Kontroler sygnalizacji drogowej: 4 kroki

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:28

Często zdarzają się scenariusze, w których do koordynacji ruchu na skrzyżowaniu ruchliwej ulicy i słabo uczęszczanej bocznej ulicy wymagane są elastyczne sekwencje sygnalizacji. W takich sytuacjach sekwencjami można sterować za pomocą różnych timerów i sygnału detekcji ruchu z bocznej ulicy. Wymagania te można spełnić konwencjonalnymi metodami m.in. przy użyciu bloków konstrukcyjnych z dyskretnych komponentów elektronicznych lub mikrokontrolerów. Jednak koncepcja konfigurowalnych układów scalonych sygnałów mieszanych (CMIC) stanowi atrakcyjną alternatywę, biorąc pod uwagę elastyczność projektowania, niski koszt, czas projektowania i wygodę. Wiele regionów i krajów przechodzi na bardziej skomplikowane sieci, które mogą uwzględniać większą liczbę zmiennych do sterowania sygnalizacją świetlną. Jednak wiele sygnalizacji świetlnej nadal wykorzystuje sterowanie stałe, takie jak elektromechaniczne sterowniki sygnalizacji. Celem tej noty aplikacyjnej jest pokazanie, w jaki sposób można wykorzystać Asynchroniczną Maszynę Stanową (ASM) GreenPAK do opracowania uproszczonego sterownika sygnalizacji świetlnej, który zastąpi sterownik stały. Ten sygnalizator reguluje ruch przechodzący przez skrzyżowanie ruchliwej ulicy głównej i słabo uczęszczanej ulicy bocznej. Sterownik sterowałby sekwencją dwóch sygnalizatorów, które są zainstalowane na głównej i bocznej ulicy. Sygnał czujnika, wykrywający obecność bocznego ruchu ulicznego, jest podawany do sterownika, który w połączeniu z dwoma zegarami będzie sterował sekwencją sygnałów drogowych. Opracowano schemat automatu skończonego (FSM), który zapewnia spełnienie wymagań sekwencji sygnałów ruchu. Logika sterownika jest realizowana za pomocą konfigurowalnego układu scalonego sygnału mieszanego GreenPAK™ SLG46537.

Poniżej opisaliśmy kroki potrzebne do zrozumienia, w jaki sposób chip GreenPAK został zaprogramowany do stworzenia kontrolera sygnałów drogowych. Jeśli jednak chcesz tylko uzyskać wynik programowania, pobierz oprogramowanie GreenPAK, aby wyświetlić już ukończony plik projektu GreenPAK. Podłącz zestaw rozwojowy GreenPAK do komputera i naciśnij program, aby utworzyć niestandardowy układ scalony dla kontrolera sygnalizacji drogowej.

