道路交通信號控制機(jī)無電纜協(xié)調(diào)控制的實(shí)現(xiàn)（開題報(bào)告+論文+外文翻譯+文獻(xiàn)綜述+答辯PPT）

道路交通信號控制機(jī)無電纜協(xié)調(diào)控制的實(shí)現(xiàn)（開題報(bào)告+論文+外文翻譯+文獻(xiàn)綜述+答辯PPT）,道路,交通信號,控制,節(jié)制,電纜,協(xié)調(diào),調(diào)和,實(shí)現(xiàn),開題,報(bào)告,講演,呈文,論文,外文,翻譯,文獻(xiàn),綜述,答辯,ppt 道路交通信號控制機(jī)無電纜協(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)動車日益普及，人們在享受機(jī)動車所帶來的巨大便利同時(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，是解決交通問題的有效辦法之一。自上世紀(jì)以來，世界各國都展開了對城市交通控制系統(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控制機(jī)的基準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖和系統(tǒng)時(shí)鐘的同步問題，用于各路口信號機(jī)的無電纜協(xié)調(diào)控制。它是智能交通信號控制機(jī)的一部分，而智能交通信號控制機(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)，完成信號機(jī)的同步電路的模塊設(shè)計(jì)是為研制智能交通信號控制機(jī)打下基礎(chǔ)。道路交通信號控制機(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)雜的信號處理與控制系統(tǒng)。我國的ITS無論是硬件還是軟件，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上時(shí)代的發(fā)展。研制能夠適合我國城市道路交叉的多車道大流量的特點(diǎn)，預(yù)測各流入口的車流量，給各交通高效率地分配通行權(quán)的智能交通信號控制機(jī)，已成為刻不容緩的事。本課題研究和解決的對象是如何實(shí)現(xiàn)在無電纜連接通信的情況下，實(shí)現(xiàn)各交通信號控制機(jī)的協(xié)調(diào)動作[3]。 1.2設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 本課題采用同步時(shí)基信號來實(shí)現(xiàn)各路口交通信號控制機(jī)的協(xié)調(diào)動作。各同步時(shí)基信號取自供電網(wǎng)絡(luò)的50HZ工頻，來自供電網(wǎng)絡(luò)50HZ工頻信號經(jīng)過隔離整形后，通過微分電路，形成占空比合適、波形良好的100HZ的時(shí)基脈沖信號。信號控制機(jī)系統(tǒng)利用這一時(shí)基信號對信號燈的時(shí)長進(jìn)行秒計(jì)時(shí)，并實(shí)時(shí)對信號控制機(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。它可以自動運(yùn)行100年的日歷，并有12個(gè)字節(jié)內(nèi)部RAM用語日歷各種數(shù)據(jù)儲存，52個(gè)內(nèi)部RAM用于存儲用戶的數(shù)據(jù)。 上述的時(shí)基信號送入微處理MPU，作為MPU的計(jì)數(shù)脈沖。在微處理MPU的實(shí)時(shí)控制下，使各信號燈的切換動作保持一致。另外，由于時(shí)鐘的一致，確保路網(wǎng)中各信號控制機(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)地對時(shí)鐘進(jìn)行讀寫操作，并通過MPU把日期或時(shí)刻在6位7SEGLED數(shù)碼管上顯示出來。利用上述的10ms的時(shí)鐘脈沖信號作為MPU的計(jì)數(shù)脈沖，從而使各信號燈的切換動作保持協(xié)調(diào)一致，并通過定時(shí)調(diào)整各信號控制器的時(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4個(gè)TTL邏輯電路 (2)具有時(shí)鐘修正功能，使各信號控制機(jī)的時(shí)鐘保持一致 (3)通過切換開關(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城市交通信號控制的演變 從1868年英國倫敦首次使用燃?xì)馍珶粜盘栆詠?，城市交通信號機(jī)由手動到自動，交通信號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，從無車輛檢測器到有車輛檢測器，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)控制信號系統(tǒng)，從而標(biāo)志著城市道路交通信號系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)新階段。之后，美國、英國、前聯(lián)邦德國、日木、澳大利亞等國家相繼建成以計(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，通過對時(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，采用無電纜協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)對提高信號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控制系統(tǒng) 2.1.1 國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)、路口控制三級組成，各級電計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)自己控制區(qū)域，并執(zhí)行上一級控制指令)和動態(tài)系統(tǒng)(根據(jù)檢測器實(shí)時(shí)采集的交通流數(shù)據(jù)優(yōu)化信號配時(shí));從控制區(qū)域的路網(wǎng)結(jié)構(gòu)上分，有開環(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控制系統(tǒng)有三個(gè) (1)英 國 TRANSYT系統(tǒng) TRANSYT( TrafficN etworkS tudyT ool)是由英國道路研究所花費(fèi)近十年時(shí)間研制成功的交通信號控制系統(tǒng)，經(jīng)過不斷改進(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)長度最小。 