摘要：针对交通信号控制机的恶劣工作环境，介绍了信号控制机所采用的一些有效的异常情况处理技术，并将信号检测、故障诊断、软硬件抗干扰、防雷等技术灵活运用到了交通信号控制机中，试验结果表明这些诊断与防护技术大大提高了信号控制机的可靠、可维护性、稳定性、抗干扰性、智能性（自诊断功能）和安全性。
关键词：交通信号控制机 故障诊断 抗干扰技术
交通信号控制机（以下简称信号机）是用来操纵路口信号灯使之按照一定规律变化的一种控制装置，是对城市交叉路口车辆进行指挥和疏异的控制系统的重要组成部分，对城市道路的畅通、城市交通的安全以及城市交通的管理都起着至关重要的作用。
但由于信号机安装在城市路口，工作环境恶劣，因而在实际工作运行中会受到各种各样的外界干扰，很容易出现机器故障，如信号灯故障、双向晶闸管故障、程序存储器故障以及绿信号冲突故障等。如果这些外界干扰和机器故障没有事先防范并得到诊断处理，信号机不但不能发挥其应有的控制作用，反而会诱发交通事故，引起交通堵塞，造成严重的后果。因此采取一些有效的借施，增强信号机的自诊断功能、抗干扰能力和防护能力，保证其可靠、稳定地运行，是提高交通信号控制机实用性所必须解决的问题。
经调查发现，我国大部分信号机生产企业在设计生产过程中，只注重信号机功能的实现，而对信号机的故障诊断技术、抗干扰技术以及其它防护技术考虑得较少，不能很好地满足信号机实际工作环境的要求，而且国内在如何提高信号机的稳定性、可靠性以及抗干扰性等方面的研究[1-2]甚少。因此，无论是从理论上还是从实际上来说，对信号机故障诊断与防护技术进行深入细致的研究都很有必要。
1 故障诊断技术
1.1 驱动部分的故障检测与诊断
由于信号机驱动部分是功率放大电路，容易损坏，从而引起信号机执行故障，因此需要设计与之匹配的检测电路，将驱动电路的工作状态及时反馈到信号控制器，实现故障检测与故障处理的自诊断功能。信号机驱动部分的主要故障为信号灯开路、双向晶闸管开路和双向晶闸管短路三种。由于排除信号灯故障所需的工作量较大，因此进行故障诊断蛙有必需品要将信号机灯故障与双向晶闸故障区分开来。采用电流检测技术检测信号灯回路电流，可以检测到双向晶闸闸管短路故障，但不能区分信号灯开路故障和双向晶闸管开路故障；采用电压检测技术检测信号灯两端电压，不能检测到信号灯开路故障；采用电压检测技术检测双向晶管两端电压，可以检测到双向晶闸管开路故障，但不能区分信号灯开路故障和双向晶闸管短路故障。因此要实现故障的有效诊断，必须结合使用电流检测技术与电压检测技术。实际采用的检测电路如图1所示。
图1
检测电路的工作原理为：当信号灯L与双向晶闸管BCR都正常时，假若输入信号A为高电平，BCR将关断，此时将形成L→BR1→R9→BR1→C3→R14→BR2→R12→R13→OPTO2→BR2的回路，输入信号B为高电平，输出信号C为低电夺；假若输入信号A为低电平，BCR将导通，此时将形成L→BR1→R9→OPTO1→R10）→BR1→BCR的回路，输出信号B为低电平，输出信号C为高电平。当信号灯L损坏时，此时无法形成电流回事，输出信号B与输出信号C恒为高电平。当信号灯L正常、双向晶闸管BCR开路时，此时将形成L→BR1→R9→BR1→C3→R14→BR2→R12→R13→OPTO2→BR2的回路，输出信号B恒为高电平，输出信号C恒为低电平。当信号灯L正常、双向晶闸管BCR短路时，此时将形成L→BR1→R9（R11→OPTO1→R10）→BR1→BCR的回路，输出信号B恒为低电平，输出信号C恒为高电平。
1.2 程序存储器（EPROM）的故障检测
