Контроллер дорожного сигнала: 4 шага

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:49

Часто существуют сценарии, в которых требуется гибкая последовательность сигналов светофора для координации движения через перекресток оживленной улицы и малоиспользуемого переулка. В таких ситуациях последовательностью можно управлять с помощью различных таймеров и сигнала обнаружения движения с боковой улицы. Эти требования могут быть выполнены обычными методами, например с использованием строительных блоков из дискретных электронных компонентов или микроконтроллеров. Однако концепция конфигурируемых интегральных схем со смешанными сигналами (CMIC) представляет собой привлекательную альтернативу, учитывая гибкость конструкции, низкую стоимость, время разработки и удобство. Многие регионы и страны переходят к более сложным сетям, которые могут учитывать большее количество переменных для управления светофорами. Однако многие светофоры по-прежнему используют фиксированное время, например, электромеханические контроллеры сигналов. Цель этой заметки по применению - показать, как можно использовать асинхронный конечный автомат (ASM) GreenPAK для разработки упрощенного контроллера сигналов трафика для замены контроллера с фиксированным временем. Этот светофор регулирует движение, проходящее через перекресток оживленной главной улицы и малоиспользуемого переулка. Контроллер будет контролировать последовательность двух светофоров, установленных на главной и боковой улице. Сигнал датчика, обнаруживающий наличие уличного движения, подается на контроллер, который вместе с двумя таймерами будет контролировать последовательность сигналов светофора. Разработана схема конечного автомата (FSM), которая обеспечивает выполнение требований последовательности сигналов трафика. Логика контроллера реализована с помощью диалогового окна GreenPAK ™ SLG46537, конфигурируемого ИС смешанного сигнала.

Ниже мы описали шаги, необходимые для понимания того, как чип GreenPAK был запрограммирован для создания контроллера сигналов трафика. Однако, если вы просто хотите получить результат программирования, загрузите программное обеспечение GreenPAK, чтобы просмотреть уже заполненный файл дизайна GreenPAK. Подключите GreenPAK Development Kit к своему компьютеру и нажмите программу, чтобы создать индивидуальную ИС для Контроллера дорожных сигналов.

Шаг 1. Требования

Рассмотрим сценарий движения с требованиями к синхронизации сигналов светофора с главной и боковой улиц, как показано на рисунке 1. Система имеет шесть состояний и будет переходить из одного состояния в другое в зависимости от определенных предопределенных условий. Эти условия основаны на трех таймерах; длинный таймер TL = 25 с, короткий таймер TS = 4 с и временный таймер Tt = 1 с. Дополнительно требуется цифровой вход от датчика обнаружения бокового движения. Подробное описание каждого из шести состояний системы и сигналов управления переходом между состояниями приведено ниже: В первом состоянии основной сигнал зеленый, а побочный сигнал красный. Система будет оставаться в этом состоянии до тех пор, пока не истечет длительный таймер (TL = 25 с), или пока на боковой улице нет транспортного средства. Если транспортное средство находится на боковой улице после истечения длительного таймера, система претерпит изменение состояния с переходом во второе состояние. Во втором состоянии основной сигнал становится желтым, а боковой сигнал остается красным в течение короткого таймера (TS = 4 с). Через 4 секунды система переходит в третье состояние. В третьем состоянии основной сигнал меняется на красный, а побочный сигнал остается красным на время временного таймера (Tt = 1 с). Через 1 секунду система переходит в четвертое состояние. В четвертом состоянии основной сигнал становится красным, а боковой сигнал становится зеленым. Система будет оставаться в этом состоянии до истечения длительного таймера (TL = 25 с), и на боковой улице есть несколько транспортных средств. Как только истечет длительный таймер или на переулке нет транспортного средства, система перейдет в пятое состояние. В пятом состоянии основной сигнал красный, а побочный сигнал желтый на время короткого таймера (TS = 4 с). Через 4 секунды система перейдет в шестое состояние. В шестом и последнем состоянии системы как основной, так и побочный сигналы имеют красный цвет на время переходного таймера (Tt = 1 с). После этого система возвращается в первое состояние и запускается заново. Третье и шестое состояния обеспечивают буферное состояние, в котором оба (основной и побочный) сигналы остаются красными в течение короткого периода времени во время переключения. Состояния 3 и 6 похожи и могут показаться избыточными, однако это позволяет упростить реализацию предложенной схемы.