參數(shù)特征:綠信比(S)與相位差(O)是通過建立優(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，在大城市中這一問題尤為突出;第二，不對周期進(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年代末開發(fā)的交通信號控制系統(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，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)，無實(shí)時(shí)信息反饋。 (3)英國SCOOT系統(tǒng) SCOOT( SplitC ycleO fsetO ptimizationT echnique)也是由英國道路研究所在TRANSYT系統(tǒng)的基礎(chǔ)上采用自適應(yīng)控制方法，經(jīng)過八年的研究于1980年提出動態(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均通過建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型計(jì)算。 尋優(yōu)方法:小步長漸進(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)的劃分不能自動完成，只能人工完成;第三，安裝調(diào)試?yán)щy，對用戶的技術(shù)要求過高。 2.2中國的城市交通信號控制系統(tǒng) 近年國內(nèi)的經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和機(jī)動車急劇增加，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。就道路面積來說，國內(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 國內(nèi)的城市交通主要由各種機(jī)動車、非機(jī)動車和行人構(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，對某一種交通方式來說，不能任其自由發(fā)展，否則會破壞這種平衡狀態(tài)，使系統(tǒng)出現(xiàn)問題。 目前，國內(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)在對自行車、私人小汽車需求的急劇增長，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，勢如潮涌，并與機(jī)動車爭道搶行，阻礙正常交通。這種局面反過來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)目僅是東京的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%，國內(nèi)的交通事故率居高不下，萬車事故死亡率北京為6人(國內(nèi)為最小的城市)，而東京僅為1.9人，美國、澳大利亞和英國平均分別為2.6和2.7人 2.2.1國內(nèi)的城市道路交通控制系統(tǒng) 國內(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，城市道路交通問題越來越嚴(yán)重，國家一方面進(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)主要是簡易單點(diǎn)信號機(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、岳陽等國內(nèi)中小城市，交通控制系統(tǒng)主要還是使用國產(chǎn)的簡易單點(diǎn)信號機(jī)和集中協(xié)調(diào)式信號機(jī)?，F(xiàn)以北京使用的交通信號控制系統(tǒng)進(jìn)行說明[11] [12]。 (1)簡易單點(diǎn)信號機(jī)，可以用來實(shí)現(xiàn)手動或自動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機(jī)，它是屬于TRANSYT系統(tǒng)，具有自動運(yùn)行、中心控 制、人工控制、無電纜協(xié)調(diào)控制、黃閃控制、備用方式等功能。 (3)T200MK2型路口信號機(jī)，它是屬于SCOOT系統(tǒng)，具有自動運(yùn)行、中心控制、人工制、黃閃控制、及降級控制(它包括區(qū)域協(xié)調(diào)控制、無電纜協(xié)調(diào)控制、單點(diǎn)感應(yīng)控制、單點(diǎn)定時(shí)控制、手動控制)等功能。這些信號系統(tǒng)雖然取得了較好的效果，但我國實(shí)際情況決定了需要對這些系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，主要體現(xiàn)在: 需要完善信號控制現(xiàn)有單點(diǎn)信號控制系統(tǒng)，一般只能實(shí)現(xiàn)口數(shù)目僅是東京的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%，國內(nèi)的交通事故率居高不下，萬車事故死亡率北京為6人(國內(nèi)為最小的城市)，而東京僅為1.9人，美國、澳大利亞和英國平均分別為2.6和2.7人。 2.2.2國內(nèi)的城市道路交通控制系統(tǒng) 國內(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，城市道路交通問題越來越嚴(yán)重，國家一方面進(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)主要是簡易單點(diǎn)信號機(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、岳陽等國內(nèi)中小城市，交通控制系統(tǒng)主要還是使用國產(chǎn)的簡易單點(diǎn)信號機(jī)和集中協(xié)調(diào)式信號機(jī)。現(xiàn)以北京使用的交通信號控制系統(tǒng)進(jìn)行說明[13] [14]。 (1)簡易單點(diǎn)信號機(jī)，可以用來實(shí)現(xiàn)手動或自動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機(jī)，它是屬于TRANSYT系統(tǒng)，具有自動運(yùn)行、中心控制、人工控制、無電纜協(xié)調(diào)控制、黃閃控制、備用方式等功能。 (3)T200MK2型路口信號機(jī)，它是屬于SCOOT系統(tǒng)，具有自動運(yùn)行、中心控制、人工控制、黃閃控制、及降級控制(它包括區(qū)域協(xié)調(diào)控制、無電纜協(xié)調(diào)控制、單點(diǎn)感應(yīng)控制、單點(diǎn)定時(shí)控制、手動控制)等功能。這些 信 號 系統(tǒng)雖然取得了較好的效果，但我國實(shí)際情況決定了需要對這些系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，主要體現(xiàn)在: (1)需 要 完善信號控制現(xiàn)有單點(diǎn)信號控制系統(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題現(xiàn)有信號控制系統(tǒng)對自行車流的放行幾乎都是與機(jī)動車同時(shí)開始，容易造成交通流沖突。因此，需要設(shè)計(jì)出一種信號系統(tǒng)能對各個(gè)相位包括對自行車流單獨(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系統(tǒng)，但對于中小城市來說，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)控制信號系統(tǒng)。 (4)國產(chǎn)化率低目前國內(nèi)采用的信號控制系統(tǒng)，國產(chǎn)化率整體較低，進(jìn)口費(fèi)用昂貴。 隨著我國城市化水平不斷提高，進(jìn)一步完善城市交通控制系統(tǒng)是大勢所趨。因此，研制并設(shè)計(jì)出符合我國實(shí)際情況的微機(jī)化、模塊化的信號系統(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。信號控制用的基準(zhǔn)脈沖信號由晶振產(chǎn)生，不同步。國內(nèi)信號機(jī)的系統(tǒng)時(shí)鐘雖然通過GPS授時(shí)修正，可以保持同步，但由于信號控制用的基準(zhǔn)脈沖信號不同步，每個(gè)信號周期都有可能使信號控制偏離同步點(diǎn)而產(chǎn)生搖擺，這在智能交通系統(tǒng)中有時(shí)會導(dǎo)致被上層系統(tǒng)認(rèn)為信號機(jī)工作不正常。解決信號控制用的基準(zhǔn)脈沖信號的同步問題，是避免信號控制偏離同步點(diǎn)而產(chǎn)生搖擺的較好辦法。 2.3道路交通信號與控制 2.3.1空耗控制原理 交通信號控制系統(tǒng)的信號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，將信號分為點(diǎn)控、線控和面控。點(diǎn)控，指獨(dú)立控制各信號機(jī)；線控，指同時(shí)控制沿著連續(xù)的幾個(gè)信號機(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固定的標(biāo)準(zhǔn)，一般來說，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)信號機(jī)之間交通流的脈動越大，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)行比較后再決定是否采用線控。 2.3.2區(qū)域信號控制（面控） 對設(shè)置在大面積道路網(wǎng)上的多臺信號機(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進(jìn)行控制的區(qū)域，對每一個(gè)子區(qū)域給出最佳周期長，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]。 所謂無電纜協(xié)調(diào)是指控制機(jī)之間沒有信號控制線相連，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，并通過人工或自動裝置將信號控制器內(nèi)實(shí)時(shí)鐘的日、時(shí)、分、秒校正至同步的方法實(shí)現(xiàn)無電纜協(xié)調(diào)控制。其優(yōu)點(diǎn)是比較簡單易行，但必須用人工或自動裝置及時(shí)校正。 目前，大多數(shù)多時(shí)段固定交通信號控制器，尤其是采用分級處理的控制器，均具備無電纜協(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Κ?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)控制方式交通信號控制器通過數(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，一類是簡單型的，另一類是復(fù)雜型的。 簡單型，一般受中心計(jì)算機(jī)的直接控制，它的沒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)，它可以降級做簡單的運(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)包括無電纜協(xié)調(diào)，多時(shí)段固定配時(shí)等控制方式。它對所收集的各種交通數(shù)據(jù)可以做預(yù)處理，實(shí)現(xiàn)多臺信號機(jī)集中控制。 2.3.3線路信號控制（線控） 線控方式把一條道路延長線上連續(xù)幾個(gè)信號機(jī)在時(shí)間上互相聯(lián)系起來進(jìn)行信號顯示，通過減少車輛停止次數(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)是對幾個(gè)信號機(jī)設(shè)定共用的周期長、系統(tǒng)周期長和確定各信號時(shí)間上的相對關(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)段定周期交通信號控制器是起今為止交通信號控制系統(tǒng)中最簡單的交通信號控制器，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)可以通過改變矩陣控制插針、撥碼開關(guān)或多位撥段開關(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)段定周期交通信號控制器可儲存多個(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)交通信號控制器結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低廉、維護(hù)使用方便，是當(dāng)今單個(gè)交叉點(diǎn)交通信號控制中使用最普遍的交通信號控制器。 