一種信號(hào)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊自動(dòng)化校準(zhǔn)裝置

摘? 要：近年來，道路交通信號(hào)控制機(jī)產(chǎn)品不斷地更新迭代，這對(duì)用于信號(hào)機(jī)輸出控制的驅(qū)動(dòng)模塊提出了更高的要求，輸出狀態(tài)檢測也由最初的電壓電流信號(hào)有無檢測發(fā)展為電壓電流、有功功率等信號(hào)大小的檢測。目前，信號(hào)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊對(duì)輸出信號(hào)的檢測基本采用有效值檢測，無源器件的個(gè)體差異使得輸出采樣電路形成一定的測量誤差，所以在驅(qū)動(dòng)模塊出廠前都要對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格的通道校準(zhǔn)，開發(fā)一種既能解放人力，又能對(duì)信號(hào)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行自動(dòng)化測試的裝置就顯得尤為重要。

關(guān)鍵詞：校準(zhǔn)裝置；自動(dòng)化檢測；交流電有效值

中圖分類號(hào)：TP368；U284.77? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2096-4706（2023）18-0064-06

An Automatic Calibration Device for Signal Driver Module

YUE Cailin1， 2， 3

（1.Anhui Keli Information Industry Co.， Ltd.， Hefei? 230088， China; 2.Key Laboratory of Urban Traffic Management Integration and Optimization Technology， Ministry of Public Security， Hefei? 230088， China; 3.Anhui Intelligent Transportation Key Laboratory， Hefei? 230088， China）

Abstract： In recent years， road traffic signal control machine products have been constantly updated and iterated， which has put forward higher requirements for the driver module used for signal output control. Output state detection has also evolved from the initial detection of voltage and current signals to the detection of signal sizes such as voltage and current， active power， etc. At present， the signal driver module basically uses effective value detection to detect the output signal. The individual differences of passive components cause certain measurement errors in the output sampling circuit. Therefore， strict channel calibration must be carried out before the driver module leaves the factory. It is particularly important to develop a device that can not only free manpower but also automatic? testing of the signal driver module.

Keywords： calibration device; automatic detection; effective value of alternating current

0? 引? 言

隨著國內(nèi)城市化進(jìn)程的加速推進(jìn)，城市面積不斷擴(kuò)大，每年都會(huì)有一定數(shù)量新建路口和老舊路口的升級(jí)改造，相應(yīng)地，信號(hào)機(jī)需求量也與日俱增。安徽科力信息產(chǎn)業(yè)有限責(zé)任公司深耕智能交通領(lǐng)域30多年，連續(xù)多年躋身于全國智能交通十二強(qiáng)，每年銷售信號(hào)機(jī)產(chǎn)品多達(dá)2 000臺(tái)。公司嚴(yán)抓產(chǎn)品質(zhì)量，對(duì)每一個(gè)出廠產(chǎn)品都要進(jìn)行嚴(yán)格的檢測。如何通過改進(jìn)生產(chǎn)檢測方法來提升驅(qū)動(dòng)模塊校準(zhǔn)的科學(xué)性、便捷性、高效性及精準(zhǔn)度，也成為產(chǎn)品生產(chǎn)亟需解決的問題。

1? 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1? 系統(tǒng)組成

校準(zhǔn)裝置是智能交通信號(hào)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的自動(dòng)化校準(zhǔn)與檢測設(shè)備，通過歐標(biāo)大電流可插拔連接器向被校準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)模塊供電和通信。硬件系統(tǒng)由數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、人機(jī)交互單元、調(diào)試信息輸出單元、板間通信單元、輸出采樣單元、交流負(fù)載單元、交流調(diào)壓單元、語音播報(bào)單元、接口連接器組成，裝置內(nèi)部各功能單元由數(shù)據(jù)處理單元統(tǒng)一管理和調(diào)度，協(xié)同工作。單元模塊之間的硬件連接關(guān)系如圖1所示。

