Ovladač dopravního signálu: 4 kroky

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:20

Často existují scénáře, kde jsou pro koordinaci provozu přes křižovatku rušné ulice a málo používané boční ulice nutné flexibilní sekvence dopravních signálů. V takových situacích lze sekvence ovládat pomocí různých časovačů a signálu detekce provozu z vedlejší ulice. Tyto požadavky lze splnit běžnými způsoby, např. pomocí stavebních bloků z diskrétních elektronických součástek nebo mikrokontrolérů. Koncept konfigurovatelných integrovaných obvodů se smíšeným signálem (CMIC) však poskytuje atraktivní alternativu s ohledem na flexibilitu návrhu, nízké náklady, dobu vývoje a pohodlí. Mnoho regionů a zemí přechází ke komplikovanějším sítím, které pojmou větší počet proměnných pro ovládání semaforů. Mnoho semaforů však stále využívá řízení pevného času, jako například elektromechanické ovladače signálu. Účelem této poznámky k aplikaci je ukázat, jak lze pomocí asynchronního stavového stroje (ASM) GreenPAK vyvinout zjednodušený řadič dopravního signálu, který nahradí řadič s pevným časem. Tento dopravní signál reguluje provoz procházející křižovatkou rušné hlavní ulice a málo používané vedlejší ulice. Řadič by řídil sled dvou dopravních signálů, které jsou instalovány na hlavní a vedlejší ulici. Signál senzoru, který detekuje přítomnost postranního provozu na ulici, je přiváděn do ovladače, který by ve spojení se dvěma časovači řídil posloupnost dopravních signálů. Je vyvinuto schéma stroje s konečným stavem (FSM), které zajišťuje splnění požadavků sledu dopravních signálů. Logika řadiče je implementována pomocí dialogu konfigurovatelného integrovaného obvodu smíšeného signálu GreenPAK ™ SLG46537.

Níže jsme popsali potřebné kroky, abychom pochopili, jak byl čip GreenPAK naprogramován tak, aby vytvořil ovladač dopravního signálu. Pokud však chcete získat pouze výsledek programování, stáhněte si software GreenPAK a zobrazte již dokončený soubor návrhu GreenPAK. Připojte vývojovou sadu GreenPAK k počítači a spusťte program a vytvořte vlastní integrovaný obvod pro ovladač dopravního signálu.

Krok 1: Požadavky

Zvažte dopravní scénář s časovými požadavky na dopravní signály z hlavní a vedlejší ulice, jak ukazuje obrázek 1. Systém má šest stavů a bude se pohybovat z jednoho stavu do druhého v závislosti na určitých předdefinovaných podmínkách. Tyto podmínky jsou založeny na třech časovačích; dlouhý časovač TL = 25 s, krátký časovač TS = 4 s a přechodný časovač Tt = 1 s. Kromě toho je vyžadován digitální vstup ze senzoru detekce bočního provozu. Podrobný popis každého ze šesti stavů systému a signálů řízení přechodu stavu je uveden níže: V prvním stavu je hlavní signál zelený, boční signál červený. Systém zůstane v tomto stavu, dokud nevyprší časový spínač (TL = 25 s) nebo dokud ve vedlejší ulici nebude žádné vozidlo. Pokud je vozidlo přítomno ve vedlejší ulici po uplynutí dlouhého časovače, systém projde změnou stavu a přejde do druhého stavu. Ve druhém stavu se hlavní signál zbarví žlutě, zatímco boční signál zůstane červený po dobu krátkého časovače (TS = 4 s). Po 4 sekundách se systém přesune do třetího stavu. Ve třetím stavu se hlavní signál změní na červený a boční signál zůstane červený po dobu přechodného časovače (Tt = 1 s). Po 1 sekundě se systém přesune do čtvrtého stavu. Během čtvrtého stavu je hlavní signál červený, zatímco boční signál se změní na zelenou. Systém zůstane v tomto stavu do vypršení platnosti dlouhého časovače (TL = 25 s) a ve vedlejší ulici budou přítomna některá vozidla. Jakmile vyprší dlouhý časovač nebo ve vedlejší ulici není žádné vozidlo, systém přejde do pátého stavu. Během pátého stavu je hlavní signál červený, zatímco boční signál je žlutý po dobu krátkého časovače (TS = 4 s). Po 4 sekundách se systém přesune do šestého stavu. V šestém a posledním stavu systému jsou hlavní i boční signály červené po dobu přechodného časovače (Tt = 1 s). Poté se systém vrátí do prvního stavu a začne znovu. Třetí a šestý stav poskytují stav vyrovnávací paměti, kde oba (hlavní i boční) signály zůstávají během přechodu na krátkou dobu červené. Stavy 3 a 6 jsou podobné a mohou se zdát nadbytečné, nicméně to umožňuje implementaci navrhovaného schématu být jednoduchou.

