Ελεγκτής σήματος κυκλοφορίας: 4 βήματα

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:32

Συχνά υπάρχουν σενάρια όπου απαιτούνται ευέλικτες ακολουθίες σημάτων κυκλοφορίας για τον συντονισμό της κυκλοφορίας μέσω της διασταύρωσης ενός πολυσύχναστου δρόμου και ενός ελαφρώς χρησιμοποιημένου δευτερεύοντος δρόμου. Σε τέτοιες καταστάσεις, οι ακολουθίες μπορούν να ελεγχθούν χρησιμοποιώντας διαφορετικά χρονόμετρα και ένα σήμα ανίχνευσης κυκλοφορίας από τον παράδρομο. Αυτές οι απαιτήσεις μπορούν να ικανοποιηθούν μέσω συμβατικών μεθόδων π.χ. χρησιμοποιώντας δομικά στοιχεία από διακριτά ηλεκτρονικά εξαρτήματα ή μικροελεγκτές. Ωστόσο, η έννοια των διαμορφώσιμων ολοκληρωμένων κυκλωμάτων μικτού σήματος (CMIC) παρέχει μια ελκυστική εναλλακτική λύση λαμβάνοντας υπόψη την ευελιξία σχεδιασμού, το χαμηλό κόστος, το χρόνο ανάπτυξης και την ευκολία. Πολλές περιοχές και χώρες προχωρούν σε πιο περίπλοκα δίκτυα που μπορούν να φιλοξενήσουν μεγαλύτερο αριθμό μεταβλητών για τον έλεγχο των φανών. Ωστόσο, πολλά φανάρια εξακολουθούν να χρησιμοποιούν σταθερό έλεγχο χρόνου, όπως οι ηλεκτρομηχανικοί ελεγκτές σήματος. Ο σκοπός αυτής της σημείωσης εφαρμογής είναι να δείξει πώς μπορεί κάποιος να χρησιμοποιήσει μια ασύγχρονη κατάσταση μηχανής (ASM) ενός GreenPAK για να αναπτύξει έναν απλοποιημένο ελεγκτή σήματος κυκλοφορίας για να αντικαταστήσει έναν ελεγκτή σταθερού χρόνου. Αυτό το σήμα κυκλοφορίας ρυθμίζει την κυκλοφορία που διέρχεται από τη διασταύρωση ενός πολυσύχναστου κεντρικού δρόμου και ενός ελαφρώς χρησιμοποιημένου παράδρομου. Ο ελεγκτής θα ελέγχει την ακολουθία δύο σημάτων κυκλοφορίας, τα οποία είναι εγκατεστημένα στον κεντρικό και τον παράδρομο. Ένα σήμα αισθητήρα, που ανιχνεύει την παρουσία παράπλευρης κυκλοφορίας, τροφοδοτείται στον ελεγκτή που, σε συνδυασμό με δύο χρονοδιακόπτες, θα ελέγχει την ακολουθία των σημάτων κυκλοφορίας. Αναπτύσσεται ένα σχήμα μηχανής πεπερασμένης κατάστασης (FSM) που διασφαλίζει ότι πληρούνται οι απαιτήσεις της ακολουθίας σημάτων κυκλοφορίας. Η λογική του ελεγκτή υλοποιείται χρησιμοποιώντας ένα παράθυρο διαλόγου GreenPAK ™ SLG46537 με δυνατότητα ρύθμισης παραμέτρων μικτού σήματος IC.

Παρακάτω περιγράφουμε τα βήματα που απαιτούνται για να κατανοήσουμε πώς έχει προγραμματιστεί το τσιπ GreenPAK για τη δημιουργία του ελεγκτή σήματος κυκλοφορίας. Ωστόσο, εάν θέλετε απλώς να λάβετε το αποτέλεσμα προγραμματισμού, κατεβάστε το λογισμικό GreenPAK για να δείτε το ήδη ολοκληρωμένο GreenPAK Design File. Συνδέστε το GreenPAK Development Kit στον υπολογιστή σας και πατήστε το πρόγραμμα για να δημιουργήσετε το προσαρμοσμένο IC για τον ελεγκτή σήματος κυκλοφορίας.