1.2? 系統(tǒng)功能

校準(zhǔn)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)智能信號(hào)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的自動(dòng)化校準(zhǔn)與檢測功能，實(shí)現(xiàn)的主要功能如下：

1）輸出采樣功能。校準(zhǔn)裝置能夠?qū)崟r(shí)采樣當(dāng)前驅(qū)動(dòng)模塊輸出的交流電壓有效值、交流電流有效值、有功功率等參數(shù)。信號(hào)采樣值可用于標(biāo)定驅(qū)動(dòng)模塊的采樣電路和驗(yàn)證通道校準(zhǔn)結(jié)果。

2）交流調(diào)壓功能。驅(qū)動(dòng)模塊單個(gè)通道或燈色校準(zhǔn)完成后，需要對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行檢測驗(yàn)證，為了確保檢驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要通過可控的調(diào)壓單元將負(fù)載電壓調(diào)整到標(biāo)定電壓值的85%左右，再進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證。

3）人機(jī)交互功能。校準(zhǔn)裝置配備一個(gè)SPI接口的高分辨率、高亮度OLED液晶顯示屏和多組紅黃綠三色發(fā)光LED指示燈。驅(qū)動(dòng)模塊校準(zhǔn)過程分為多個(gè)步驟，每一步的運(yùn)行結(jié)果可以通過人機(jī)交互接口實(shí)時(shí)傳輸?shù)斤@示屏，校準(zhǔn)過程和運(yùn)行結(jié)果實(shí)時(shí)呈現(xiàn)。

4）語音提示功能。當(dāng)校準(zhǔn)裝置檢測到校準(zhǔn)結(jié)果出現(xiàn)異常、進(jìn)入下一校準(zhǔn)階段、校準(zhǔn)開始或校準(zhǔn)結(jié)束時(shí)，可以通過RS232串口語音模塊DY-SV17V播放一段語音提示信息，通知檢測人員進(jìn)行下一步的操作。

5）CAN通信功能。校準(zhǔn)裝置具備1路符合ISO11898標(biāo)準(zhǔn)的高速CAN 2.0B通信總線，用于校準(zhǔn)裝置和驅(qū)動(dòng)模塊之間的數(shù)據(jù)交換。校準(zhǔn)裝置通過CAN總線下發(fā)校準(zhǔn)啟動(dòng)、校準(zhǔn)通道編號(hào)、校準(zhǔn)燈色、校準(zhǔn)通道參數(shù)標(biāo)定值等指令信息，驅(qū)動(dòng)模塊自動(dòng)應(yīng)答校準(zhǔn)指令并上報(bào)當(dāng)前校準(zhǔn)通道的有效值信息。

6）DFU固件升級(jí)功能。校準(zhǔn)裝置具有通過USB接口實(shí)現(xiàn)IAP固件升級(jí)的功能，如果后期需要更新校準(zhǔn)裝置的應(yīng)用程序，只需一根USB線連接至PC機(jī)，配合上位機(jī)DFU小工具即可完成，不再需要處理器芯片專用的程序下載器，方便后續(xù)產(chǎn)品升級(jí)維護(hù)。

1.3? 系統(tǒng)參數(shù)

校準(zhǔn)裝置具備以下功能參數(shù)：

1）硬件指標(biāo)。USB接口：1路，標(biāo)準(zhǔn)Type C接口；CAN接口：1路，符合CAN 2.0B標(biāo)準(zhǔn)；顯示接口：1個(gè)，OLED高亮顯示屏顯示分辨率不低于128×64；語音接口：1路，語音輸出功率不低于2 W；工作電壓：直流電壓5±0.5 V；工作電流：直流電流小于1.0 A。

2）技術(shù)指標(biāo)。電壓檢測精度：檢測誤差小于1%，交流有效值電壓誤差2 V以內(nèi)；電流檢測精度：檢測誤差小于1%，交流有效值電流誤差2 mA以內(nèi)；功率檢測精度：檢測誤差小于1%，有功功率誤差0.2 W以內(nèi)。

