Ovládač dopravného signálu: 4 kroky

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:56

Často existujú scenáre, kde sú na koordináciu dopravy cez križovatku rušnej ulice a málo využívanej bočnej ulice potrebné flexibilné sekvencie dopravných signálov. V takýchto situáciách je možné sekvencie ovládať pomocou rôznych časovačov a signálu detekcie premávky z vedľajšej ulice. Tieto požiadavky je možné splniť konvenčnými metódami, napr. pomocou stavebných blokov z diskrétnych elektronických súčiastok alebo mikrokontrolérov. Koncept konfigurovateľných integrovaných obvodov so zmiešaným signálom (CMIC) však ponúka atraktívnu alternatívu vzhľadom na flexibilitu návrhu, nízke náklady, čas vývoja a pohodlie. Mnoho regiónov a krajín prechádza na komplikovanejšie siete, ktoré môžu pojať väčší počet premenných na ovládanie semaforov. Mnoho semaforov však stále používa pevné časové riadenie, ako napríklad elektromechanické regulátory signálu. Účelom tejto aplikačnej poznámky je ukázať, ako je možné použiť asynchrónny stavový stroj (ASM) GreenPAK na vývoj zjednodušeného ovládača dopravných signálov, ktorý nahradí radič s pevným časom. Tento dopravný signál reguluje premávku prechádzajúcu križovatkou rušnej hlavnej ulice a málo využívanej bočnej ulice. Ovládač by riadil postupnosť dvoch semaforov, ktoré sú inštalované na hlavnej a vedľajšej ulici. Signál senzora, ktorý detekuje prítomnosť bočnej pouličnej premávky, je privádzaný do regulátora, ktorý by v spojení s dvoma časovačmi riadil postupnosť dopravných signálov. Je vyvinutá schéma mechanizmu konečného stavu (FSM), ktorá zaisťuje splnenie požiadaviek sekvencie dopravných signálov. Logika regulátora je implementovaná pomocou dialógového okna GreenPAK ™ SLG46537 konfigurovateľného IC so zmiešaným signálom.

Ďalej sme popísali potrebné kroky, aby ste pochopili, ako bol čip GreenPAK naprogramovaný na vytvorenie ovládača dopravného signálu. Ak však chcete získať iba výsledok programovania, stiahnite si softvér GreenPAK a zobrazte už dokončený súbor návrhu GreenPAK. Pripojte vývojovú súpravu GreenPAK k počítaču a spustite program, aby ste vytvorili vlastný integrovaný obvod pre ovládač dopravného signálu.

Krok 1: Požiadavky

Zvážte dopravný scenár s požiadavkami na načasovanie dopravných signálov z hlavnej a bočnej ulice, ako je to znázornené na obrázku 1. Systém má šesť stavov a bude sa pohybovať z jedného stavu do druhého v závislosti od určitých preddefinovaných podmienok. Tieto podmienky sú založené na troch časovačoch; dlhý časovač TL = 25 s, krátky časovač TS = 4 s a prechodný časovač Tt = 1 s. Okrem toho je potrebný digitálny vstup zo senzora detekcie bočnej premávky. Podrobný popis každého zo šiestich stavov systému a riadiacich signálov prechodu stavu je uvedený nižšie: V prvom stave je hlavný signál zelený, bočný signál červený. Systém zostane v tomto stave, kým nevyprší časový spínač (TL = 25 s) alebo pokiaľ sa vo vedľajšej ulici nenachádza žiadne vozidlo. Ak je vozidlo prítomné na bočnej ulici po uplynutí dlhého časovača, systém prejde zmenou stavu a prejde do druhého stavu. V druhom stave hlavný signál zožltne, zatiaľ čo bočný signál zostane červený po dobu krátkeho časovača (TS = 4 s). Po 4 sekundách sa systém prepne do tretieho stavu. V treťom stave sa hlavný signál zmení na červený a bočný signál zostane červený po dobu prechodného časovača (Tt = 1 s). Po 1 sekunde sa systém presunie do štvrtého stavu. Počas štvrtého stavu je hlavný signál červený, zatiaľ čo bočný signál svieti na zeleno. Systém zostane v tomto stave až do uplynutia dlhého časovača (TL = 25 s) a na bočnej ulici sa nachádzajú niektoré vozidlá. Hneď ako vyprší časový spínač alebo ak vo vedľajšej ulici nie je žiadne vozidlo, systém sa prepne do piateho stavu. Počas piateho stavu je hlavný signál červený, zatiaľ čo bočný signál je žltý počas krátkeho časovača (TS = 4 s). Po 4 sekundách sa systém prepne do šiesteho stavu. V šiestom a poslednom stave systému sú hlavný aj bočný signál červené po dobu prechodného časovača (Tt = 1 s). Potom sa systém vráti do prvého stavu a začne znova. Tretí a šiesty stav poskytujú stav vyrovnávacej pamäte, kde oba (hlavné aj bočné) signály zostanú počas prechodu na krátku dobu červené. Stavy 3 a 6 sú podobné a môžu sa zdať nadbytočné, čo však umožňuje jednoduchú implementáciu navrhovanej schémy.

