[发明专利]变负载同驱动信号灯故障检测系统

摘要

本发明公开了一种针对变负载同驱动信号灯故障检测方法，用于解决多种信号灯并联后接到信号机的一个输出端时部分信号灯故障的检测问题。技术方案是通过采集信号机每一路输出端的电压信息、电流信息、充电时间信息，对采集到的信息进行逻辑处理和前后对比，来判断信号灯的故障信息；该技术方案通过电容充电时间模拟负载端功率，避免使用功率转电压电路和AD电路，简化了一个输出端驱动多个信号灯故障检测的电路结构和检测流程。

主权项

变负载同驱动信号灯故障检测系统包含以下特征：1）变负载同驱动信号灯故障检测系统包含电压检测电路、电流检测电路、主控电路、通信电路；电压检测电路采集信号灯两端的工频220V电压信息并将其转换成高低电平信息，并将该电平信息传递给主控电路，电流检测电路用于采集交通灯的电流信息并将其转换成高低电平信息，并将高低电平信息传递给主控电路，电流检测电路与主控电路结合采集输出端信号灯对应的充电时间，主控电路对得到的电压信息、电流信息、充电时间进行数据处理并判断信号灯的故障状态，通信电路将信号灯的状态信息上传到交通监控中心；2）变负载同驱动信号灯故障检测系统还包括基于电容充电时间的功率检测方法、最小分辨率确定方法、一个输出端最多驱动信号灯数量的确定方法、系统故障检测流程、充电时间数据采集与处理方法；基于电容充电时间的功率检测方法给出了负载功率与充电时间的关系，最小分辨率确定方法给出了决定检测系统能够有效检测到的最小时间波动的三个因素，一个输出端最多驱动信号灯数量的确定方法给出了检测系统允许的一个输出端驱动信号灯最大数量的确定方法，系统故障检测流程给出了本系统的故障检测步骤，充电时间数据采集与处理方法给出了充电时间采集的过程和数据处理的方法；3）电压检测电路包含限流电阻、压敏电阻、单向导通二极管、隔离光耦、用于滤波的电阻和电容；交通信号灯的220V电源线中的火线经过限流电阻接入到电路，限流电阻的另一端接单向导通二极管的正向输入端，单向导通二极管的另一端接入光耦的阳极输入端，光耦的阴极输入端接到零线上，滤波电容并联到光耦的输入端，压敏电阻串接到零线与火线之间，光耦的漏极输出端接到电源的正极，栅极输出端串接由滤波电容和电阻并联构成的滤波电路，滤波电路的另一端接地，光耦的栅极输出端即高低电平输出端，接到处理器的IO口上；4）电流检测电路包括电流互感器、压敏电阻、电流电压转换电阻、单向导通二极管、限流电阻、充电电容、稳压管、放电电阻、放电开关；信号灯供电的电源线穿过电流互感器作为电路的输入，压敏电阻和电流电压转换电阻并联到互感器的输出端，互感器的一个输出端串接一个单向导通二极管，二极管的另一端再串接一个限流电阻，限流电阻的另一端接到充电电容的一端，充电电容的另一端接到电流互感器的另一个输出端，稳压管和单向导通二极管以一致的电气方向并接到电容两端，稳压管的两端并联由放电电阻和放电开关串联组成的放电电路，稳压管的正向输出端为高低电平，连接到主控处理器的IO口；5）基于电容充电时间的功率检测，主要是根据不同功率下，对电容充到某一电平的时间不同来模拟输入端功率的变化；信号机一个输出端驱动的信号灯的功率种类W1、W2…Wk、其对应信号灯的数量分别为n1、n2…nk，上述不同功率种类信号灯的平均功率W为下述两式所 描述：W1*n1+W2*n2+…+Wk*nk＝n*W，n＝n1+n2+…+nk电容两端的电压以及对电容的充电电流满足以下三个式子： U c = 1 C ∫ 0 t i ( t ) dt i ( t ) = U o - U c Rw U o = ( n * W V * k * Rv - ΔU ) * U ( t ) 其中Uc为电容C两端电压，C为电容C1到Cn中当前线路电容的容值，i(t)为对电容充电的电流，t为充电时间，∫为积分符号，dt为积分算子、表示对t进行积分，Uo为单向导通二极管阴极输出的电压，Rw为电阻Rw_1到Rw_n中当前线路电阻的阻值，Rv为电阻Rv_1到Rv_n中当前线路电阻的阻值，U(t)为频率为50Hz的单位方波函数，U(t)使得Uo只有正弦波的正半周期对电容充电，n为当前输出端驱动信号灯的数量，W为当前输出端一个信号灯的功率，V为信号灯供电电压，k为电流互感器的匝比，ΔU为单向导通二极管导通时的压降；由以上三个公式得到电容两端的电压Uc与充电时间t的关系如下： U