3）環(huán)境指標(biāo)。存儲(chǔ)溫度：-40～+70 ℃；工作溫度：-20～+70 ℃；工作濕度：5 %RH～95 %RH（不凝結(jié)）。

1.4? 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的功能需求和裝置的參數(shù)指標(biāo)，對(duì)校準(zhǔn)裝置的主要功能單元進(jìn)行器件選型。從性能、接口類型、封裝類型、價(jià)格、可靠性、溫度范圍、可維修性等多個(gè)維度出發(fā)，確定各個(gè)功能單元的具體型號(hào)。

數(shù)據(jù)處理單元是整個(gè)自動(dòng)校準(zhǔn)裝置的核心運(yùn)算單元，需要配備高性能且具有多種外設(shè)接口的處理器，此次設(shè)計(jì)使用意法半導(dǎo)體公司的STM32F407VET6芯片。芯片基于ARM Cortex-M4內(nèi)核，片內(nèi)集成512KBFLASH和192KBSRAM，實(shí)時(shí)自適應(yīng)加速器能夠完全釋放Cortex-M4內(nèi)核的性能。當(dāng)CPU工作頻率小于168 MHz時(shí)，在閃存中運(yùn)行的程序可以實(shí)現(xiàn)相當(dāng)于零等待周期的性能。STM32F4系列微控制器集成了單周期DSP指令和FPU浮點(diǎn)運(yùn)算單元，大幅提升了計(jì)算能力，可以進(jìn)行一些復(fù)雜的計(jì)算和控制。處理芯片以低功耗、低電壓模式運(yùn)行并且集成了豐富的外設(shè)接口與功能單元，包括6個(gè)串口、3個(gè)SPI接口、1個(gè)USB接口、3個(gè)IIC接口、2路CAN接口、1路100M網(wǎng)口、1路SDIO接口、多個(gè)通用GPIO、17個(gè)內(nèi)部定時(shí)器、2個(gè)DMA、3個(gè)12位ADC、2個(gè)12位DAC，以及加密單元等。芯片尺寸10 mm×10 mm，使用LQFP-100貼片封裝，工作電壓1.8～3.6 V，工作溫度-40～85 ℃。

采樣單元的采樣結(jié)果用于標(biāo)定驅(qū)動(dòng)模塊和檢驗(yàn)校準(zhǔn)誤差，準(zhǔn)確度關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量。為提高裝置的準(zhǔn)確性和安全性，裝置的采樣電路采用電壓互感器和電流互感器進(jìn)行信號(hào)隔離與轉(zhuǎn)換。電壓互感器型號(hào)為ZMPT107，電流互感器型號(hào)為ZMCT364，電阻均采用0.5%精度的低溫漂貼片薄膜電阻。采樣芯片使用上海鉅泉光電科技股份有限公司的多功能高精度三相電能專用計(jì)量芯片HT7038，內(nèi)部集成了高精度二階Sigma-delta ADC、參考電壓電路以及數(shù)字信號(hào)處理電路等，能夠測量各相的有功功率、無功功率、視在功率、有功能量及無功能量，同時(shí)還能測量各相電流、電壓有效值、功率因數(shù)、相角、頻率等參數(shù)。由于所有參數(shù)都是內(nèi)部算法電路直接運(yùn)算的結(jié)果，充分保證了參數(shù)的精度與可靠性。單顆采樣芯片提供6路計(jì)量ADC輸入，完全能夠滿足校準(zhǔn)裝置的應(yīng)用需求。芯片工作電壓3.0～3.6 V，采用LQFP32貼片封裝，工作溫度范圍-40～85 ℃。采樣單元硬件原理圖如圖2所示。

