Controlador de senyals de trànsit: 4 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:12

Sovint existeixen escenaris en què es requereixen seqüències de senyals de trànsit flexibles per a la coordinació del trànsit a través de la intersecció d’un carrer concorregut i un carrer lateral poc utilitzat. En aquestes situacions, les seqüències es poden controlar mitjançant diferents temporitzadors i un senyal de detecció de trànsit des del carrer lateral. Aquests requisits es poden complir mitjançant mètodes convencionals, per exemple. utilitzant blocs de construcció de components electrònics discrets o microcontroladors. No obstant això, el concepte de circuits integrats de senyal mixt configurables (CMIC) proporciona una alternativa atractiva tenint en compte la seva flexibilitat de disseny, baix cost, temps de desenvolupament i comoditat. Moltes regions i països avancen cap a xarxes més complicades que poden acomodar un major nombre de variables per controlar els semàfors. No obstant això, molts semàfors segueixen utilitzant un control de temps fix, com ara els controladors de senyals electromecànics. El propòsit d'aquesta nota d'aplicació és mostrar com es pot utilitzar la màquina d'estats asíncrons (ASM) de GreenPAK per desenvolupar un controlador de senyal de trànsit simplificat que substitueixi un controlador de temps fix. Aquest senyal de trànsit regula el trànsit que passa per la intersecció d’un carrer principal molt transitat i un carrer lateral poc utilitzat. El controlador controlaria la seqüència de dos senyals de trànsit, que s’instal·len al carrer principal i lateral. Al controlador s’alimenta un senyal de sensor, que detecta la presència de trànsit lateral, que, juntament amb dos temporitzadors, controlaria la seqüència dels senyals de trànsit. Es desenvolupa un esquema de màquina d'estats finits (FSM) que garanteix que es compleixen els requisits de la seqüència de senyals de trànsit. La lògica del controlador s’implementa mitjançant un diàleg IC de senyal mixt configurable GreenPAK ™ SLG46537.

A continuació, es descriuen els passos necessaris per entendre com s'ha programat el xip GreenPAK per crear el controlador de senyals de trànsit. Tot i això, si només voleu obtenir el resultat de la programació, descarregueu-vos el programari GreenPAK per veure el fitxer de disseny GreenPAK ja completat. Connecteu el kit de desenvolupament GreenPAK a l'ordinador i premeu el programa per crear el CI personalitzat per al controlador de senyal de trànsit.

Pas 1: requisits

Penseu en un escenari de trànsit amb els requisits temporals de les senyals de trànsit del carrer principal i lateral, tal com es mostra a la figura 1. El sistema té sis estats i es mourà d’un estat a l’altre en funció de determinades condicions predefinides. Aquestes condicions es basen en tres temporitzadors; un temporitzador llarg TL = 25 s, un temporitzador curt TS = 4 s i un temporitzador transitori Tt = 1 s. A més, cal l’entrada digital del sensor de detecció de trànsit lateral. A continuació es proporciona una descripció exhaustiva de cadascun dels sis estats del sistema i dels senyals de control de transició d’estats: en el primer estat, el senyal principal és verd mentre que el senyal lateral és vermell. El sistema es mantindrà en aquest estat fins que expiri el temporitzador llarg (TL = 25 s) o mentre no hi hagi cap vehicle al carrer lateral. Si hi ha un vehicle al carrer lateral després de l'expiració del temporitzador llarg, el sistema experimentarà un canvi d'estat que passarà al segon estat. En el segon estat, el senyal principal es torna groc mentre que el senyal lateral roman en vermell durant la durada del temporitzador curt (TS = 4 s). Al cap de 4 segons, el sistema passa al tercer estat. En el tercer estat, el senyal principal canvia a vermell i el senyal lateral es manté vermell durant la durada del temporitzador transitori (Tt = 1 s). Al cap d'1 segon, el sistema passa al quart estat. Durant el quart estat, el senyal principal és vermell, mentre que el senyal lateral es torna verd. El sistema es mantindrà en aquest estat fins que expiri el temporitzador llarg (TL = 25 s) i hi ha alguns vehicles presents al carrer lateral. Tan bon punt expiri el temporitzador llarg o no hi hagi cap vehicle al carrer lateral, el sistema passarà al cinquè estat. Durant el cinquè estat, el senyal principal és vermell, mentre que el senyal lateral és groc durant la durada del temporitzador curt (TS = 4 s). Al cap de 4 segons, el sistema passarà al sisè estat. Al sisè i últim estat del sistema, tant els senyals principals com els laterals són vermells durant el període del temporitzador transitori (Tt = 1 s). Després, el sistema torna al primer estat i torna a començar. El tercer i el sisè estats proporcionen un estat de memòria intermèdia on els senyals (principal i lateral) es mantenen vermells durant un breu període de temps durant el canvi. Els estats 3 i 6 són similars i poden semblar redundants, però això permet que la implementació de l’esquema proposat sigui senzilla.