Krok 1: Wymagania

Rozważmy scenariusz ruchu z wymaganiami czasowymi sygnałów drogowych z głównej i bocznej ulicy, jak pokazano na rysunku 1. System ma sześć stanów i będzie przechodził z jednego stanu do drugiego w zależności od określonych wcześniej warunków. Warunki te są oparte na trzech zegarach; zegar długi TL =25 s, zegar krótki TS = 4 s i zegar przejściowy Tt = 1 s. Dodatkowo wymagane jest wejście cyfrowe z bocznego czujnika ruchu. Szczegółowy opis każdego z sześciu stanów systemu oraz sygnałów sterujących zmianą stanu jest podany poniżej: W pierwszym stanie sygnał główny jest zielony, a sygnał boczny jest czerwony. System pozostanie w tym stanie do czasu wygaśnięcia długiego timera (TL = 25 s) lub tak długo, jak na bocznej ulicy nie będzie żadnego pojazdu. Jeżeli pojazd znajdzie się na bocznej uliczce po wygaśnięciu długiego timera, system przejdzie zmianę stanu, przechodząc do drugiego stanu. W drugim stanie sygnał główny zmienia kolor na żółty, podczas gdy sygnał boczny pozostaje czerwony przez czas trwania krótkiego timera (TS = 4 s). Po 4 sekundach system przechodzi do trzeciego stanu. W trzecim stanie sygnał główny zmienia się na czerwony, a sygnał boczny pozostaje czerwony przez czas trwania timera przejściowego (Tt=1 s). Po 1 sekundzie system przechodzi do czwartego stanu. W czwartym stanie sygnał główny jest czerwony, a sygnał boczny zmienia kolor na zielony. System pozostanie w tym stanie do czasu wygaśnięcia długiego czasu (TL = 25 s), a na bocznej ulicy znajduje się kilka pojazdów. Gdy tylko upłynie długi czas lub na bocznej ulicy nie będzie żadnego pojazdu, system przejdzie w piąty stan. W piątym stanie sygnał główny jest czerwony, natomiast sygnał boczny jest żółty na czas trwania krótkiego timera (TS = 4 s). Po 4 sekundach system przejdzie w szósty stan. W szóstym i ostatnim stanie układu zarówno sygnał główny, jak i poboczny są czerwone przez czas timera przejściowego (Tt=1s). Następnie system wraca do pierwszego stanu i zaczyna od nowa. Trzeci i szósty stan zapewniają stan bufora, w którym oba sygnały (główny i boczny) pozostają czerwone przez krótki czas podczas przełączania. Stany 3 i 6 są podobne i mogą wydawać się zbędne, jednak pozwala to na prostą implementację proponowanego schematu.

Krok 2: Schemat wdrażania

Kompletny schemat blokowy systemu pokazano na rysunku 2. Rysunek ten ilustruje ogólną strukturę, funkcję systemu i zawiera listę wszystkich wymaganych wejść i wyjść. Proponowany sterownik sygnalizacji ruchu został zbudowany wokół koncepcji automatu skończonego (FSM). Opisane powyżej wymagania czasowe są tłumaczone na sześciostanowy FSM, jak pokazano na rysunku 3.

Przedstawione powyżej zmienne zmiany stanu to: Vs – pojazd znajduje się na bocznej ulicy

TL – Timer 25 s (długi timer) jest włączony

TS – Timer 4 s (krótki timer) jest włączony

Tt – Timer 1 s (timer przejściowy) jest włączony

Do wdrożenia FSM wybrano Dialog GreenPAK CMIC SLG46537. To bardzo wszechstronne urządzenie umożliwia zaprojektowanie szerokiej gamy funkcji sygnałów mieszanych w bardzo małym, pojedynczym układzie scalonym o niskim poborze mocy. Ponadto układ scalony zawiera makrokomórkę ASM zaprojektowaną, aby umożliwić użytkownikowi tworzenie maszyn stanów posiadających do 8 stanów. Użytkownik ma możliwość elastycznego definiowania liczby stanów, przejść stanów oraz sygnałów wejściowych, które spowodują przejście z jednego stanu do drugiego.

Krok 3: Wdrożenie za pomocą GreenPAK

FSM opracowany do obsługi kontrolera ruchu jest realizowany przy użyciu SLG46537 GreenPAK. W GreenPak Designer schemat jest realizowany tak, jak pokazano na rysunku 4.