通信單元采用成熟的工業(yè)CAN總線，總線收發(fā)器芯片使用美國TI公司的SN65HVD233D。通過CAN總線，校準(zhǔn)裝置與被校準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行指令與數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)了零偏校準(zhǔn)指令、通道號(hào)與燈色控制指令、標(biāo)定參數(shù)值的下發(fā)和驅(qū)動(dòng)模塊采樣值的讀取。CAN總線芯片符合ISO 11898標(biāo)準(zhǔn)，總線最大節(jié)點(diǎn)數(shù)可達(dá)120個(gè)，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)到1 MB/s。收發(fā)器芯片采用3.3 V單電源供電，可在-7～12 V的寬共模范圍內(nèi)運(yùn)行，具有交叉線保護(hù)、接地失效保護(hù)、過熱保護(hù)、±36 V的過壓保護(hù)以及±100 V的共模瞬態(tài)保護(hù)功能。芯片采用窄體SOIC8貼片封裝，工作溫度范圍-40～+125 ℃。通信單元硬件原理圖如圖3所示。

語音提示單元用于語音播報(bào)校準(zhǔn)過程和校準(zhǔn)結(jié)果，設(shè)計(jì)采用DY-SV17F智能語音播放模塊。語音模塊集成IO分段觸發(fā)、UART串口控制、ONE_line單總線串口控制、標(biāo)準(zhǔn)MP3等7種工作模式，本次設(shè)計(jì)采樣UART串口通信的方式進(jìn)行播放控制；語音模塊板載5W D類功放，可直接驅(qū)動(dòng)4 Ω、3～5 W的喇叭，支持MP3、WAV解碼格式；模塊板載32 Mbit Flash存儲(chǔ)器，可通過USB數(shù)據(jù)線直接連接電腦更新內(nèi)部音頻文件，方便語音提示信息的更新替換。模塊采用貼片封裝，工作電壓3.3 V，工作溫度范圍-40～+125 ℃。語音提示單元硬件實(shí)物圖如圖4所示。

人機(jī)交互單元用于文字顯示校準(zhǔn)過程和校準(zhǔn)結(jié)果，采用OLED液晶顯示屏實(shí)現(xiàn)。OLED顯示技術(shù)具有自發(fā)光特性，不需要額外配備背光電路，而且具有屏幕可視角度大、對(duì)比度高、反應(yīng)速度快、功耗低、溫度范圍廣等特點(diǎn)。本次設(shè)計(jì)采樣內(nèi)置SSD1309驅(qū)動(dòng)芯片、SPI接口方式的OLED屏。模塊顯示分辨率達(dá)到128×64，1.54英寸，工作電壓3.3 V，工作溫度范圍-30～+80 ℃。人機(jī)交互單元硬件實(shí)物圖如圖5所示。

交流調(diào)壓單元用于調(diào)整交流負(fù)載的工作電壓，由固態(tài)調(diào)壓器SSR-VR 15A、繼電器、控制電阻組成，通過改變連接到固態(tài)繼電器控制端的電阻阻值，實(shí)現(xiàn)輸入交流電壓值的調(diào)整。調(diào)整負(fù)載工作電壓的目的就是為了后續(xù)檢驗(yàn)驅(qū)動(dòng)模塊當(dāng)前通道校準(zhǔn)的結(jié)果是否滿足要求。交流調(diào)壓單元硬件原理圖如圖6所示。

電源模塊為采集裝置供電，為了提高采樣單元的精度，降低電源紋波的干擾，系統(tǒng)采樣LDO拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的供電方案。電源芯片采用TI公司的低壓差LDO芯片REG1117A-3.3，最大輸入電壓15 V，輸出電壓固定3.3 V，輸入輸出最小壓差1 V（1.3V@1.0A），輸出電壓精度±1%，最大輸出電流1.0 A。芯片具有過熱和過載保護(hù)，采用SOT-223貼片封裝，工作溫度范圍-40～+125 ℃。