由于EPROM中存放着信号机的控制程序，为了确保信号机开机后能正确可靠地工作，对EPROM进行开机自检至关重要，这样可以将一些信号机故障遏制在萌芽状态。EPROM故障检测常采用“校验和”的方法，具体做法为：将EPROM所有存储单元进行异或，判断异或结果是否为#OFFH，从而确定是否存在EPROM故障。在进行EPROM故障检测之前，必须根据实际的程序机器码和空余EPROM的存储值，在控制程序末尾添加合适的“校验字”，使得对EPROM所有存储单元进行异或的结果为#OFFH。理论上，这种方法不能发现同一位上的偶数个错误，但是这种错误出现的概率很小，一般可以不考虑。
1.3 绿信号冲突的故障检测与处理
由于工作环境恶劣、长期连续使用，信号机有可能会发生绿信号冲突（以下简称为绿冲突）的故障，而绿冲突一旦产生，将会给路口交通带来严重的后果，因此信号机必须具备绿冲突保护措施，保证信号机在检测到绿冲突信号机后立即动作，及时排除绿冲突故障。
根据产生的原因，绿冲突可分为暂时性绿冲突和性绿冲突两类。对于暂时性绿冲突，通常要求信号机在故障排队后能自动恢复到正常运行模式，以确保信号机的工作效率；对于性绿冲突，则要求信号机保持在降级运行模式，以减少故障对设备的损坏程度。通过在信号机输出部分和信号灯驱动部分分别增设信号检测电路[2]，利用绿灯控制向量、绿灯状态向量和事先定义好的绿冲突保护逻辑，实现了绿冲突故障的分类检测。针对绿冲突的故障类型，绿冲突的故障处理即绿冲的保护可分为重复性绿冲突保护和熔丝型绿冲突保护两种。在信号机绿灯信号输出和绿灯驱动部分之间插入绿冲突保护，通过阻塞绿信号灯驱动器的控制信号可以重复性绿冲突保护，在信号灯绿灯电源控制端插入绿冲突保护，通过切断绿信号灯驱动器的电源可以实现熔丝绿冲突保护。
2 防护技术
当信号机受到外界干扰时可能出现死机、程序乱飞、破坏系统参数甚至损坏机器的现象，如果信号机未采取行之有效的防护措施，将严重威胁到交叉路口的交通安全。
2.1 硬件抗干扰技术
采用硬件抗干扰技术[3]是主动抑制和切断噪声干扰的有效措施，主要采用的方法有：
（1） 接入电源滤波器
由于信号机的供电电源源于安装场所的用电网，这里通常存在着电压波动、高次谐波和脉冲干扰，因此必须在信号机电源输入端接入电源滤波器，以净化电源。电源滤波器滤波电容的大小与可能存在的干扰信号频率有关，电源滤波器的电流值由信号机的驱动负载功率决定。
（2） 合理设计印刷电路板
在信号机的印刷电路板设计过程中，除遵循印刷电路板设计的基本原则外，还有一些需要特别注意的地方。由于信号机采用多时段控制方式时，信号机选用的实时配时方案取决于系统时间，因此系统时钟的准确性对配时方案的合理性起着至关重要的作用。实际上，系统时钟的准备确不但与晶振的选取和时钟脉冲振荡电路息息相关，而且实时时钟芯片外接晶振在PCB板上的布置[4]也起着十分关键的作用。由于实时时钟芯片的振荡器输入端容易引入高频干扰，因此在PCB板上布置晶振时需要注意以下几点：晶振尽量靠近实时时钟芯片的振荡器输入端；减小晶振的焊盘大小；用环绕地线实现晶振与邻近干扰信号的隔离；实时时钟芯片远离任何产生电磁辐射的器件。因此还应尽量减少引线的长度，增加引线之间的距离，以减少寄生电容所带来的影响。
（3） 去耦电容器配置
对于抗干扰能力弱、关断时电流变化大的器件和ROM、RAM等存储器件，应在芯片的电源线和地线之间直接接入去耦电容；为减少大功率显示驱动芯片对电源波动的影响，应在尽量靠近大功率显示驱动芯片的电源端与公共场之间并联10μF的电解电容和0.1μF的陶瓷电容；为减少电磁感应干扰，大功率显示驱动芯片与数码显示器之间的信号线距离应尽量短。
（4） 光电隔离