Krok 2: Implementační schéma

Kompletní blokové schéma systému je znázorněno na obrázku 2. Tento obrázek ukazuje celkovou strukturu, funkci systému a uvádí seznam všech požadovaných vstupů a výstupů. Navrhovaný řadič dopravního signálu byl postaven kolem konceptu stroje s konečným stavem (FSM). Výše popsané požadavky na časování jsou přeloženy do šestistavového FSM, jak je znázorněno na obrázku 3.

Výše uvedené proměnné stavu jsou: Vs-Ve vedlejší ulici je vozidlo

TL - 25 s časovač (dlouhý časovač) je zapnutý

TS - 4 s časovač (krátký časovač) je zapnutý

Tt - Časovač 1 s (přechodný časovač) je zapnutý

Pro implementaci FSM byl vybrán Dialog GreenPAK CMIC SLG46537. Toto vysoce univerzální zařízení umožňuje navrhnout širokou škálu funkcí smíšeného signálu ve velmi malém jediném integrovaném obvodu s nízkým výkonem. IC navíc obsahuje makrobuňku ASM navrženou tak, aby uživateli umožnila vytvářet stavové automaty s až 8 stavy. Uživatel má možnost definovat počet stavů, přechody stavů a vstupní signály, které způsobí přechody z jednoho stavu do druhého.

Krok 3: Implementace pomocí GreenPAK

FSM vyvinutý pro provoz řadiče provozu je implementován pomocí SLG46537 GreenPAK. V programu GreenPak Designer je schéma implementováno podle obrázku 4.

PIN3 a PIN4 jsou konfigurovány jako digitální vstupní piny; PIN3 je připojen ke vstupu snímače bočních ulic a PIN4 slouží k resetování systému. PINy 5, 6, 7, 14, 15 a 16 jsou konfigurovány jako výstupní piny. PINy 5, 6 a 7 jsou předány ovladačům červeného, žlutého a zeleného světla bočního signálu. PINy 14, 15 a 16 jsou předány ovladačům zeleného, žlutého a červeného světla hlavního signálu. Tím je dokončena konfigurace I/O schématu. V srdci schématu leží blok ASM. Vstupy bloku ASM, které regulují změny stavu, se získávají z kombinatorické logiky pomocí tří bloků čítače/zpoždění (TS, TL a TT) a vstupu ze snímače bočního vozidla. Kombinatorická logika je dále kvalifikována pomocí informací o stavu zpětně zpět do LUT. Informace o stavu prvního, druhého, čtvrtého a pátého stavu se získávají pomocí kombinací výstupů B0 a B1 bloku ASM. Kombinace B0 a B1 odpovídající prvnímu, druhému, čtvrtému a pátému stavu jsou (B0 = 0, B1 = 0), (B0 = 1, B1 = 0), (B0 = 1, B1 = 1) a (B0 = 0, B1 = 1). Informace o stavech 3. a 6. stavu se získávají přímo aplikací operátoru AND na hlavní červené a boční červené signály. Přivedení informací o těchto stavech do kombinatorické logiky zajišťuje, že se spustí pouze relevantní časovače. Ostatní výstupy bloku ASM jsou přiřazeny hlavním semaforům (hlavní červená, hlavní žlutá a hlavní zelená) a bočním semaforům (boční červená, boční žlutá a boční zelená).

Konfigurace bloku ASM je znázorněna na obrázku 5 a obrázku 6. Stavy zobrazené na obrázku 5 odpovídají definovanému prvnímu, druhému, třetím, čtvrtému, pátému a šestému stavu uvedenému na obrázku 3. Konfigurace výstupní paměti RAM ASM blok je zobrazen na obrázku 6.

Časovače TL, TS a TT jsou implementovány pomocí bloků čítače/zpoždění CNT1/DLY1, CNT2/DLY2 a CNT3/DLY3. Všechny tyto tři bloky jsou konfigurovány v režimu zpoždění s detekcí stoupající hrany. Jak ukazuje obrázek 3, první a čtvrtý stav spouští TL, druhý a pátý stav spouští TS a třetí a šestý stav spouští TT pomocí kombinatorické logiky. Když jsou spuštěny časovače zpoždění, jejich výstupy zůstanou 0, dokud nakonfigurované zpoždění nedokončí své trvání. Tímto způsobem TL ‘, TS‘a TT’

signály jsou přímo získávány z výstupů bloků CNT1/DLY1, CNT2/DLY2 a CNT3/DLY3. TS ‘je přímo přiváděno do přechodového vstupu druhého a pátého stavu, zatímco TT’ je předáváno přechodovým vstupům třetího a šestého stavu. TL je na druhé straně předáváno do kombinatorických logických bloků (LUT), které dávají signály TL ‘Vs a TL‘+ VS’, které jsou přiváděny do přechodových vstupů prvního a 4. stavu. Tím je implementace FSM pomocí návrháře GreenPAK dokončena.