2? 系統(tǒng)工作原理

2.1? 校準(zhǔn)原理

校準(zhǔn)裝置和驅(qū)動(dòng)模塊都具有交流市電電壓電流有效值的采集能力。通過交流強(qiáng)電輸入端子將交流220 V市電接入校準(zhǔn)裝置，再經(jīng)過交流調(diào)壓單元和模塊連接器，經(jīng)驅(qū)動(dòng)模塊可控硅輸出后連接到校準(zhǔn)裝置的交流負(fù)載輸入端。同時(shí)裝置的電壓采樣電路和驅(qū)動(dòng)模塊的電壓并聯(lián)在交流負(fù)載兩端，裝置的電流采樣電路和驅(qū)動(dòng)模塊的電流采樣電路串聯(lián)在交流負(fù)載上。系統(tǒng)先在標(biāo)準(zhǔn)工作電壓下采集負(fù)載的電壓和電流信息并標(biāo)定驅(qū)動(dòng)模塊采樣電路參數(shù)，再調(diào)整負(fù)載工作電壓，驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)模塊采樣值與裝置采樣值誤差是否在規(guī)定的范圍內(nèi)。如果滿足要求，則校準(zhǔn)成功，反之校準(zhǔn)失敗。

2.2? 工作流程

校準(zhǔn)裝置校準(zhǔn)過程完全自動(dòng)化，校準(zhǔn)過程分為設(shè)備啟動(dòng)、零偏校準(zhǔn)、增益校準(zhǔn)、結(jié)果驗(yàn)證四個(gè)階段，軟件工作流程圖如圖7所示，具體過程如下：

1）設(shè)備啟動(dòng)。設(shè)備上電前，先將驅(qū)動(dòng)模塊和交流負(fù)載電阻連接到校準(zhǔn)設(shè)備上，并將交流220 V市電接入交流輸入端子。設(shè)備通電后，處理器先讀取存儲(chǔ)單元中的配置信息并初始化校準(zhǔn)裝置使用的軟硬件接口，通過人機(jī)交互接口和語音提示單元發(fā)布校準(zhǔn)設(shè)備信息。設(shè)備完成初始化后，自動(dòng)執(zhí)行驅(qū)動(dòng)模塊的通道與燈色校準(zhǔn)流程，流程分兩步進(jìn)行，分別是零偏校準(zhǔn)和增益校準(zhǔn)。

2）零偏校準(zhǔn)。設(shè)備先進(jìn)行零偏參數(shù)校準(zhǔn)，為減少校準(zhǔn)時(shí)間，實(shí)行一次性校準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)模塊的所有采集通道。通過CAN總線發(fā)送零偏校準(zhǔn)命令（自定義）后，進(jìn)入等待回復(fù)狀態(tài)；若超時(shí)5 s后仍未收到零偏校準(zhǔn)完成的回復(fù)，需要重新發(fā)送零偏校準(zhǔn)指令，若連續(xù)3次收不到回復(fù)，則停止校準(zhǔn)并通過人機(jī)接口（OLED屏）和語音提示單元發(fā)布故障信息；若收到零偏校準(zhǔn)完成的回復(fù)，則進(jìn)入通道增益校準(zhǔn)流程。

3）增益校準(zhǔn)。增益校準(zhǔn)需要對(duì)驅(qū)動(dòng)模塊的所有輸出通道進(jìn)行校準(zhǔn)，且每次只校準(zhǔn)一個(gè)通道的一種燈色（紅、黃、綠）。進(jìn)入增益校準(zhǔn)后，先通過CAN總線發(fā)送當(dāng)前校準(zhǔn)的通道號(hào)和燈色，延時(shí)100 ms后讀取CAN總線應(yīng)答消息；如果沒有收到應(yīng)答消息，則重發(fā)校準(zhǔn)通道號(hào)和燈色命令，若連續(xù)3次收不到應(yīng)答信息，則通過人機(jī)交互接口和語音提示單元提示校準(zhǔn)失敗并停止后續(xù)操作。若收到校準(zhǔn)通道號(hào)和燈色的應(yīng)答信息，先延時(shí)3 s等待當(dāng)前通道燈色穩(wěn)定負(fù)載輸出；延時(shí)結(jié)束后，處理單元讀取板載采集芯片寄存器數(shù)據(jù)，計(jì)算交流負(fù)載的電壓電流有效值，通過CAN總線連同燈色狀態(tài)一起發(fā)送給驅(qū)動(dòng)模塊。延時(shí)100 ms后讀取CAN總線的應(yīng)答消息，如果收不到應(yīng)答消息，則重發(fā)電壓電流值與燈色，若超過3次不成功，則通過人機(jī)交互接口和語音提示模塊提示校準(zhǔn)失敗并停止后續(xù)操作。若收到應(yīng)答則進(jìn)入當(dāng)前通道燈色的校準(zhǔn)結(jié)果驗(yàn)證階段。

