基于CMOS模擬多路開關(guān)MAX309實現(xiàn)交通信號機(jī)轉(zhuǎn)接器電路設(shè)計

交通信號機(jī)是交通控制的實驗設(shè)備，對全面掌握交通控制的基礎(chǔ)理論，培養(yǎng)操作能力具有重要意義。在現(xiàn)有的實驗室信號機(jī)共有四臺，分別獨(dú)立工作，而倒計時牌只能顯示某一臺信號機(jī)的倒計時時間。如果要顯示其他信號機(jī)的倒計時信息，必須將其控制線路拆開再與需要顯示的信號機(jī)連接，使用很不方便，而且較易因連接不可靠等問題而發(fā)生錯誤。

本文設(shè)計的交通信號機(jī)倒計時信號轉(zhuǎn)接器，可以通過按鍵方便地切換與倒計時牌相連的信號機(jī)，從而實現(xiàn)多臺信號機(jī)分時共享同一個倒計時牌的目的。該信號轉(zhuǎn)接器的使用簡化了試驗過程，提高了試驗效率，實現(xiàn)了對實驗室現(xiàn)有設(shè)備的升級改造，具有一定的實用價值。

1交通信號機(jī)轉(zhuǎn)接器的工作原理

1.1交通信號機(jī)實驗系統(tǒng)簡介

交通信號機(jī)是進(jìn)行交通信號控制實驗的儀器|儀表，每一臺信號機(jī)都能完成一個交叉口的信號控制實驗。在智能交通信號控制中，除了單個交叉口交通信號的點(diǎn)控方式外，還有可以將干線上一批相鄰的交叉口聯(lián)合協(xié)調(diào)控制以此來明顯地減少延誤的線控方式，以及把城區(qū)內(nèi)的全部交通信號的監(jiān)控作為指揮控制中心管理下的一套整體的面控方式，而其中又可以分解為線控和點(diǎn)控方式。因此在進(jìn)行交通控制的實驗時，將四個信號機(jī)組合在一起形成一個簡單的面控模式，從而達(dá)到對交通信號控制模擬的目的，如圖1所示。然而，作為交通信號控制模擬結(jié)果的表現(xiàn)形式之一的倒計時信號燈只有一組，在某一時刻只能顯示一臺信號機(jī)中的倒計時，而且只能將倒計時燈的信號連線重新連接才能顯示另一臺信號機(jī)的倒計時時間，給實驗造成很大麻煩。如果設(shè)計一種轉(zhuǎn)接器裝置使其能按照需要控制倒計時燈顯示，則可以解決這個問題。

1.2 信號傳輸原理

根據(jù)交通信號機(jī)的使用說明，倒計時信號的傳輸遵循RS-485串口協(xié)議。該串行通信協(xié)議定義了串行通信協(xié)議中傳輸?shù)男畔?nèi)容及使用格式。其中包括：主機(jī)輪詢（或廣播）格式、主機(jī)的編碼方法，內(nèi)容包括：要求動作的功能代碼、傳輸數(shù)據(jù)和錯誤檢驗等;從機(jī)的響應(yīng)也是采用相同的格式和方法，內(nèi)容包括：動作確認(rèn)、返回數(shù)據(jù)和錯誤檢驗等。當(dāng)從機(jī)在接收信息時發(fā)生錯誤，或不能完成主機(jī)要求動作時，將組織一個故障信息作為響應(yīng)反饋給主機(jī)。

RS-485采用兩根信號線，這兩根信號線都傳遞幾乎相同大小的反向電流，因為大多數(shù)的噪聲電壓在兩條導(dǎo)線上或多或少同時出現(xiàn)，這就減少了接收到的噪聲。

1.3 信號轉(zhuǎn)接器的工作原理

在信號傳輸過程中，RS-485采用平衡傳輸模式，能夠在較低誤碼率下進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸且性能可靠。要形成一個有效的輸出，兩條傳輸線A、B之間的壓差大于1.5V即可。而在RS-485的接收器端，兩傳輸線A、B的輸入差異只需要0.2V，即如果A至少比B高0.2V，則接收器即認(rèn)為它是邏輯“1”;如果B至少比A高出0.2V，則接收器即認(rèn)為它為邏輯“0”;如果A、B之間的壓差小于0.2V，則這個邏輯電平屬于沒有定義，接收器收到這個電壓將要發(fā)出一個錯誤代碼。

由于交通信號機(jī)倒計時信號的傳輸符合RS-485協(xié)議，每個信號機(jī)用兩根信號線來傳輸?shù)褂嫊r信息，所以轉(zhuǎn)換器要將多臺信號機(jī)的倒計時傳輸線按照要求有選擇地和倒計時牌的傳輸線進(jìn)行連接，以此來顯示指定信號機(jī)的倒計時信息。