Βήμα 1: Απαιτήσεις

Εξετάστε ένα σενάριο κυκλοφορίας με τις χρονικές απαιτήσεις των σημάτων κυκλοφορίας από τον κεντρικό και τον παράδρομο, όπως φαίνεται στο σχήμα 1. Το σύστημα έχει έξι καταστάσεις και θα μετακινηθεί από τη μία κατάσταση στην άλλη ανάλογα με ορισμένες προκαθορισμένες συνθήκες. Αυτές οι συνθήκες βασίζονται σε τρία χρονόμετρα. ένα χρονοδιακόπτη TL = 25 s, ένα χρονοδιακόπτη TS = 4 s και ένα παροδικό χρονόμετρο Tt = 1 s. Επιπλέον, απαιτείται η ψηφιακή είσοδος από τον αισθητήρα ανίχνευσης πλευρικής κίνησης. Μια λεπτομερής περιγραφή για κάθε μία από τις έξι καταστάσεις συστήματος και τα σήματα ελέγχου μετάβασης κατάστασης δίνεται παρακάτω: Στην πρώτη κατάσταση, το κύριο σήμα είναι πράσινο ενώ το πλευρικό σήμα είναι κόκκινο. Το σύστημα θα παραμείνει σε αυτήν την κατάσταση έως ότου λήξει το χρονόμετρο (TL = 25 s) ή για όσο διάστημα δεν υπάρχει όχημα στον παράδρομο. Εάν ένα όχημα είναι παρών στον παράδρομο μετά τη λήξη του χρονοδιακόπτη, το σύστημα θα υποστεί μια αλλαγή κατάστασης μεταβαίνοντας στη δεύτερη κατάσταση. Στη δεύτερη κατάσταση, το κύριο σήμα γίνεται κίτρινο ενώ το πλευρικό σήμα παραμένει κόκκινο για τη διάρκεια του βραχυχρόνιου χρονοδιακόπτη (TS = 4 s). Μετά από 4 δευτερόλεπτα το σύστημα μεταβαίνει στην τρίτη κατάσταση. Στην τρίτη κατάσταση, το κύριο σήμα αλλάζει κόκκινο και το πλευρικό σήμα παραμένει κόκκινο για όλη τη διάρκεια του παροδικού χρονοδιακόπτη (Tt = 1 s). Μετά από 1 δευτερόλεπτο, το σύστημα μεταβαίνει στην τέταρτη κατάσταση. Κατά την τέταρτη κατάσταση το κύριο σήμα είναι κόκκινο ενώ το πλευρικό σήμα γίνεται πράσινο. Το σύστημα θα παραμείνει σε αυτήν την κατάσταση μέχρι τη λήξη του χρονοδιακόπτη (TL = 25 s) και υπάρχουν μερικά οχήματα που υπάρχουν στον παράδρομο. Μόλις λήξει το χρονόμετρο ή δεν υπάρχει όχημα στον παράδρομο, το σύστημα θα μεταβεί στην πέμπτη κατάσταση. Κατά την πέμπτη κατάσταση το κύριο σήμα είναι κόκκινο ενώ το πλευρικό σήμα είναι κίτρινο για τη διάρκεια του βραχυχρόνιου χρονοδιακόπτη (TS = 4 s). Μετά από 4 δευτερόλεπτα το σύστημα θα μετακινηθεί στην έκτη κατάσταση. Στην έκτη και τελευταία κατάσταση του συστήματος, τόσο το κύριο όσο και το πλευρικό σήμα είναι κόκκινα για την περίοδο του μεταβατικού χρονοδιακόπτη (Tt = 1 s). Μετά από αυτό, το σύστημα επιστρέφει στην πρώτη κατάσταση και ξεκινά από την αρχή. Η τρίτη και η έκτη κατάσταση παρέχουν μια κατάσταση προσωρινής αποθήκευσης όπου και τα δύο (κύρια και πλευρικά) σήματα παραμένουν κόκκινα για ένα σύντομο χρονικό διάστημα κατά τη μετάβαση. Τα κράτη 3 και 6 είναι παρόμοια και μπορεί να φαίνονται περιττά, ωστόσο αυτό επιτρέπει την απλή εφαρμογή του προτεινόμενου σχήματος.