Шаг 2: Схема реализации

Полная блок-схема системы показана на рисунке 2. На этом рисунке показана общая структура, функции системы и перечислены все необходимые входы и выходы. Предлагаемый контроллер светофоров построен на концепции конечного автомата (FSM). Описанные выше требования к синхронизации преобразуются в автомат с шестью состояниями, как показано на рисунке 3.

Переменные изменения состояния, показанные выше: Vs - автомобиль находится на боковой улице.

TL - Таймер 25 секунд (длинный таймер) включен

TS - Таймер 4 с (короткий таймер) включен

Tt - Таймер 1 с (временный таймер) включен

Для реализации конечного автомата был выбран Dialog GreenPAK CMIC SLG46537. Это универсальное устройство позволяет реализовать широкий спектр функций смешанного сигнала в одной очень маленькой и маломощной интегральной схеме. Кроме того, IC содержит макроячейку ASM, позволяющую пользователю создавать конечные автоматы, имеющие до 8 состояний. Пользователь может гибко определять количество состояний, переходы между состояниями и входные сигналы, которые будут вызывать переходы из одного состояния в другое.

Шаг 3. Внедрение с использованием GreenPAK

Конечный автомат, разработанный для работы контроллера трафика, реализован с использованием SLG46537 GreenPAK. В GreenPak Designer реализована схема, показанная на рисунке 4.

PIN3 и PIN4 сконфигурированы как контакты цифрового входа; PIN3 подключен к входу датчика транспортного средства на боковой улице, а PIN4 используется для сброса системы. Контакты 5, 6, 7, 14, 15 и 16 сконфигурированы как выходные контакты. Контакты 5, 6 и 7 передаются на драйверы красного, желтого и зеленого боковых сигналов соответственно. Контакты 14, 15 и 16 передаются на драйверы зеленого, желтого и красного сигналов основного сигнала соответственно. На этом настройка ввода / вывода схемы завершена. В основе схемы лежит блок ASM. Входы блока ASM, которые регулируют изменения состояния, получаются из комбинаторной логики с использованием трех блоков счетчика / задержки (TS, TL и TT) и входа от бокового датчика транспортного средства. Комбинаторная логика дополнительно уточняется с использованием информации о состоянии, возвращаемой в LUT. Информация о состоянии первого, второго, четвертого и пятого состояний получается с использованием комбинаций выходов B0 и B1 блока ASM. Комбинации B0 и B1, соответствующие первому, второму, четвертому и пятому состояниям, следующие: (B0 = 0, B1 = 0), (B0 = 1, B1 = 0), (B0 = 1, B1 = 1) и (B0 = 0, B1 = 1) соответственно. Информация о состояниях 3-го и 6-го состояний получается напрямую с применением оператора AND к основному красному и боковому красному сигналам. Передача информации об этих состояниях в комбинаторную логику гарантирует, что сработают только соответствующие таймеры. Остальные выходы блока ASM назначены основным светофорам (основной красный, основной желтый и основной зеленый) и боковым светофорам (боковым красным, боковым желтым и боковым зеленым).

Конфигурация блока ASM показана на рисунках 5 и 6. Состояния, показанные на рисунке 5, соответствуют определенным первому, второму, третьему, четвертому, пятому и шестому состояниям, показанным на рисунке 3. Конфигурация выходной RAM ASM Блок показан на рисунке 6.

Таймеры TL, TS и TT реализованы с использованием блоков счетчика / задержки CNT1 / DLY1, CNT2 / DLY2 и CNT3 / DLY3 соответственно. Все эти три блока настроены в режиме задержки с обнаружением нарастающего фронта. Как показано на рисунке 3, первое и четвертое состояния запускают TL, второе и пятое состояния запускают TS, а третье и шестое состояния запускают TT с использованием комбинаторной логики. При срабатывании таймеров задержки их выходы остаются равными нулю, пока настроенная задержка не завершится. Таким образом, TL’, TS’ и TT’

сигналы поступают напрямую с выходов блоков CNT1 / DLY1, CNT2 / DLY2 и CNT3 / DLY3. TS’напрямую подается на входы перехода второго и пятого состояний, в то время как TT’ передается на входы перехода третьего и шестого состояний. TL, с другой стороны, передается на комбинаторные логические блоки (LUT), подающие сигналы TL’Vs и TL’ + VS’, которые подаются на переходные входы первого и четвертого состояний соответственно. На этом реализация конечного автомата с использованием конструктора GreenPAK завершена.

