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(hào)燈控制配時(shí)方案的實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置，用于交通工程專(zhuān)業(yè)相關(guān)課程的教學(xué)，為學(xué)生展示信號(hào)機(jī)的工作原理，在此基礎(chǔ)上，學(xué)生可通過(guò)程序的編寫(xiě)，模擬多種需求下的信號(hào)燈配時(shí)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(hào)控制設(shè)備的研發(fā)和實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，但是之前的實(shí)驗(yàn)裝置只是信號(hào)機(jī)外載的一種簡(jiǎn)單的展示工具，用戶(hù)既不能現(xiàn)場(chǎng)對(duì)實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行編程控制，更換配時(shí)方案，而且存在著體積巨大、模擬情況單一、硬件復(fù)雜、可擴(kuò)展性低、系統(tǒng)集成度低等問(wèn)題，這既給交通信號(hào)實(shí)驗(yàn)箱的組裝、系統(tǒng)升級(jí)帶來(lái)麻煩，增加了成本，也不能直觀的對(duì)學(xué)生展示信號(hào)機(jī)的工作原理，更不能針對(duì)不同的需求，更換配時(shí)方案，因此教學(xué)效果不是很理想。由此可見(jiàn)，針對(duì)課堂教學(xué)實(shí)驗(yàn)需求，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)專(zhuān)用的交通信號(hào)控制實(shí)驗(yàn)設(shè)備是有必要的。

而現(xiàn)有技術(shù)中，涉及實(shí)驗(yàn)箱用做信號(hào)機(jī)的有本申請(qǐng)人早期申請(qǐng)的專(zhuān)利CN201410354935.X，但其只有簡(jiǎn)單的信號(hào)燈燈組和路口渠化標(biāo)志，線(xiàn)圈檢測(cè)器在外部，只有外接信號(hào)機(jī)和饋線(xiàn)、線(xiàn)圈檢測(cè)器，才會(huì)模擬車(chē)輛通過(guò)的信號(hào)，需要通過(guò)外接信號(hào)機(jī)或安裝模擬軟件，來(lái)展示封裝好的信號(hào)機(jī)的控制方案，此實(shí)驗(yàn)箱只是一種便攜式的信號(hào)機(jī)工作的展示裝置。

為解決現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)箱只能用做信號(hào)機(jī)的展示裝置、教學(xué)效果差、價(jià)格昂貴、使用者不能隨意改變控制方案的問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種在課堂上能夠?yàn)閷W(xué)生演示信號(hào)機(jī)的工作原理，以及根據(jù)需求更換配時(shí)方案的可編程、便攜式交通信號(hào)控制實(shí)驗(yàn)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(jiǎn)化了復(fù)雜的底層控制操作，比傳統(tǒng)的工控機(jī)和外圍接口芯片集成度更高，硬件成本降低，且可帶動(dòng)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(cè)器組合輸出，系統(tǒng)的擴(kuò)展性更加靈活；信號(hào)機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)接口和PC機(jī)相連，可以自由的在Linux環(huán)境下進(jìn)行程序的上傳、編譯、執(zhí)行，方便使用者開(kāi)發(fā)、在線(xiàn)修改控制程序；實(shí)驗(yàn)箱還可以和數(shù)據(jù)庫(kù)聯(lián)接，方便數(shù)據(jù)的調(diào)取和存儲(chǔ)，更換不同的配時(shí)方案，實(shí)驗(yàn)裝置的下面板可提供脈沖信號(hào)的輸入，搭載線(xiàn)圈檢測(cè)器燈板，可根據(jù)當(dāng)前車(chē)流量大小，系統(tǒng)自適應(yīng)控制。這些軟硬件特點(diǎn)能夠使本發(fā)明裝置可以提供單、多路口的不同配時(shí)方案模擬，本發(fā)明裝置集展示、控制于一體。既能滿(mǎn)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(mén)多種路口的信號(hào)配時(shí)控制模擬演示，具有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了實(shí)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(hào)控制演示箱，包括：箱體，用于放置燈板、連接線(xiàn)、電源、以太網(wǎng)線(xiàn)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(hào)燈和檢測(cè)器的接口；燈板組件，包括用于模擬交叉口路口信號(hào)控制的多種燈板，所述燈板為可拆卸的獨(dú)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(jì)時(shí)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(cè)器和信號(hào)燈，信號(hào)燈包括直行燈、左轉(zhuǎn)燈、行人燈，用于模擬路口的信號(hào)控制狀態(tài)；所述燈板還設(shè)置有信號(hào)燈、行人燈、檢測(cè)器接線(xiàn)口；各燈板背面通過(guò)磁鐵固定在箱體內(nèi)；下面板的檢測(cè)器接線(xiàn)口用于與燈板檢測(cè)器接口相連，當(dāng)運(yùn)行程序時(shí)，按下相應(yīng)序號(hào)的檢測(cè)器控制按鍵，指示燈組亮；箱體與數(shù)據(jù)庫(kù)軟件相連，用于調(diào)用儲(chǔ)存各時(shí)段交通流數(shù)據(jù)、配時(shí)字段以及多種信號(hào)燈的配時(shí)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(cè)器的組合輸出。