Βήμα 2: Σχέδιο εφαρμογής

Ένα πλήρες μπλοκ διάγραμμα του συστήματος φαίνεται στο σχήμα 2. Αυτό το σχήμα απεικονίζει τη συνολική δομή, τη λειτουργία του συστήματος και απαριθμεί όλες τις απαιτούμενες εισόδους και εξόδους. Ο προτεινόμενος ελεγκτής σήματος κυκλοφορίας έχει δημιουργηθεί γύρω από την έννοια της μηχανής πεπερασμένης κατάστασης (FSM). Οι απαιτήσεις χρονισμού που περιγράφονται παραπάνω μεταφράζονται σε FSM έξι καταστάσεων όπως απεικονίζεται στο σχήμα 3.

Οι μεταβλητές αλλαγής κατάστασης που εμφανίζονται παραπάνω είναι: Vs-Υπάρχει ένα όχημα στον παράδρομο

TL - Ο χρονοδιακόπτης 25 s (παρατεταμένος χρονοδιακόπτης) είναι ενεργοποιημένος

TS - Ο χρονοδιακόπτης 4 s (βραχύ χρονοδιακόπτης) είναι ενεργοποιημένος

Tt - Ο χρονοδιακόπτης 1 s (μεταβατικός χρονοδιακόπτης) είναι ενεργοποιημένος

Το Dialog GreenPAK CMIC SLG46537 έχει επιλεγεί για την εφαρμογή του FSM. Αυτή η εξαιρετικά ευέλικτη συσκευή επιτρέπει τη σχεδίαση μιας μεγάλης ποικιλίας λειτουργιών μικτού σήματος μέσα σε ένα πολύ μικρό ενιαίο ολοκληρωμένο κύκλωμα χαμηλής ισχύος. Επιπλέον, το IC περιέχει ένα macrocell ASM που έχει σχεδιαστεί για να επιτρέπει στο χρήστη να δημιουργεί μηχανές κατάστασης με έως και 8 καταστάσεις. Ο χρήστης έχει την ευελιξία να καθορίζει τον αριθμό των καταστάσεων, τις μεταβάσεις κατάστασης και τα σήματα εισόδου που θα προκαλέσουν μετάβαση από τη μία κατάσταση στην άλλη κατάσταση.

Βήμα 3: Υλοποίηση χρησιμοποιώντας το GreenPAK

Ο FSM που αναπτύχθηκε για τη λειτουργία του ελεγκτή κυκλοφορίας υλοποιείται χρησιμοποιώντας το SLG46537 GreenPAK. Στο GreenPak Designer το σχήμα εφαρμόζεται όπως φαίνεται στο σχήμα 4.