Шаг 4: результаты

В целях тестирования дизайн эмулируется на универсальной плате разработки GreenPAK с использованием SLG46537. Сигналы светофора (приравненные к цифровым выходным контактам 5, 6, 7, 14, 15 и 16) используются для активации светодиодов, которые уже имеются на плате разработки GreenPAK, для визуального наблюдения за поведением конечного автомата. Чтобы полностью исследовать динамическое поведение разработанной схемы, мы использовали плату Arduino UNO для взаимодействия с SLG46537. Плата Arduino обеспечивает схему входом датчика обнаружения транспортного средства и сигналами сброса системы, пока она получает сигналы светофора от системы. Плата Arduino используется в качестве многоканального логического анализатора для записи и графического отображения временного функционирования системы. Разработаны и протестированы два сценария, отражающих общее поведение системы. На рисунке 7 показан первый сценарий схемы, когда несколько транспортных средств всегда находятся на переулке. Когда заявлен сигнал сброса, система запускается в первом состоянии с включенными только основным зеленым и боковым красным сигналами, а все остальные сигналы выключены. Поскольку боковые автомобили всегда присутствуют, следующий переход во второе состояние происходит через 25 секунд, после чего включаются основной желтый и боковой красный сигналы. Через четыре секунды ASM переходит в третье состояние, в котором основной красный и боковой красный сигналы остаются включенными в течение 1 секунды. Затем система переходит в четвертое состояние с включенными основным красным и боковым зеленым сигналами. Поскольку боковые транспортные средства присутствуют всегда, следующий переход происходит через 25 секунд, переводя ASM в пятое состояние. Переход из пятого состояния в шестое происходит через 4 секунды после истечения срока действия TS. Система остается в шестом состоянии в течение 1 секунды, прежде чем ASM снова войдет в первое состояние.

На рисунке 8 показано поведение схемы во втором сценарии, когда на светофоре присутствует несколько боковых транспортных средств. Установлено, что поведение системы функционирует так, как было задумано. Система запускается в первом состоянии с включенными только основным зеленым и боковым красным сигналами, а все остальные сигналы отключаются через 25 секунд, после чего следует следующий переход, поскольку присутствует боковой автомобиль. Во втором состоянии включены основной желтый и боковой красный сигналы. Через 4 секунды ASM переходит в третье состояние с включенными основным красным и боковым красным сигналами. Система остается в третьем состоянии в течение 1 секунды, а затем переходит в четвертое состояние, при этом основной красный и боковой зеленый остаются включенными. Как только входной сигнал датчика транспортного средства становится низким (когда все боковые транспортные средства прошли), система переходит в пятое состояние, в котором горят основной красный и боковой желтый. После нахождения в пятом состоянии в течение четырех секунд система переходит в шестое состояние, при этом основные и боковые сигналы становятся красными. Эти сигналы остаются красными в течение 1 секунды, прежде чем ASM снова войдет в первое состояние. Фактические сценарии будут основаны на комбинации этих двух описанных сценариев, которые, как выяснилось, работают правильно.

Заключение В этом приложении обратите внимание на то, что контроллер трафика, который может управлять трафиком, проходящим через перекресток оживленной главной улицы и малоиспользуемого переулка, был реализован с использованием Dialog GreenPAK SLG46537. Схема основана на ASM, который обеспечивает выполнение требований к последовательности сигналов трафика. Поведение конструкции было проверено несколькими светодиодами и микроконтроллером Arduino UNO. Результаты подтвердили, что цели проектирования были достигнуты. Ключевым преимуществом использования продукта Dialog является устранение необходимости в дискретных электронных компонентах и микроконтроллере для построения одной и той же системы. Существующий дизайн можно расширить, добавив входной сигнал от кнопки для проезда пешехода, который хочет пересечь оживленную улицу. Сигнал может быть передан логическому элементу ИЛИ вместе с сигналом от входного датчика бокового транспортного средства для запуска первого изменения состояния. Однако для обеспечения безопасности пешехода теперь существует дополнительное требование о минимальном времени пребывания в четвертом состоянии. Это легко сделать с помощью другого блока таймера. Зеленый и красный сигналы светофора в переулке теперь можно подавать и на светофоры для пешеходов на переулке.