優(yōu)選地，還包括活動(dòng)燈板，其可與下面板連接，用于模擬路口信號(hào)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(hào)機(jī)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(xiàn)纜儲(chǔ)物盒、工具儲(chǔ)物盒。

優(yōu)選地，還包括單路口信號(hào)燈采用如下配時(shí)方案：第一個(gè)階段，先開(kāi)始全紅階段，2秒鐘過(guò)后，設(shè)定的一個(gè)相位開(kāi)始綠燈亮，并綠燈倒計(jì)時(shí)，其余相位紅燈，紅燈倒計(jì)時(shí)，當(dāng)綠燈變黃燈，其余相位更新紅燈時(shí)間，再有黃燈變紅，進(jìn)入第二個(gè)階段，循環(huán)。

優(yōu)選地，還包括箱體與數(shù)據(jù)庫(kù)軟件相連后，進(jìn)行如下感應(yīng)控制：首先判斷某一階段的運(yùn)行時(shí)間是否到達(dá)該階段的最小綠燈時(shí)間，如未到達(dá)繼續(xù)則繼續(xù)運(yùn)行，如到達(dá)，則判斷是否有車(chē)輛通行需求，如有需求，則給定擴(kuò)展步長(zhǎng)時(shí)間，繼續(xù)運(yùn)行該階段同時(shí)判斷延長(zhǎng)時(shí)間是否完成，如未完成繼續(xù)運(yùn)行，若完成則判斷是否到達(dá)最大綠燈時(shí)間，如達(dá)到最大綠燈時(shí)間，則進(jìn)入下一階段。

所述信號(hào)機(jī)系統(tǒng)采用ARM開(kāi)發(fā)，能夠簡(jiǎn)化外部軟件接口，編譯環(huán)境是在ARM上建立的一個(gè)嵌入式Linux系統(tǒng)，通過(guò)底層的驅(qū)動(dòng)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(hào)燈、檢測(cè)器及數(shù)碼管接口，用戶(hù)可以進(jìn)行程序的編寫(xiě)來(lái)滿(mǎn)足不同的配時(shí)需求，不僅只是一種信號(hào)機(jī)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(jì)，體積小、功能齊全、箱體內(nèi)存儲(chǔ)空間大，存放更多的燈板、線(xiàn)纜和工具。

（2）實(shí)驗(yàn)箱采用FPGA模塊，可搭載更多的燈組、檢測(cè)器，方便多路口的協(xié)調(diào)信號(hào)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(kāi)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(shí)，也使使用者操作起來(lái)更加方便，界面交互性更強(qiáng)，根據(jù)不同的使用需求，可自編譯控制方案。

（4）實(shí)驗(yàn)箱可以用以太網(wǎng)接口和外部電腦進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)操作，進(jìn)行文件的傳輸，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)聯(lián)動(dòng)演示。

（5）實(shí)驗(yàn)箱可連接數(shù)據(jù)庫(kù)軟件，靈活調(diào)取和存儲(chǔ)外部數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)全感應(yīng)信號(hào)控制、自適應(yīng)控制。

（6）實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果好，通過(guò)本發(fā)明專(zhuān)利，不僅能讓學(xué)生直觀的了解實(shí)際信號(hào)機(jī)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(hào)機(jī)的配時(shí)方案，能夠進(jìn)一步幫助學(xué)生了解信號(hào)機(jī)在交通管理中的運(yùn)用領(lǐng)域和信號(hào)控制的重要性。

附圖說(shuō)明

圖1是多功能交通信號(hào)控制實(shí)驗(yàn)箱正面示意圖。

圖2是單路口信號(hào)控制活動(dòng)燈板示意圖。

圖3是單路口固定配時(shí)控制流程圖。

圖4是實(shí)驗(yàn)箱與數(shù)據(jù)庫(kù)相連的感應(yīng)控制流程圖。

圖5是實(shí)驗(yàn)箱下面板示意圖。

圖6是實(shí)驗(yàn)箱外部接口示意圖。

具體實(shí)施方式

圖中：1、扣槽；2、手提式把手；3、檢測(cè)器；4、道路渠化箭頭；5、行人信號(hào)燈燈組；6、倒計(jì)時(shí)燈組；7、機(jī)動(dòng)車(chē)信號(hào)燈燈組；8、信號(hào)燈組與下面板連接口；9、檢測(cè)器與下面板連接口；10、燈板與下面板連接輔助接口；11、活動(dòng)燈板存儲(chǔ)袋；12、線(xiàn)纜儲(chǔ)物盒；13、工具儲(chǔ)物盒；14電源按鈕；15、檢測(cè)器工作指示燈；16、檢測(cè)器按鍵；17、預(yù)留鍵工作指示燈；18、預(yù)留鍵；19、信號(hào)燈工作指示燈；20、RS-232接口；21、RS-485接口；22、CAN總線(xiàn)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(chǔ)卡端口；29、電源插孔。