Τα PIN3 και PIN4 έχουν διαμορφωθεί ως ψηφιακές ακίδες εισόδου. Το PIN3 είναι συνδεδεμένο με την είσοδο αισθητήρα οχημάτων και ο PIN4 χρησιμοποιείται για επαναφορά συστήματος. Τα PIN 5, 6, 7, 14, 15 και 16 έχουν διαμορφωθεί ως ακίδες εξόδου. Οι κωδικοί PIN 5, 6 και 7 περνούν στους οδηγούς του κόκκινου, κίτρινου και πράσινου φωτός αντίστοιχα. Οι κωδικοί PIN 14, 15 και 16 περνούν στα πράσινα, κίτρινα και κόκκινα προγράμματα οδήγησης του κύριου σήματος αντίστοιχα. Αυτό ολοκληρώνει τη διαμόρφωση εισόδου/εξόδου του σχήματος. Στην καρδιά του σχηματικού βρίσκεται το μπλοκ ASM. Οι είσοδοι του μπλοκ ASM, οι οποίες ρυθμίζουν τις αλλαγές κατάστασης, λαμβάνονται από τη συνδυαστική λογική χρησιμοποιώντας τρία μπλοκ μετρητή/καθυστέρησης (TS, TL και TT) και την είσοδο από τον αισθητήρα του πλευρικού οχήματος. Η συνδυαστική λογική προσδιορίζεται περαιτέρω χρησιμοποιώντας τις πληροφορίες κατάστασης που επιστρέφονται στα LUT. Οι πληροφορίες κατάστασης της πρώτης, δεύτερης, τέταρτης και πέμπτης κατάστασης λαμβάνονται χρησιμοποιώντας συνδυασμούς εξόδων Β0 και Β1 του μπλοκ ASM. Οι συνδυασμοί Β0 και Β1 που αντιστοιχούν στην πρώτη, δεύτερη, τέταρτη και πέμπτη κατάσταση είναι (Β0 = 0, Β1 = 0), (Β0 = 1, Β1 = 0), (Β0 = 1, Β1 = 1) και (Β0 = 0, Β1 = 1) αντίστοιχα. Οι πληροφορίες καταστάσεων της 3ης και 6ης κατάστασης λαμβάνονται απευθείας εφαρμόζοντας τον τελεστή AND στο κύριο κόκκινο και πλευρικό κόκκινο σήμα. Η τροφοδοσία πληροφοριών αυτών των καταστάσεων στη συνδυαστική λογική διασφαλίζει ότι ενεργοποιούνται μόνο τα σχετικά χρονόμετρα. Άλλες έξοδοι του μπλοκ ASM εκχωρούνται στα κύρια φανάρια (κύριο κόκκινο, κύριο κίτρινο και κύριο πράσινο) και στα πλαϊνά φανάρια (στο πλάι κόκκινο, κίτρινο και πράσινο στο πλάι).

Η διαμόρφωση του μπλοκ ASM φαίνεται στο σχήμα 5 και στο σχήμα 6. Οι καταστάσεις που φαίνονται στο σχήμα 5, αντιστοιχούν στην καθορισμένη πρώτη, δεύτερη, τρίτη, τέταρτη, πέμπτη και έκτη κατάσταση που φαίνεται στο σχήμα 3. Η διαμόρφωση RAM εξόδου του ASM το μπλοκ φαίνεται στο σχήμα 6.

Τα χρονόμετρα TL, TS και TT εφαρμόζονται χρησιμοποιώντας τα μπλοκ μετρητή/καθυστέρησης CNT1/DLY1, CNT2/DLY2και CNT3/DLY3 αντίστοιχα. Και τα τρία αυτά μπλοκ έχουν ρυθμιστεί σε λειτουργία καθυστέρησης με ανίχνευση ανερχόμενης ακμής. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 3, η πρώτη και η τέταρτη κατάσταση ενεργοποιούν TL, η δεύτερη και η πέμπτη κατάσταση ενεργοποιούν TS και η τρίτη και έκτη κατάσταση ενεργοποιούν TT χρησιμοποιώντας συνδυαστική λογική. Καθώς ενεργοποιούνται οι χρονομετρητές καθυστέρησης, οι έξοδοι τους παραμένουν 0 έως ότου η ρυθμισμένη καθυστέρηση ολοκληρώσει τη διάρκειά της. Με αυτόν τον τρόπο τα TL’, TS’ και TT’

Τα σήματα λαμβάνονται απευθείας από τις εξόδους των μπλοκ CNT1/DLY1, CNT2/DLY2 και CNT3/DLY3. Το TS τροφοδοτείται απευθείας στη δεύτερη και την πέμπτη κατάσταση εισόδου μετάβασης, ενώ το TT περνά στις εισόδους μετάβασης τρίτης και έκτης κατάστασης. Το TL, από την άλλη πλευρά, περνά στα συνδυαστικά λογικά μπλοκ (LUTs) δίνοντας τα σήματα TL 'Vs και TL'+ VS 'που τροφοδοτούνται στις εισόδους μετάβασης της πρώτης και της 4ης κατάστασης αντίστοιχα. Αυτό ολοκληρώνει την εφαρμογή του FSM χρησιμοποιώντας τον σχεδιαστή GreenPAK.