Pas 2: Esquema d'implementació

A la figura 2 es mostra un diagrama de blocs complet del sistema. Aquesta figura il·lustra l’estructura general, la funció del sistema i enumera totes les entrades i sortides necessàries. El controlador de senyal de trànsit proposat s’ha construït al voltant del concepte de màquina d’estats finits (FSM). Els requisits de temps descrits anteriorment es tradueixen en un FSM de sis estats tal com es mostra a la figura 3.

Les variables de canvi d'estat que es mostren més amunt són: Vs: hi ha un vehicle al carrer lateral

TL: el temporitzador de 25 s (temporitzador llarg) està activat

TS: el temporitzador de 4 s (temporitzador curt) està activat

Tt: el temporitzador de 1 s (temporitzador transitori) està activat

El diàleg GreenPAK CMIC SLG46537 ha estat escollit per a la implementació del FSM. Aquest dispositiu molt versàtil permet dissenyar una àmplia varietat de funcions de senyal mixt dins d’un circuit integrat únic de molt poca potència. A més, l’IC conté una macrocèl·lula ASM dissenyada per permetre a l’usuari crear màquines d’estats de fins a 8 estats. L'usuari té la flexibilitat per definir el nombre d'estats, les transicions d'estat i els senyals d'entrada que provocaran les transicions d'un estat a un altre.

Pas 3: Implementació mitjançant GreenPAK

El FSM desenvolupat per al funcionament del controlador de trànsit s’implementa mitjançant SLG46537 GreenPAK. A GreenPak Designer l’esquema s’implementa com es mostra a la figura 4.

PIN3 i PIN4 es configuren com a pins d'entrada digitals; El PIN3 està connectat a l'entrada del sensor del vehicle lateral i el PIN4 s'utilitza per restablir el sistema. Els PIN 5, 6, 7, 14, 15 i 16 es configuren com a pins de sortida. Els PIN 5, 6 i 7 es passen als controladors de llum vermella, groga i verda del senyal lateral respectivament. Els PIN 14, 15 i 16 es passen als controladors de llum verda, groga i vermella del senyal principal respectivament. Això completa la configuració d'E / S de l'esquema. Al centre de l’esquema hi ha el bloc ASM. Les entrades del bloc ASM, que regulen els canvis d'estat, s'obtenen a partir de la lògica combinatòria mitjançant tres blocs de comptador / retard (TS, TL i TT) i l'entrada del sensor lateral del vehicle. La lògica combinatòria es qualifica a més mitjançant la informació d'estat retornada als LUT. La informació d'estats del primer, segon, quart i cinquè estat s'obté mitjançant combinacions de sortides B0 i B1 del bloc ASM. Les combinacions de B0 i B1 corresponents al primer, segon, quart i cinquè estat són (B0 = 0, B1 = 0), (B0 = 1, B1 = 0), (B0 = 1, B1 = 1) i (B0 = 0, B1 = 1) respectivament. La informació dels estats del tercer i del sisè estat s’obté directament aplicant l’operador AND als senyals vermells principals i vermells laterals. Alimentar aquesta informació d’estats a la lògica combinatòria garanteix que només s’activen els temporitzadors rellevants. Altres sortides del bloc ASM s’assignen als semàfors principals (vermell principal, groc principal i verd principal) i semàfors laterals (costat vermell, costat groc i costat verd).

La configuració del bloc ASM es mostra a la Figura 5 i a la Figura 6. Els estats que es mostren a la Figura 5 corresponen als primers, segons, tercers, quarts, cinquens i sisens estats definits a la Figura 3. La configuració de RAM de sortida de l’ASM es mostra a la Figura 6.

Els temporitzadors TL, TS i TT s’implementen utilitzant els blocs de comptador / retard CNT1 / DLY1, CNT2 / DLY2 i CNT3 / DLY3 respectivament. Tots aquests tres blocs estan configurats en mode de retard amb detecció de vora ascendent. Com es mostra a la figura 3, el primer i el quart estat desencadenen TL, el segon i el cinquè estats activen TS i el tercer i el sisè estats activen TT mitjançant la lògica combinatòria. A mesura que s’activen els temporitzadors de retard, les seves sortides es mantenen a 0 fins que el retard configurat finalitza la seva durada. D’aquesta manera els TL’, TS’ i TT’

els senyals s’obtenen directament de les sortides dels blocs CNT1 / DLY1, CNT2 / DLY2 i CNT3 / DLY3. TS’s’alimenta directament a les entrades de transició del segon i cinquè estat mentre que TT’ es passa a les entrades de transició dels tercers i sisens estats. TL, en canvi, es passa als blocs lògics combinatoris (LUT) donant els senyals TL’Vs i TL’ + VS’que s’alimenten a les entrades de transició del primer i del 4t estats respectivament. Això completa la implementació del FSM mitjançant el dissenyador GreenPAK.