由于光电耦合器的输出输入信号借助于光信号的传递，切断了输入电路与输出电路之间线的联系，因此光电耦合器具有较高的电气隔离和干扰抑制能力，能实现输入信号与输出信号的有效隔离。在信号机所有强电信号与弱电信号之间都采用光电隔离技术，可以达到有效抑制共模干扰和保护单片机隔离技术，可以达到有效抑制共摸干扰和保护单片机系统的目的。
图2
2.2 软件抗干扰技术
窜入系统的干扰的频谱往往很宽，采用硬件抗干扰技术通常只能抑制某些频段的干扰信号，因此除采用硬件抗干扰技术外，还需要进一步借助软件抗干扰技术[3]来提高系统的可靠性。信号机采用的软件抗干扰技术主要有：
（1） 软件冗余技术
软件冗余技术是一种通过消耗一定系统资源达到一定纠错目的的软件抗干扰技术。其中，“重复输出法”和“利时避开法”在提高信号机的抗干扰能力方面起到了至关重要的作用。利用“重复输出法”对信号机控制信号输出锁存器和显示接口芯片进行实时刷新，能够非常有效地抑制外部干扰。在允许的情况下，信号机控制信号输出锁存器的输出重复周期应尽可能地短，使得输出端口受到某种干忧而输出错误控制信号时，外部执行设备还来不及作出有效反应，正确的控制信号就又输出到了输出端口，从而及时地避免错误动作的发生，极大地提高了信号机的抗干扰能力和安全可靠性。由于信号机显示可编程接口芯片容易受到外部干扰而产生错误的显示信息，影响信息的正常交换，因此可以将其工作方式控制字与输出状态字每次一并设备，从而有效抑制了外部干扰对显示接口芯片的影响，确保了显示信息的准确可靠。
利用“延时避开法”可在信号机即将接通或断开大功率负载（信号灯）时，使CPU进入睡眠状态暂停工作，待干扰过去以后再恢复工作，这样即有效地避开了信号灯通断电时所产生的强干扰。使用延时避开时间冗余技术的程序流程图如图2所示。
（2） 软件陷阱技术
软件陷阱技术就是通过跳转指令强行将捕获到折乱飞程序引向复位入口地址0000H，使程序纳入正轨。在各控制程序模块之间和未使用的EPROM空间设备软件软件陷阱可以有效地抑制程序乱飞，使程序运行更加可靠。在中断服务程序区通过判定中断断点地址 是否在程序存储区间，利用软件陷阱可以将乱飞入非EPROM空间的程序返回到复位入口地址0000H。在未使用的中断区使用软件陷阱可以及时捕捉到因干扰而开放的错误中断，迅速将程序返回到复位入口，通过初始化设备关闭因干扰而开放的错误中断。在写外部数据存储器之前加入条件陷阱，可以屏蔽非法写操作，防止CPU因干扰而非法修改外部数据存储器中的内容。
（3） 看门狗技术
看门狗技术是一种通过不断监视程序循环运行时间使程序脱离死循环困境的软件抗干扰技术。其中，硬件看门狗技术可以通过选用具有看门狗电路的集成芯片实现，能有效监视程序陷入死循环故障，但它对中断关闭故障无能为力；软件看门狗技术可以通过监视程序运行状态观测单元编程实现，对中断服务程序隐入死循环故障无能为力，但能监视全部中断关闭故障。信号机将硬件看门狗技术和软件看门狗技术有机结合起来，获得了良好的抗干扰效果。
2.3 防雷技术
通常雷击有三种形式，直击雷、感应雷和球形雷，其中感应雷是造成路口信号机损坏主要的因素。感应雷又分为静电感应雷和电磁感应雷两种，其中对静电感应雷的防范是路口信号机需要特别重视的。由于感应雷是造成路口信号机损坏主要的因素，而感应雷又是通过供电线路破坏电器设备的，因此对路口信号机既需要合理地加装电源避雷器，又需要在每一条通信线路和信号灯驱动/检测线路内加装适当的避雷装置。总之，对每一条可能将浪涌电压引入信号机的输入输出线路都应当采取必要的保护措施。
本文针对交通信号控制机的实际工作环境和自身运行特点，将一些有效的诊断与防护技术灵活运用到了信号控制机中。运行测试结果表明，这些诊断与防护技术增加了系统的可维护性，大大提高了信号控制机的可靠性和稳定性，具有很好的实用价值和广阔的应用前景。