Βήμα 4: Αποτελέσματα

Για σκοπούς δοκιμής, ο σχεδιασμός εξομοιώνεται στον πίνακα καθολικής ανάπτυξης GreenPAK χρησιμοποιώντας το SLG46537. Τα σήματα των φανών (ισοδύναμα με τις ακίδες ψηφιακής εξόδου 5, 6, 7, 14, 15 και 16) χρησιμοποιούνται για την ενεργοποίηση των LED που είναι ήδη διαθέσιμα στο GreenPAK Development Board για να παρατηρήσουν οπτικά τη συμπεριφορά του FSM. Προκειμένου να διερευνήσουμε πλήρως τη δυναμική συμπεριφορά του αναπτυγμένου σχήματος, χρησιμοποιήσαμε έναν πίνακα Arduino UNO για διασύνδεση με το SLG46537. Ο πίνακας Arduino παρέχει σήματα εισόδου και επαναφοράς του αισθητήρα ανίχνευσης οχήματος στο σχήμα, ενώ λαμβάνει τα σήματα φανάρι από το σύστημα. Ο πίνακας Arduino χρησιμοποιείται ως πολυκαναλικός λογικός αναλυτής για να καταγράφει και να δείχνει γραφικά την χρονική λειτουργία του συστήματος. Δύο σενάρια που αποτυπώνουν τη γενική συμπεριφορά του συστήματος αναπτύσσονται και δοκιμάζονται. Το Σχήμα 7 δείχνει το πρώτο σενάριο του σχεδίου όταν κάποια οχήματα είναι πάντα παρόντα στον παράδρομο. Όταν επιβεβαιωθεί το σήμα επαναφοράς, το σύστημα ξεκινά στην πρώτη κατάσταση με μόνο κύρια πράσινα και κόκκινα σήματα ενεργοποιημένα και όλα τα άλλα σήματα απενεργοποιημένα. Δεδομένου ότι το πλευρικό όχημα είναι πάντα παρόν, η επόμενη μετάβαση στη δεύτερη κατάσταση ακολουθεί 25 δευτερόλεπτα αργότερα ενεργοποιώντας το κύριο κίτρινο και πλευρικό κόκκινο σήμα. Τέσσερα δευτερόλεπτα αργότερα το ASM εισέρχεται στην τρίτη κατάσταση όπου τα κύρια κόκκινα και πλευρικά κόκκινα σήματα παραμένουν αναμμένα για 1 δευτερόλεπτο. Στη συνέχεια, το σύστημα εισέρχεται στην τέταρτη κατάσταση με τα κύρια κόκκινα και πλευρικά πράσινα σήματα ενεργοποιημένα. Δεδομένου ότι τα πλευρικά οχήματα είναι πάντα παρόντα, η επόμενη μετάβαση πραγματοποιείται 25 δευτερόλεπτα αργότερα μεταφέροντας το ASM στην πέμπτη κατάσταση. Η μετάβαση από την πέμπτη στην έκτη κατάσταση συμβαίνει 4 δευτερόλεπτα αργότερα καθώς λήγει το TS. Το σύστημα παραμένει στην έκτη κατάσταση για διάστημα 1 δευτερολέπτου προτού ο ASM επανέλθει στην πρώτη κατάσταση.