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、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)置車輛感測器，監(jiān)測交通流的變動，以這些測量值為基準(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 道路交通信號控制機(jī) 3.1交通信號控制機(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。交叉口信號機(jī)執(zhí)行信號 配時(shí)方案對車流進(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)置車輛檢測器，信號機(jī)在控制時(shí)根據(jù)檢測器實(shí)時(shí)檢測到的交通流數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)改變信號配時(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)收集交叉口檢測器檢測的交通流數(shù)據(jù)，通過配時(shí)優(yōu)化軟件在線生成如SCOOT或選擇SCAT信號配時(shí)方案，實(shí)時(shí)用于控制的一種控制方式。 3.2中國道路交通信號控制機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀 我國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，城市道路交通問題越來越嚴(yán)重，國家一方面進(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)與開發(fā)相結(jié)合的方針，目前我國已有三十多個(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)，越來越表現(xiàn)出它良好的社會、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，由于國情的不同，引進(jìn)系統(tǒng)的適應(yīng)性較差，如國外交通中非機(jī)動車流的比重非常小，一般不予考慮，而在國內(nèi)交通中，非機(jī)動車流占了相當(dāng)大的比例，由非機(jī)動車引起的機(jī)非混雜，不僅降低了機(jī)動車的行車速度，而且增加了交通事故;其次由于實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)設(shè)備比較昂貴，在國內(nèi)引進(jìn)的系統(tǒng)中，一般都要作些簡略，這也將影響設(shè)備的可靠性和檢測數(shù)字的準(zhǔn)確性，控制效果相應(yīng)就差些 。 可喜的是，在國家計(jì)委、國家科委的批準(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 2443)。此項(xiàng)目的攻關(guān)目標(biāo)是研究和建立適合中國國情的機(jī)動車與非機(jī)動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)，是我國完全國產(chǎn)化自行設(shè)計(jì)建成的第一個(gè)適應(yīng)中國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)動車與非機(jī)動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，對機(jī)動車和非機(jī)動車進(jìn)行時(shí)間或者空間上的分離 (機(jī)非時(shí)空分離)，控制效果會更好。 綜合分析國內(nèi)外先進(jìn)的城市道路交通控制系統(tǒng)，結(jié)合中國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，對路口能力最大、總延誤最小、排隊(duì)長度最短等目標(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)的動態(tài)交通分配模型和整體優(yōu)化模型并求解，達(dá)到對路口控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)整從而實(shí)現(xiàn)在整個(gè)城市范圍內(nèi)對交通流動態(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)交通流的方法對控制系統(tǒng)會產(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都使用高級語言編程，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無電纜協(xié)調(diào)控制機(jī) 無電纜協(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 無電纜協(xié)調(diào)控制機(jī)的系統(tǒng)框圖 本系統(tǒng)是通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)各個(gè)交通路口信號燈的時(shí)鐘始終保持同步，利用開關(guān)可以同時(shí)控制各個(gè)信號機(jī)同步實(shí)現(xiàn)功能。因?yàn)?，各個(gè)信號燈本身都有自身的晶振，但是，經(jīng)過一定時(shí)間，各個(gè)信號燈的晶振會發(fā)生偏差，這就造成了各信號機(jī)之間時(shí)間的不同步，例如，某個(gè)信號正進(jìn)行黃閃，而其它的信號機(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)信號機(jī)提供時(shí)基信號，保持各個(gè)信號機(jī)的輸入時(shí)基相同。50HZ工頻通過電壓比較器產(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)過整形電路形成波形較好的時(shí)基信號。時(shí)鐘芯片是各個(gè)信號機(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。