在燈板正面設(shè)置路口渠化和信號(hào)燈，包括左、直、右信號(hào)燈，行人燈。燈板面上設(shè)置有信號(hào)燈、檢測(cè)器接線(xiàn)口，該處接線(xiàn)口采用直插直拔型，既方便接線(xiàn)，又保證安全?；顒?dòng)燈板可吸附在箱體上，并通過(guò)輔助接口與下面板相連，可實(shí)現(xiàn)模擬路口信號(hào)控制狀態(tài)演示。

燈板上設(shè)置有檢測(cè)器接口，與實(shí)驗(yàn)箱下面板相連，當(dāng)連接數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)交通數(shù)據(jù)，通過(guò)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(shí)，客戶(hù)端可以實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)器上傳的交通信號(hào)數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)箱通過(guò)以太網(wǎng)接口或者USB接口，可以進(jìn)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(shí)現(xiàn)外部軟件和動(dòng)態(tài)燈組配時(shí)方案功能。

圖2中，路口渠化箭頭4、行人信號(hào)燈組5、倒計(jì)時(shí)燈6、機(jī)動(dòng)車(chē)左轉(zhuǎn)、直行、右轉(zhuǎn)信號(hào)燈組7，構(gòu)成路口的信號(hào)燈控制布局，用于主要的顯示功能。接線(xiàn)口7、8處進(jìn)行信號(hào)燈、檢測(cè)器的接入工作，其中接線(xiàn)口內(nèi)部具有電壓保護(hù)單元，用于保護(hù)使用者安全以及燈組使用的可靠性。

圖3中，單路口信號(hào)燈固定配時(shí)，分兩個(gè)階段，第一個(gè)階段，先開(kāi)始全紅階段，2秒鐘過(guò)后，設(shè)定的一個(gè)相位開(kāi)始綠燈亮，并綠燈倒計(jì)時(shí)，其余相位紅燈，紅燈倒計(jì)時(shí)，當(dāng)綠燈變黃燈，其余相位更新紅燈時(shí)間，再有黃燈變紅，進(jìn)入第二個(gè)階段，循環(huán)。燈板和信號(hào)箱可以模擬多種路口的信號(hào)控制方案。

如圖4所示，通過(guò)燈板和實(shí)驗(yàn)箱及數(shù)據(jù)庫(kù)連接實(shí)現(xiàn)感應(yīng)控制。數(shù)據(jù)庫(kù)中存放調(diào)度表、時(shí)間表、方案表。調(diào)度表用于確認(rèn)某一天使用一個(gè)特定的時(shí)間表；時(shí)間表用于確認(rèn)某一時(shí)段選用某種控制方案；方案表可以存放多種配時(shí)方案，如感應(yīng)配時(shí)的具體配時(shí)參數(shù)。感應(yīng)控制方案：首先判斷某一階段的運(yùn)行時(shí)間是否到達(dá)該階段的最小綠燈時(shí)間，如未到達(dá)繼續(xù)則繼續(xù)運(yùn)行，如到達(dá)，則判斷是否有車(chē)輛通行需求，如有需求，則給定擴(kuò)展步長(zhǎng)時(shí)間，繼續(xù)運(yùn)行該階段同時(shí)判斷延長(zhǎng)時(shí)間是否完成，如未完成繼續(xù)運(yùn)行，若完成則判斷是否到達(dá)最大綠燈時(shí)間，如達(dá)到最大綠燈時(shí)間，則進(jìn)入下一階段。

圖5中，燈板存放袋11、線(xiàn)纜儲(chǔ)物盒12、工具儲(chǔ)物盒13、可以收納實(shí)驗(yàn)用的燈板等設(shè)備；信號(hào)燈工作指示燈19、檢測(cè)器工作指示燈15，用于顯示對(duì)應(yīng)編號(hào)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(shí)驗(yàn)箱系統(tǒng)升級(jí)，刷機(jī)用；以太網(wǎng)口25上傳文件到實(shí)驗(yàn)箱、連接外部軟件；復(fù)位鍵23重啟實(shí)驗(yàn)箱。