Το Σχήμα 8 δείχνει τη συμπεριφορά του σχήματος στο δεύτερο σενάριο, όταν μερικά πλευρικά οχήματα είναι παρόντα στο σήμα κυκλοφορίας. Η συμπεριφορά του συστήματος διαπιστώνεται ότι λειτουργεί όπως έχει σχεδιαστεί. Το σύστημα ξεκινά στην πρώτη κατάσταση με μόνο κύρια πράσινα και πλευρικά κόκκινα σήματα ενεργοποιημένα και όλα τα άλλα σήματα θα είναι απενεργοποιημένα 25 δευτερόλεπτα αργότερα, ακολουθεί η επόμενη μετάβαση, καθώς υπάρχει ένα πλευρικό όχημα. Τα κύρια κίτρινα και πλευρικά κόκκινα σήματα ενεργοποιούνται στη δεύτερη κατάσταση. Μετά από 4 δευτερόλεπτα, το ASM μπαίνει στην τρίτη κατάσταση με τα κύρια κόκκινα και πλευρικά κόκκινα σήματα ενεργοποιημένα. Το σύστημα παραμένει στην τρίτη κατάσταση για 1 δευτερόλεπτο και στη συνέχεια μεταβαίνει στην τέταρτη κατάσταση διατηρώντας το κύριο κόκκινο και το πράσινο στο πλάι. Μόλις η είσοδος του αισθητήρα οχήματος πέσει χαμηλά (όταν έχουν περάσει όλα τα πλευρικά οχήματα), το σύστημα εισέρχεται στην πέμπτη κατάσταση όπου είναι αναμμένα το κύριο κόκκινο και το κίτρινο. Αφού παραμείνει στην πέμπτη κατάσταση για τέσσερα δευτερόλεπτα, το σύστημα μετακινείται στην έκτη κατάσταση μετατρέποντας το κύριο και το πλευρικό σήμα κόκκινο. Αυτά τα σήματα παραμένουν κόκκινα για 1 δευτερόλεπτο προτού το ASM επανέλθει στην πρώτη κατάσταση. Τα πραγματικά σενάρια θα βασίζονται σε ένα συνδυασμό αυτών των δύο περιγραφόμενων σεναρίων τα οποία διαπιστώνεται ότι λειτουργούν σωστά.

Συμπέρασμα Σε αυτήν την εφαρμογή σημειώστε έναν ελεγκτή κυκλοφορίας που μπορεί να διαχειριστεί την κυκλοφορία που διέρχεται από τη διασταύρωση ενός πολυσύχναστου κεντρικού δρόμου και ένας ελαφρώς χρησιμοποιούμενος παράδρομος εφαρμόστηκε χρησιμοποιώντας ένα Dialog GreenPAK SLG46537. Το σχήμα βασίζεται σε ένα ASM που διασφαλίζει ότι πληρούνται οι απαιτήσεις ακολουθίας σημάτων κυκλοφορίας. Η συμπεριφορά του σχεδιασμού επαληθεύτηκε από πολλά LED και έναν μικροελεγκτή Arduino UNO. Τα αποτελέσματα επιβεβαίωσαν την επίτευξη των στόχων σχεδιασμού. Το βασικό πλεονέκτημα της χρήσης του προϊόντος Dialog είναι η αποφυγή της ανάγκης διακριτών ηλεκτρονικών εξαρτημάτων και μικροελεγκτή για την κατασκευή του ίδιου συστήματος. Ο υπάρχων σχεδιασμός μπορεί να επεκταθεί προσθέτοντας ένα σήμα εισόδου από ένα κουμπί για διέλευση πεζών που θέλουν να διασχίσουν τον πολυσύχναστο δρόμο. Το σήμα μπορεί να περάσει σε μια πύλη OR μαζί με σήμα από τον αισθητήρα εισόδου του πλευρικού οχήματος για να προκαλέσει την πρώτη αλλαγή κατάστασης. Ωστόσο, για να διασφαλιστεί η ασφάλεια του πεζού τώρα υπάρχει μια πρόσθετη απαίτηση ελάχιστου χρόνου που πρέπει να αφιερωθεί στην τέταρτη κατάσταση. Αυτό μπορεί εύκολα να επιτευχθεί χρησιμοποιώντας άλλο μπλοκ χρονοδιακόπτη. Τα πράσινα και κόκκινα σήματα στο σήμα κυκλοφορίας στον παράδρομο μπορούν πλέον να τροφοδοτούνται και στα πλευρικά σήματα πεζών στον παράδρομο.