Pas 4: Resultats

A efectes de proves, el disseny s’imula a la placa de desenvolupament universal GreenPAK mitjançant el SLG46537. Els senyals de semàfors (equiparats als pins de sortida digitals 5, 6, 7, 14, 15 i 16) s’utilitzen per activar els LED que ja estan disponibles a la placa de desenvolupament de GreenPAK per observar visualment el comportament del FSM. Per tal d'investigar completament el comportament dinàmic de l'esquema desenvolupat, hem utilitzat una placa Arduino UNO per relacionar-nos amb el SLG46537. La placa Arduino proporciona l'entrada del sensor de detecció del vehicle i senyals de restabliment del sistema a l'esquema mentre rep els senyals del semàfor del sistema. La placa Arduino s’utilitza com a analitzador lògic multicanal per enregistrar i mostrar gràficament el funcionament temporal del sistema. Es desenvolupen i comproven dos escenaris que capturen el comportament general del sistema. La figura 7 mostra el primer escenari de l’esquema quan hi ha vehicles sempre presents al carrer lateral. Quan s'afirma el senyal de restabliment, el sistema s'inicia en el primer estat amb només els senyals verds i laterals vermells principals activats i tots els altres senyals apagats. Com que el vehicle lateral sempre està present, la següent transició al segon estat segueix 25 segons més tard, activant els senyals principals grocs i vermells laterals. Quatre segons més tard, l'ASM entra al tercer estat on els senyals vermells principals i vermells laterals romanen activats durant 1 segon. El sistema entra al quart estat amb els senyals vermells i laterals principals activats. Com que els vehicles laterals sempre estan presents, la següent transició es produeix 25 segons després, traslladant l'ASM al cinquè estat. La transició del cinquè al sisè estat es produeix 4 segons més tard quan expira el TS. El sistema es manté en el sisè estat durant la durada d’un segon abans que l’ASM torni a entrar al primer estat.

La figura 8 mostra el comportament de l’esquema en el segon escenari, quan hi ha alguns vehicles laterals presents al senyal de trànsit. El comportament del sistema funciona com s’ha dissenyat. El sistema s'inicia en el primer estat amb només els senyals verds i vermells laterals principals activats i tots els altres senyals que estaran desactivats 25 segons després, la següent transició segueix, ja que hi ha un vehicle lateral present. Els senyals grocs i vermells laterals principals s’encenen en el segon estat. Després de 4 segons, l'ASM entra al tercer estat amb els senyals vermells principals i vermells laterals activats. El sistema es manté en el tercer estat durant 1 segon i després es mou al quart estat mantenint el vermell principal i el costat verd encès. Tan bon punt l’entrada del sensor del vehicle disminueix (quan han passat tots els vehicles laterals), el sistema entra al cinquè estat on hi ha el vermell principal i el groc lateral. Després de romandre en el cinquè estat durant quatre segons, el sistema passa al sisè estat posant de vermell els senyals principal i lateral. Aquests senyals romanen en vermell durant 1 segon abans que l'ASM torni a entrar al primer estat. Els escenaris reals es basarien en una combinació d’aquests dos escenaris descrits que es troben que funcionen correctament.

En aquesta aplicació, tingueu en compte que s’ha implementat un controlador de trànsit que pot gestionar el trànsit que passa per la intersecció d’un carrer principal molt transitat i un carrer lateral poc utilitzat mitjançant un Dialog GreenPAK SLG46537. L'esquema es basa en un ASM que garanteix que es compleixen els requisits de seqüència de senyals de trànsit. El comportament del disseny va ser verificat per diversos LEDs i un microcontrolador Arduino UNO. Els resultats van comprovar que es complien els objectius de disseny. L’avantatge clau d’utilitzar el producte Dialog és evitar la necessitat de components electrònics discrets i de microcontroladors per construir el mateix sistema. El disseny existent es pot ampliar afegint un senyal d’entrada des d’un polsador per al pas de vianants que busquen creuar el carrer concorregut. El senyal es pot passar a una porta O juntament amb el senyal del sensor d'entrada lateral del vehicle per provocar el primer canvi d'estat. No obstant això, per garantir la seguretat del vianant ara hi ha un requisit addicional d'un temps mínim que s'ha de passar al quart estat. Això es pot aconseguir fàcilment mitjançant un altre bloc de temporitzador. Els senyals verds i vermells del senyal de trànsit del carrer lateral ara també es poden alimentar als senyals de vianants laterals del carrer lateral.