靜態(tài)電流僅為300uA左右,為微功耗電路。
(2) COMS型555的電源電壓可低至2—3V;各輸入功能端均為pA量級(jí)。
(3) COMS型555的輸出脈沖的上升沿和下降沿比雙極型的要陡,轉(zhuǎn)換時(shí)間短。
(4) COMS型555在傳輸過(guò)度時(shí)間里產(chǎn)生的尖峰電流小,僅為2—3mA;而雙極型555的尖峰電流高達(dá)300—400mA。
(5) COMS型555的輸入阻抗比雙極型的要高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)。
(6) COMS型555的驅(qū)動(dòng)能力差,輸出電流僅為1—3mA,而雙極型的輸出驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)200mA。
通過(guò)上面對(duì)兩種型號(hào)的555的比較,可以看出,在要求定時(shí)長(zhǎng)、功耗小、負(fù)載輕的場(chǎng)合,適合選用COMS型的555。而在負(fù)載重、要求驅(qū)動(dòng)電流大、電壓高的場(chǎng)合,適合選用雙極型的555。此外,由于雙極型的沖擊峰值電流大,在電路中應(yīng)加電源濾波電容,且容量要大。雙極型555的輸入阻抗遠(yuǎn)比COMS型的輸入阻抗低,一般要在555的電壓控制功能端加一去耦電容(0.01---0 .1uF),而COMS型的555可不加。COMS型555的輸入阻抗很大,很適合做長(zhǎng)延時(shí)電路,RC時(shí)間常數(shù)一般很大。
關(guān)于驅(qū)動(dòng)能力,雙極型555可直接驅(qū)動(dòng)低電阻負(fù)載,如感性的繼電器、小電動(dòng)機(jī)和揚(yáng)聲器等。COMS型555只可直接驅(qū)動(dòng)高阻抗負(fù)載。若驅(qū)動(dòng)大的負(fù)載,可在輸出端加接小功率放大晶體管來(lái)彌補(bǔ)。
555時(shí)基集成塊是在殼體內(nèi)含有兩個(gè)單一時(shí)基單元,相當(dāng)于兩個(gè)555,但二者相互獨(dú)立,只是共用電源和公共地。下圖給出了雙極型時(shí)基電路SE555和NE555的電性能參數(shù)
COMS型555是在雙極型555基礎(chǔ)上采用COMS工藝制作的。為與雙極型555相區(qū)別,在555前面加7,即7555,7556,表示是以COMS工藝制作的,下圖給出了555/7555兩種電路使用的極限參數(shù)
在可靠處發(fā)下,出發(fā)脈沖所要求的最低電壓與出發(fā)脈寬的關(guān)系曲線。列出了所使用的電源電壓與電源電流的關(guān)系。列出了傳輸延時(shí)與觸發(fā)脈沖電平的關(guān)系。適當(dāng)降低出發(fā)脈沖的電平,對(duì)555內(nèi)部的傳輸延遲有一定好處,這對(duì)于高速數(shù)字傳輸?shù)倪\(yùn)行是有利的。
根據(jù)上面的介紹和討論,已經(jīng)對(duì)555的性能和指標(biāo)有了很深入的了解和研究,所以,設(shè)計(jì)了下面的倍頻器電路
圖4-13 555倍頻器電路
按找上面的電路設(shè)計(jì),輸入和輸出波形的理想狀態(tài)如下圖:
圖4-13波形圖
但是,實(shí)際的硬件輸出卻沒(méi)有這種波形,經(jīng)過(guò)測(cè)量和調(diào)試發(fā)現(xiàn),用555設(shè)計(jì)的電路的頻率范圍為500---5000HZ,而本次的頻率是市電的50HZ,超過(guò)了最低的頻率范圍,所以電路不能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的效果。要想把頻率拉下來(lái),對(duì)電路進(jìn)行了改進(jìn),不用555芯片,而是采用74系列的觸發(fā)器芯片。下
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