PIN3 i PIN4 są skonfigurowane jako piny wejścia cyfrowego; PIN3 jest podłączony do wejścia czujnika bocznej ulicy, a PIN4 służy do resetowania systemu. Piny 5, 6, 7, 14, 15 i 16 są skonfigurowane jako piny wyjściowe. Kody PIN 5, 6 i 7 są przekazywane odpowiednio do sterowników czerwonego, żółtego i zielonego światła bocznego. Kody PIN 14, 15 i 16 są przekazywane odpowiednio do sterowników zielonego, żółtego i czerwonego sygnału głównego sygnału. Na tym kończy się konfiguracja we/wy schematu. Sercem schematu jest blok ASM. Wejścia bloku ASM, które regulują zmiany stanu, są uzyskiwane z logiki kombinatorycznej przy użyciu trzech bloków liczników/opóźnień (TS, TL i TT) oraz sygnału wejściowego z bocznego czujnika pojazdu. Logika kombinatoryczna jest dalej kwalifikowana przy użyciu informacji o stanie przekazywanych z powrotem do LUT. Informacje o stanie pierwszego, drugiego, czwartego i piątego stanu są uzyskiwane przy użyciu kombinacji wyjść B0 i B1 bloku ASM. Kombinacje B0 i B1 odpowiadające pierwszemu, drugiemu, czwartemu i piątemu stanowi to (B0 = 0, B1 = 0), (B0 = 1, B1 = 0), (B0 = 1, B1 = 1) i (B0 = 0, B1 = 1, odpowiednio. Informacje o stanach trzeciego i szóstego stanu są uzyskiwane bezpośrednio przez zastosowanie operatora AND do głównych sygnałów czerwonych i bocznych czerwonych sygnałów. Dostarczenie informacji o tych stanach do logiki kombinatorycznej zapewnia, że wyzwalane są tylko odpowiednie zegary. Pozostałe wyjścia bloku ASM są przypisane do głównych sygnalizacji świetlnej (główna czerwona, główna żółta i główna zielona) i bocznych (boczna czerwona, boczna żółta i boczna zielona).

Konfiguracja bloku ASM jest pokazana na Rysunku 5 i Rysunku 6. Stany pokazane na Rysunku 5 odpowiadają zdefiniowanym pierwszym, drugim, trzecim, czwartym, piątym i szóstym stanom przedstawionym na Rysunku 3. Konfiguracja wyjściowej pamięci RAM modułu ASM blok pokazano na rysunku 6.

Timery TL, TS i TT są realizowane za pomocą bloków licznika/opóźnienia odpowiednio CNT1/DLY1, CNT2/DLY2 i CNT3/DLY3. Wszystkie te trzy bloki są skonfigurowane w trybie opóźnienia z wykrywaniem zbocza narastającego. Jak pokazano na rysunku 3, pierwszy i czwarty stan wyzwalają TL, drugi i piąty stan wyzwalają TS, a trzeci i szósty stan wyzwalają TT przy użyciu logiki kombinatorycznej. Gdy zegary opóźniające są wyzwalane, ich wyjścia pozostają 0, dopóki skonfigurowane opóźnienie nie zakończy się. W ten sposób TL’, TS’ i TT’

sygnały są uzyskiwane bezpośrednio z wyjść bloków CNT1/DLY1, CNT2/DLY2 i CNT3/DLY3. TS’ jest podawany bezpośrednio do wejścia przejścia drugiego i piątego stanu, podczas gdy TT’ jest przekazywany do wejścia przejścia trzeciego i szóstego stanu. Z kolei TL jest przekazywany do bloków logiki kombinatorycznej (LUT) podając sygnały TL’Vs i TL’+VS’, które są podawane na wejścia przejściowe odpowiednio pierwszego i czwartego stanu. Na tym kończy się wdrożenie FSM przy użyciu projektanta GreenPAK.

Krok 4: Wyniki

Do celów testowych projekt jest emulowany na uniwersalnej płytce rozwojowej GreenPAK przy użyciu SLG46537. Sygnały sygnalizacji świetlnej (odpowiadające pinom 5, 6, 7, 14, 15 i 16 wyjścia cyfrowego) służą do aktywacji diod LED, które są już dostępne na płytce rozwojowej GreenPAK, aby wizualnie obserwować zachowanie FSM. Aby w pełni zbadać dynamiczne zachowanie opracowanego schematu, użyliśmy płytki Arduino UNO do połączenia z SLG46537. Płytka Arduino dostarcza sygnał wejściowy czujnika wykrywania pojazdu i sygnały resetowania systemu do schematu, podczas gdy odbiera sygnały świetlne z systemu. Płytka Arduino służy jako wielokanałowy analizator stanów logicznych do rejestrowania i graficznego przedstawiania czasowego funkcjonowania systemu. Opracowywane i testowane są dwa scenariusze, które rejestrują ogólne zachowanie systemu. Rysunek 7 przedstawia pierwszy scenariusz schematu, w którym niektóre pojazdy są zawsze obecne na bocznej ulicy. Po potwierdzeniu sygnału resetowania system uruchamia się w pierwszym stanie z włączonymi tylko głównym zielonym i bocznym czerwonym sygnałem, a wszystkie pozostałe sygnały są wyłączone. Ponieważ pojazdy boczne są zawsze obecne, następne przejście do drugiego stanu następuje 25 sekund później, włączając główny żółty i boczny czerwony sygnał. Cztery sekundy później ASM wchodzi w trzeci stan, w którym główny czerwony i boczny czerwony sygnał pozostają włączone przez 1 sekundę. System przechodzi następnie w czwarty stan z włączonymi głównymi czerwonymi i bocznymi zielonymi sygnałami. Ponieważ pojazdy boczne są zawsze obecne, następne przejście następuje 25 sekund później, przenosząc ASM do piątego stanu. Przejście z piątego do szóstego stanu następuje 4 sekundy później po wygaśnięciu TS. System pozostaje w szóstym stanie przez 1 sekundę, zanim ASM ponownie wejdzie w pierwszy stan.