Krok 2: Implementačná schéma

Kompletný blokový diagram systému je znázornený na obrázku 2. Tento obrázok ilustruje celkovú štruktúru, funkciu systému a uvádza zoznam všetkých požadovaných vstupov a výstupov. Navrhovaný regulátor dopravného signálu bol postavený na koncepcii stroja s konečným stavom (FSM). Vyššie uvedené požiadavky na načasovanie sú preložené do šesťstavového FSM, ako je znázornené na obrázku 3.

Vyššie uvedené premenné stavu sú: Vs-Na vedľajšej ulici je vozidlo

TL - 25 s časovač (dlhý časovač) je zapnutý

TS - Časovač na 4 s (krátky časovač) je zapnutý

Tt - Časovač 1 s (prechodný časovač) je zapnutý

Na implementáciu FSM bol zvolený Dialog GreenPAK CMIC SLG46537. Toto veľmi univerzálne zariadenie umožňuje navrhnúť najrozmanitejšie funkcie zmiešaného signálu vo veľmi malom jednom integrovanom obvode s nízkym výkonom. Integrovaný obvod ďalej obsahuje makrobunku ASM navrhnutú tak, aby používateľovi umožnil vytvárať stavové automaty s až 8 stavmi. Užívateľ má možnosť definovať počet stavov, stavové prechody a vstupné signály, ktoré spôsobia prechody z jedného stavu do druhého.

Krok 3: Implementácia pomocou GreenPAK

FSM vyvinutý na prevádzku regulátora premávky je implementovaný pomocou SLG46537 GreenPAK. V programe GreenPak Designer je schéma implementovaná, ako je znázornené na obrázku 4.

PIN3 a PIN4 sú nakonfigurované ako kolíky digitálneho vstupu; PIN3 je pripojený k vstupu snímača bočných ulíc a PIN4 slúži na reset systému. PIN 5, 6, 7, 14, 15 a 16 sú nakonfigurované ako výstupné kolíky. PIN 5, 6 a 7 sú odoslané ovládačom červeného, žltého a zeleného svetla bočného signálu. PIN 14, 15 a 16 sú odoslané zeleným, žltým a červeným ovládačom hlavného signálu. Tým sa dokončí konfigurácia I/O schémy. V srdci schémy leží blok ASM. Vstupy bloku ASM, ktoré regulujú zmeny stavu, sa získavajú z kombinatorickej logiky pomocou troch blokov počítadla/oneskorenia (TS, TL a TT) a vstupu zo snímača bočného vozidla. Kombinatorická logika sa ďalej kvalifikuje pomocou stavových informácií, ktoré sa vracajú späť do LUT. Informácie o stave prvého, druhého, štvrtého a piateho stavu sa získavajú pomocou kombinácií výstupov B0 a B1 bloku ASM. Kombinácie B0 a B1 zodpovedajúce prvému, druhému, štvrtému a piatemu stavu sú (B0 = 0, B1 = 0), (B0 = 1, B1 = 0), (B0 = 1, B1 = 1) a (B0 = 0, B1 = 1). Informácie o stavoch 3. a 6. stavu sa získavajú priamo aplikovaním operátora AND na hlavné červené a bočné červené signály. Privedenie informácií o týchto stavoch do kombinatorickej logiky zaisťuje, že sa spustia iba relevantné časovače. Ostatné výstupy bloku ASM sú priradené k hlavným semaforom (hlavný červený, hlavný žltý a hlavný zelený) a bočným semaforom (bočný červený, bočný žltý a bočný zelený).

Konfigurácia bloku ASM je zobrazená na obrázku 5 a obrázku 6. Stavy zobrazené na obrázku 5 zodpovedajú definovanému prvému, druhému, tretiemu, štvrtému, piatemu a šiestemu stavu uvedenému na obrázku 3. Konfigurácia výstupnej pamäte RAM ASM blok je znázornený na obrázku 6.

Časovače TL, TS a TT sú implementované pomocou blokov čítača/oneskorenia CNT1/DLY1, CNT2/DLY2 a CNT3/DLY3. Všetky tieto tri bloky sú nakonfigurované v režime oneskorenia s detekciou stúpajúcej hrany. Ako je znázornené na obrázku 3, prvý a štvrtý stav spúšťajú TL, druhý a piaty stav spúšťajú TS a tretí a šiesty stav spúšťajú TT pomocou kombinatorickej logiky. Keď sa spustia časovače oneskorenia, ich výstupy zostanú 0, kým nakonfigurované oneskorenie nedokončí svoje trvanie. Týmto spôsobom TL ', TS' a TT '

signály sa získavajú priamo z výstupov blokov CNT1/DLY1, CNT2/DLY2 a CNT3/DLY3. TS 'je priamo napájaný do prechodového vstupu druhého a piateho stavu, zatiaľ čo TT' je prenášaný do prechodových vstupov tretieho a šiesteho stavu. Na druhej strane TL je vedený do kombinatorických logických blokov (LUT), ktoré poskytujú signály TL ‘Vs a TL’+ VS’, ktoré sú privádzané do prechodových vstupov prvého a 4. stavu. Tým je implementácia FSM pomocou návrhára GreenPAK dokončená.