c = ( n * W V * k * Rv - ΔU ) * U ( t ) * ( 1 - e - t Rw * C ) 输出端接n个信号灯时充到高电平UH的时间tn和输出端接n‑1个信号灯时充到高电平UH的时间tn‑1受限于下面两式： U H = ( n * W V * k * Rv - ΔU ) * U ( t ) * ( 1 - e - t Rw * C ) U H = [ ( n - 1 ) * W V * k * Rv - ΔU ] * U ( t ) * ( 1 - e - t Rw * C ) 根据上面两式得到tn和tn‑1的解如下： t n = Rw * C * Ln [ ( n * W * Rv - V * k * ΔU ) * U ( t ) ( n * W * Rv - V * k * ΔU ) * U ( t ) - U H * V * k ] t n - 1 = Rw * C * Ln [ [ ( n - 1 ) * W * Rv - V * k * ΔU ] * U ( t ) [ ( n - 1 ) * W * Rv - V * k * ΔU ] * U ( t ) - U H * V * k ] ΔT＝tn‑1‑tn为一个输出端接n‑1个信号灯与输出端接n个信号灯充到高电平时间的差值，其中ΔT与驱动信号灯的数量n成反比关系，n增大ΔT减小，n减小ΔT增大；6）最小分辨率确定方法：最小分辨率T是检测系统能够有效识别的最小充电时间差值ΔT，T的大小受限于以下三个条件：处理器的机器周期T1、负载端外界干扰引起的充电时间波动T2和检测电路元器件参数变化引起的充电时间波动T3，T的大小与上述三个条件分别产生的影响之和成正比，如下式所述：T＝k1T1+k2T2+k3T3，k1,k2,k3＞＝1；7）一个输出端最多驱动信号灯数量的确定方法：检测系统允许信号机一个负载端驱动的最多信号灯数量N的确定方法如下式所述：T＝tn‑1‑tn T = Rw * C * Ln [ [ ( n - 1 ) * W * Rv - V * k * ΔU ] * U ( t ) ( n * W * Rv - V * k * ΔU ) * U ( t ) * ( n * W * Rv - V * k * ΔU ) * U ( t ) - U H * V * k [ ( n - 1 ) * W * Rv - V * k * ΔU ] * U ( t ) - U H * V * k ] 通过上面式子解出n的值，允许的一个负载端最多驱动数量N=[n]‑1，[n]表示对n取整，则不同功率种类信号灯允许的驱动数量满足：W1*n1+W2*n2+…+Wk*nk＜＝N*W；8）所述变负载同驱动信号灯故障检测系统的检测流程包含以下步骤：系统上电后通过电流信息与电压信息识别故障检测系统输入端（信号机输出端）接有信号灯的路数，在接有信号灯的输出端分别采集对应的充电时间来模拟该负载端的功率，识别完成后进入巡回检测过程，处理器读取接有信号灯输出端的电流状态信息、电压状态信息，通过对比该输出端的电流状态信息与电压状态信息是否一致，若不一致则发送报警信息，采集输出端接有信号灯线路的充电时间减去识别过程中的标准时间，若差值大于最小分辨率T，则该输出端有部分信号灯处于故障状态，若差值小于最小分辨率T，则该输出端的信号灯全部正常工作，检测出某一输出端出现故障后，主处理器将该路的故障信息通过通信电路上传到交通监控中心；9）充电时间采集与前后充电时间数据处理方法，识别过程：以电压信号为同步信号，在输出端开始通电、信号灯由灭变亮的时候，连续采集多个数据，分别采集三个周期，并分别对每个周期采集到的多个数据进行排序，去掉每个周期的最大值和最小值，再对三个周期余下的数据进行排序，求取中值，记录此时的中值并作为一段时间内该路模拟功率充电时间的标准值；巡回检测过程：将电压信号作为交通灯状态的同步信号，在输出端开始通电信号灯由灭变亮的时候，连续采集多个数据，对其排序后分别去掉一个最大值和一个最小值，在剩余的数据中求取中值，将此时的中值减去识别过程中该输出端的中值，若两者的差值大于最小分辨率T，则该输出端出现功率下降，有信号灯出现故障，若两者的差值小于T，则输出端未出现功率下降，输出端的信号灯全部正常。