Rysunek 8 przedstawia zachowanie schematu w drugim scenariuszu, gdy kilka bocznych pojazdów jest obecnych na sygnalizacji świetlnej. Stwierdzono, że zachowanie systemu działa zgodnie z założeniami. System uruchamia się w pierwszym stanie z włączonymi tylko głównym zielonym i bocznym czerwonym sygnałem, a wszystkie pozostałe sygnały zostaną wyłączone 25 sekund później, następuje następne przejście, ponieważ obecny jest pojazd boczny. Główny żółty i boczny czerwony sygnał są włączone w drugim stanie. Po 4 sekundach ASM wchodzi w trzeci stan z włączonym głównym czerwonym i bocznym czerwonym sygnałem. System pozostaje w trzecim stanie przez 1 sekundę, a następnie przechodzi do czwartego stanu, utrzymując główny czerwony i zielony boczny. Gdy tylko sygnał wejściowy czujnika pojazdu spadnie (gdy wszystkie boczne pojazdy przejadą), system wchodzi w piąty stan, w którym główny czerwony i boczny żółty są włączone. Po pozostaniu w stanie piątym przez cztery sekundy system przechodzi do stanu szóstego, włączając na czerwono sygnały główne i boczne. Sygnały te pozostają czerwone przez 1 sekundę, zanim ASM ponownie wejdzie w pierwszy stan. Rzeczywiste scenariusze byłyby oparte na połączeniu tych dwóch opisanych scenariuszy, które okazały się działać poprawnie.

WniosekW tej aplikacji należy zwrócić uwagę na kontroler ruchu, który może zarządzać ruchem przechodzącym przez skrzyżowanie ruchliwej ulicy głównej i mało uczęszczanej ulicy bocznej, za pomocą Dialog GreenPAK SLG46537. Schemat oparty jest na ASM, który zapewnia spełnienie wymagań sekwencji sygnałów ruchu. Zachowanie projektu zostało zweryfikowane przez kilka diod LED oraz mikrokontroler Arduino UNO. Wyniki potwierdziły, że cele projektowe zostały spełnione. Kluczową zaletą korzystania z produktu Dialog jest wyeliminowanie potrzeby stosowania dyskretnych elementów elektronicznych i mikrokontrolera do zbudowania tego samego systemu. Istniejący projekt można rozbudować, dodając sygnał wejściowy z przycisku dla przejścia pieszego chcącego przejść przez ruchliwą ulicę. Sygnał może być przekazany do bramki OR wraz z sygnałem z bocznego czujnika wejściowego pojazdu, aby wyzwolić pierwszą zmianę stanu. Jednak, aby zapewnić bezpieczeństwo pieszym, teraz istnieje dodatkowy wymóg minimalnego czasu spędzonego w czwartym stanie. Można to łatwo osiągnąć za pomocą innego bloku czasowego. Sygnały zielone i czerwone sygnalizacji świetlnej w bocznej ulicy mogą być teraz podawane również na boczne sygnalizatory dla pieszych na bocznej ulicy.