Krok 4: Výsledky

Na účely testovania je návrh emulovaný na univerzálnej vývojovej doske GreenPAK pomocou SLG46537. Signály semaforu (zodpovedajúce pinom digitálneho výstupu 5, 6, 7, 14, 15 a 16) sa používajú na aktiváciu LED diód, ktoré sú už k dispozícii na vývojovej rade GreenPAK, na vizuálne sledovanie správania FSM. Aby sme mohli úplne preskúmať dynamické správanie vyvinutej schémy, na prepojenie so SLG46537 sme použili dosku Arduino UNO. Doska Arduino poskytuje schéme vstupné signály senzora detekcie vozidla a reset systému, zatiaľ čo zo systému získava signály semaforu. Doska Arduino sa používa ako viackanálový logický analyzátor na zaznamenávanie a grafické zobrazenie dočasného fungovania systému. Sú vyvinuté a testované dva scenáre, ktoré zachytávajú všeobecné správanie systému. Obrázok 7 zobrazuje prvý scenár schémy, keď sú niektoré vozidlá vždy prítomné vo vedľajšej ulici. Keď je potvrdený signál resetovania, systém sa spustí v prvom stave iba so zapnutými hlavnými zelenými a bočnými červenými signálmi a všetkými ostatnými signálmi vypnutými. Pretože sú bočné vozidlá vždy prítomné, nasledujúci prechod do druhého stavu nasleduje o 25 sekúnd neskôr, keď zapnete hlavné žlté a bočné červené signály. O štyri sekundy neskôr ASM vstupuje do tretieho stavu, kde hlavné červené a bočné červené signály zostanú zapnuté 1 sekundu. Systém potom prejde do štvrtého stavu so zapnutými červenými a bočnými zelenými signálmi. Pretože vedľajšie vozidlá sú vždy prítomné, nasledujúci prechod sa uskutoční o 25 sekúnd neskôr, čím sa ASM presunie do piateho stavu. Prechod z piateho do šiesteho stavu nastáva o 4 sekundy neskôr, keď TS skončí. Systém zostane v šiestom stave po dobu 1 sekundy, kým ASM znova vstúpi do prvého stavu.

Obrázok 8 ukazuje správanie schémy v druhom scenári, keď je na dopravnom signáli prítomných niekoľko bočných vozidiel. Zistilo sa, že správanie systému funguje tak, ako bolo navrhnuté. Systém sa spustí v prvom stave, pričom sú zapnuté iba hlavné zelené a bočné červené signály a všetky ostatné signály sú vypnuté o 25 sekúnd neskôr, nasleduje nasledujúci prechod, pretože je prítomné bočné vozidlo. V druhom stave sú zapnuté hlavné žlté a bočné červené signály. Po 4 sekundách ASM prejde do tretieho stavu so zapnutými hlavnými červenými a bočnými červenými signálmi. Systém zostane v treťom stave 1 sekundu a potom sa presunie do štvrtého stavu, pričom hlavnú červenú a bočnú zelenú zapne. Hneď ako sa zníži vstup snímača vozidla (keď prejdú všetky bočné vozidlá), systém prejde do piateho stavu, v ktorom svieti hlavná červená a bočná žltá. Potom, čo zostanete v piatom stave štyri sekundy, systém sa presunie do šiesteho stavu a zmení hlavný aj bočný signál na červenú. Tieto signály zostanú červené po dobu 1 sekundy, kým sa ASM nevráti do prvého stavu. Skutočné scenáre by boli založené na kombinácii týchto dvoch opísaných scenárov, o ktorých sa zistilo, že fungujú správne.

Záver V tejto aplikácii bol pomocou dialógového okna GreenPAK SLG46537 implementovaný ovládač premávky, ktorý dokáže riadiť premávku prechádzajúcu križovatkou rušnej hlavnej ulice a málo používanej bočnej ulice. Schéma je založená na ASM, ktorý zaisťuje splnenie požiadaviek na postupnosť dopravných signálov. Správanie dizajnu bolo overené niekoľkými LED diódami a mikrokontrolérom Arduino UNO. Výsledky overili, že ciele projektu boli splnené. Kľúčovou výhodou použitia produktu Dialog je vyhnúť sa potrebe diskrétnych elektronických komponentov a mikrokontroléra vybudovať rovnaký systém. Existujúci dizajn je možné rozšíriť pridaním vstupného signálu z tlačidla na prechod chodca, ktorý chce prejsť rušnou ulicou. Signál môže byť odoslaný do brány OR spolu so signálom zo vstupného snímača bočného vozidla na spustenie prvej zmeny stavu. Aby sa však zaistila bezpečnosť chodcov, v štvrtom štáte je ďalšia požiadavka na minimálny čas. To sa dá ľahko dosiahnuť pomocou iného bloku časovača. Zelené a červené signály na svetelnom návestidle vo vedľajšej ulici je teraz možné napájať aj na bočné návestidlá pre chodcov vo vedľajšej ulici.