在現(xiàn)有的實驗室中，共有四臺信號機(jī)，按照設(shè)計功能要求，信號轉(zhuǎn)接器通過按鍵的處理來選擇信號機(jī)，將相應(yīng)信號機(jī)輸出的倒計時信號和倒計時燈的接收線連接起來。交通信號機(jī)倒計時信號轉(zhuǎn)換器原理圖如圖2所示。

2 轉(zhuǎn)接器的設(shè)計

在轉(zhuǎn)接器的設(shè)計中，利用多路選擇器芯片來實現(xiàn)轉(zhuǎn)接，這就要考慮所傳輸信號的特征。交通信號機(jī)的倒計時信號要遵循RS-485協(xié)議、接收器的輸入電阻RIN≥12kΩ、驅(qū)動器能輸出±7V的共模電壓，同時輸入端的電容≤50pF，選取多路選擇模擬開關(guān)MAX309。為了操作方便，選用四個按鈕控制轉(zhuǎn)接器，同時需要有對按鍵去抖動的處理電路以及連接開關(guān)按鈕與多路選擇器開關(guān)的邏輯電路。因此，設(shè)計的轉(zhuǎn)接器主要由多路選擇器開關(guān)、按鍵處理電路、邏輯電路以及電源|穩(wěn)壓器模塊幾個部分組成。

2.1核心器件MAX309

MAX309是MAXIM公司的一種精密、雙四通道的高性能CMOS模擬多路開關(guān)，通過兩位邏輯選擇雙四通道的開關(guān)，±15V雙電源供電，可以滿足RS-485輸出±7V共模電壓的電平要求;它的接通電阻為100Ω，漏電流1nA，導(dǎo)通速率0.225μs，并采用ESD保護(hù)，因此它是一種低功耗四路RS-422/RS-485接收器。MAX309邏輯示意圖如圖3所示。

2.2 信號機(jī)轉(zhuǎn)接器電路設(shè)計

模擬多路開關(guān)是利用兩位邏輯來控制的，而四個信號機(jī)需要四個按鍵來控制，這樣連接四個按鍵和兩位邏輯之間需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。信號機(jī)轉(zhuǎn)接器的電路如圖4所示，由按鍵、邏輯電路和MAX309組成。

（1）按鍵處理電路

由于電路中沒有控制芯片，因此按鍵只能采用硬件去抖動方法處理。按鍵處理電路如圖5所示。

（2）邏輯轉(zhuǎn)換和提示燈設(shè)計

將控制四個信號機(jī)的按鍵信號通過邏輯電路變換，用以控制多路選擇模擬開關(guān)MAX309，利用一個74LS148來實現(xiàn)4-2編碼的功能，同時將空置的管腳接地。

為了能夠明確地指示倒計時燈顯示的是哪一個信號機(jī)，在設(shè)計時增加了提示燈，即當(dāng)按鍵按下時，對應(yīng)的表征信號機(jī)的燈點(diǎn)亮，起到提示作用。由于按鍵是按鈕式的，而要使二極管點(diǎn)亮需要持續(xù)的高電平，因此利用鎖存器74LS377來實現(xiàn)。74LS377的使能信號是利用邏輯器件74121產(chǎn)生的，當(dāng)有按鍵按下時，就會輸出一個脈沖作為74LS377的使能信號。按鍵編碼邏輯電路如圖6所示。

（3）轉(zhuǎn)換器的電路實現(xiàn)

如圖4所示，四個信號機(jī)中每個信號機(jī)都有兩根傳輸?shù)褂嫊r信息的數(shù)據(jù)線，分別為M1A、M1B，M2A、M2B，M3A、M3B，M4A、M4B。每一組分別接在雙四選擇器MAX309的兩端。倒計時牌也有兩根數(shù)據(jù)線MA、MB，同樣與雙四選擇器MAX309兩端相接。

本電路設(shè)置了四個按鍵用來對應(yīng)四臺信號機(jī)，如按鈕1代表信號機(jī)1的按鍵開關(guān)，以此類推。四個按鍵的輸出與雙四輸入與非門的四個接口相連，輸出一個脈沖信號KeyALL接到單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，通過單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器對脈沖信號的作用后，輸出的信號PULSE接到D觸發(fā)器，作為一個時鐘信號，同時，四個按鍵的四根信號線也接到D觸發(fā)器的輸入端。從D觸發(fā)器輸出的四個信號再接到編碼器的四個輸入端，輸出二進(jìn)制編碼。

本文介紹了交通信號機(jī)轉(zhuǎn)接器的設(shè)計，該轉(zhuǎn)換器具有對倒計時燈實現(xiàn)自動轉(zhuǎn)接的功能，而且結(jié)構(gòu)簡單可靠、性能穩(wěn)定、便于操作、費(fèi)用低，完全可以滿足設(shè)計要求，已經(jīng)在實驗室中應(yīng)用，效果良好。同時，它具有一定的可擴(kuò)展性，便于進(jìn)一步的功能開發(fā)，可應(yīng)用于多種串口數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備的信號切換，具有一定的應(yīng)用前景。

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