4）結(jié)果驗(yàn)證。進(jìn)入當(dāng)前通道的結(jié)果驗(yàn)證階段，處理單元先調(diào)整固態(tài)調(diào)壓器的輸出電壓（推薦與校準(zhǔn)標(biāo)定電壓差值大于30 V），然后延時(shí)3 s等待系統(tǒng)狀態(tài)恢復(fù)穩(wěn)定。延時(shí)結(jié)束后，通過CAN總線向驅(qū)動(dòng)模塊發(fā)送電壓電流值讀取命令并通過設(shè)備自身的采集芯片讀取負(fù)載當(dāng)前的電壓電流值。延時(shí)100 ms后讀取CAN總線應(yīng)答消息，比較采樣值和應(yīng)答值的電壓電流差值。若誤差均在1%以內(nèi)，則校準(zhǔn)成功，反之校準(zhǔn)失敗。

當(dāng)前通道燈色校準(zhǔn)完成后，需要判斷是否全部通道的所有燈色都校準(zhǔn)完成了。如果沒有全部完成，則轉(zhuǎn)入下一個(gè)通道或燈色的增益校準(zhǔn)流程。如果全部校準(zhǔn)完成，則更新人機(jī)交互接口的顯示，播報(bào)語音提示結(jié)果后停止校準(zhǔn)操作。

2.3? 效果分析

使用校準(zhǔn)裝置隨機(jī)對(duì)100個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行生產(chǎn)校準(zhǔn)與測試，驅(qū)動(dòng)模塊的平均校準(zhǔn)時(shí)間為45 s，驅(qū)動(dòng)模塊的平均更換時(shí)間約為10 s。相比以前采用人工經(jīng)驗(yàn)校準(zhǔn)的生產(chǎn)檢測方式，在校準(zhǔn)精度和效率上都有了顯著的提高。

3? 結(jié)? 論

本文設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)模塊校準(zhǔn)裝置在需求設(shè)計(jì)、方案設(shè)計(jì)、器件選型等多個(gè)環(huán)節(jié)，都充分考慮了裝置的安全性和可靠性，并且在生產(chǎn)測試中不斷地加以完善。目前，校準(zhǔn)裝置已經(jīng)小批量生產(chǎn)并應(yīng)用于公司信號(hào)機(jī)產(chǎn)品的生產(chǎn)檢測當(dāng)中。

由于校準(zhǔn)裝置研發(fā)周期較短，產(chǎn)品還存在3個(gè)有待改進(jìn)的地方：

1）校準(zhǔn)裝置一次只能校準(zhǔn)一個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊，擴(kuò)展連接器數(shù)量，可以提升單次校準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)模塊的數(shù)量，進(jìn)一步提升檢測效率。

2）各信號(hào)機(jī)廠家的驅(qū)動(dòng)模塊接口存在一定差異，如若連接其他廠家驅(qū)動(dòng)模塊，可能需要設(shè)置一個(gè)接口轉(zhuǎn)接板。

3）驅(qū)動(dòng)模塊校準(zhǔn)過程尚未實(shí)現(xiàn)全程自動(dòng)化，模塊更換還需要人工操作。

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作者簡介：岳彩林（1983—），男，漢族，安徽阜陽

人，初級(jí)工程師，本科，主要研究方向：智能交通技術(shù)研究與應(yīng)用。