單片機(jī)接收到時(shí)基信號，并定時(shí)的對各個(gè)時(shí)鐘進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)發(fā)先時(shí)鐘不同步時(shí)，對時(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（對輸入電壓判定的靈敏度）。對于高性能的電壓比較器來說，應(yīng)具有高的開環(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的信號幅度處理電路，輸入一個(gè)模擬量電壓信號與門限電壓比較，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成對出現(xiàn)是分別代表信號源和門限電壓內(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、短路、斷路報(bào)警等。 __ 圖4-7 比較器 根據(jù)對芯片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，沒有波形輸出，考慮是不是因?yàn)樯侠娮璧闹颠^大，但是直到把上拉電阻的值調(diào)到0，還是沒有波形出現(xiàn)。 所以，采用負(fù)反饋電路，如下圖，終于解決問題。 圖4-9 改進(jìn)型電壓比較器 采用10K電阻對電路進(jìn)行負(fù)反饋，采用背靠背二級管對波形進(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)過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，最后決定采用兩個(gè)反向器對波形進(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)，剛開始的時(shí)候，產(chǎn)生的波形的峰峰值很小，怎么調(diào)試也沒有改變，剛開始以為是電壓的問題，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)正弦信號激勵(lì)非線性器件時(shí)，便會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，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。這對于那些工作頻率較高而對穩(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，常在主振級和輸出級間采用多次倍頻的技術(shù)。 (2)擴(kuò)展工作頻段。在電子對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)輸出級的工作波段。 (3)對于調(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，它們在射電天文學(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。單級倍頻次數(shù)通常不超過5。這類倍頻是通過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，必須做成多級倍頻鏈，使其中每一單級仍為低次倍頻。 (2)高次倍頻器。單級倍頻次數(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(無源的)，僅僅是把輸入信號能量的一部分轉(zhuǎn)化成所需頻率的信號能量輸出，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)場效應(yīng)晶體管有源倍頻器，即采用有源微波晶體場效應(yīng)管的非線性跨導(dǎo)來實(shí)現(xiàn)倍頻。由于場效應(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)化成信號能量輸出，從而提高了倍頻效率。與無源倍頻器相比，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，并且對于最佳轉(zhuǎn)換增益，場效應(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)不是很高的場合中，才會常采用微波晶體管有源倍頻來實(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源倍頻電路具有很大的優(yōu)勢，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。 4．2．4倍頻器的設(shè)計(jì) 在數(shù)字電路中，我們曾經(jīng)學(xué)習(xí)過555芯片的基本電路和設(shè)計(jì)功能，所以在開始的時(shí)候我準(zhǔn)備用555芯片來完成倍頻器的設(shè)計(jì)。555組要有雙級型和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） 電源電壓變化對震蕩頻率和定時(shí)精度的影響小。對定時(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。 （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。 （6） COMS型555的驅(qū)動能力差，輸出電流僅為1—3mA，而雙極型的輸出驅(qū)動電流可達(dá)200mA。 通過上面對兩種型號的555的比較，可以看出，在要求定時(shí)長、功耗小、負(fù)載輕的場合，適合選用COMS型的555。而在負(fù)載重、要求驅(qū)動電流大、電壓高的場合，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，很適合做長延時(shí)電路，RC時(shí)間常數(shù)一般很大。 關(guān)于驅(qū)動能力，雙極型555可直接驅(qū)動低電阻負(fù)載，如感性的繼電器、小電動機(jī)和揚(yáng)聲器等。COMS型555只可直接驅(qū)動高阻抗負(fù)載。若驅(qū)動大的負(fù)載，可在輸出端加接小功率放大晶體管來彌補(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555內(nèi)部的傳輸延遲有一定好處，這對于高速數(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)際的硬件輸出卻沒有這種波形，經(jīng)過測量和調(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，對電路進(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