Krok 4: Výsledky

Pro účely testování je návrh emulován na Universal Development Board GreenPAK pomocí SLG46537. Signály semaforu (ekvivalent k digitálním výstupním pinům 5, 6, 7, 14, 15 a 16) slouží k aktivaci LED diod, které jsou již k dispozici na vývojové radě GreenPAK, k vizuálnímu sledování chování FSM. Abychom plně prozkoumali dynamické chování vyvinutého schématu, použili jsme k propojení se SLG46537 desku Arduino UNO. Deska Arduino poskytuje do schématu vstupy senzoru detekce vozidla a reset systému, zatímco získává signály ze semaforu ze systému. Deska Arduino se používá jako vícekanálový logický analyzátor pro záznam a grafické znázornění dočasného fungování systému. Jsou vyvinuty a testovány dva scénáře, které zachycují obecné chování systému. Obrázek 7 ukazuje první scénář schématu, kdy jsou některá vozidla vždy přítomna ve vedlejší ulici. Když je potvrzen resetovací signál, systém se spustí v prvním stavu, přičemž jsou zapnuty pouze hlavní zelené a boční červené signály a všechny ostatní signály jsou vypnuty. Protože jsou vždy přítomna boční vozidla, následuje další přechod do druhého stavu o 25 sekund později zapnutím hlavních žlutých a bočních červených signálů. O čtyři sekundy později přejde ASM do třetího stavu, kdy hlavní červená a boční červená signalizace zůstanou zapnuté po dobu 1 sekundy. Systém poté přejde do čtvrtého stavu se zapnutými hlavními červenými a bočními zelenými signály. Protože boční vozidla jsou vždy přítomna, další přechod proběhne o 25 sekund později, čímž se ASM přesune do pátého stavu. Přechod z pátého do šestého stavu nastane o 4 sekundy později, protože platnost TS vyprší. Systém zůstane v šestém stavu po dobu 1 sekundy, než ASM znovu vstoupí do prvního stavu.

Obrázek 8 ukazuje chování schématu ve druhém scénáři, když je na návěstidle přítomno několik postranních vozidel. Bylo zjištěno, že chování systému funguje tak, jak bylo navrženo. Systém se spustí v prvním stavu se zapnutými pouze hlavními zelenými a bočními červenými signály a všechny ostatní signály budou vypnuty o 25 sekund později, následuje další přechod, protože je přítomno boční vozidlo. Ve druhém stavu jsou zapnuty hlavní žluté a boční červené signály. Po 4 sekundách přejde ASM do třetího stavu se zapnutou hlavní červenou a boční červenou signalizací. Systém zůstane ve třetím stavu po dobu 1 sekundy a poté se přesune do čtvrtého stavu, přičemž hlavní červenou a boční zelenou. Jakmile se sníží vstup senzoru vozidla (když projdou všechna boční vozidla), systém přejde do pátého stavu, kde svítí hlavní červená a boční žlutá. Poté, co systém setrvá v pátém stavu po dobu čtyř sekund, přejde do šestého stavu a hlavní i boční signály změní na červenou. Tyto signály zůstanou červené po dobu 1 sekundy, než ASM znovu vstoupí do prvního stavu. Skutečné scénáře by byly založeny na kombinaci těchto dvou popsaných scénářů, u nichž se zjistilo, že fungují správně.

Závěr V této aplikaci byl pomocí Dialog GreenPAK SLG46537 implementován ovladač provozu, který dokáže řídit provoz procházející křižovatkou rušné hlavní ulice a málo používané vedlejší ulice. Schéma je založeno na ASM, který zajišťuje splnění požadavků na pořadí návěstidel. Chování konstrukce bylo ověřeno několika LED diodami a mikrokontrolérem Arduino UNO. Výsledky ověřily, že byly splněny cíle návrhu. Klíčovou výhodou používání produktu Dialog je odstranění potřeby samostatných elektronických součástek a mikrokontroléru k vybudování stejného systému. Stávající design lze rozšířit přidáním vstupního signálu z tlačítka pro průchod chodce, který chce přejít rušnou ulici. Signál může být předán do brány OR spolu se signálem ze vstupního snímače bočního vozidla, aby se spustila první změna stavu. Aby však byla zajištěna bezpečnost chodců, existuje nyní další požadavek na určitý minimální čas strávený ve čtvrtém stavu. Toho lze snadno dosáhnout pomocí jiného bloku časovače. Zelené a červené signály na návěstidle bočního pouličního provozu lze nyní přivádět také na boční návěstidla pro chodce ve vedlejší ulici.