کنترل کننده سیگنال ترافیک: 4 مرحله

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:53

اغلب سناریوهایی وجود دارد که در آن ها دنباله های انعطاف پذیر سیگنال های ترافیکی برای هماهنگی تردد از طریق تقاطع خیابان شلوغ و خیابان فرعی کم استفاده مورد نیاز است. در چنین شرایطی می توان توالی ها را با استفاده از تایمرهای مختلف و سیگنال تشخیص ترافیک از خیابان فرعی کنترل کرد. این الزامات را می توان از طریق روشهای متداول برآورده کرد ، به عنوان مثال با استفاده از بلوک های ساختمانی از قطعات الکترونیکی مجزا یا میکروکنترلرها. با این حال ، مفهوم مدارهای مجتمع سیگنال ترکیبی قابل تنظیم (CMIC) با توجه به انعطاف پذیری طراحی ، هزینه کم ، زمان توسعه و راحتی ، جایگزین جذابی را ارائه می دهد. بسیاری از مناطق و کشورها در حال پیشرفت به سمت شبکه های پیچیده تر هستند که می توانند تعداد بیشتری از متغیرها را برای کنترل چراغ های راهنمایی در خود جای دهند. با این حال ، بسیاری از چراغ های راهنمایی هنوز از کنترل زمان ثابت استفاده می کنند ، مانند کنترل کننده های سیگنال الکترومکانیکی. هدف از این یادداشت کاربردی این است که نشان دهد چگونه می توان از ماشین حالت ناهمزمان GreenPAK (ASM) برای توسعه یک کنترل کننده سیگنال ترافیک ساده برای جایگزینی کنترل کننده زمان ثابت استفاده کرد. این سیگنال راهنمایی و رانندگی تردد عبور از تقاطع خیابان اصلی شلوغ و خیابان فرعی کم استفاده را تنظیم می کند. کنترل کننده توالی دو سیگنال راهنمایی و رانندگی را که در خیابان اصلی و فرعی نصب شده است ، کنترل می کند. یک سیگنال حسگر که حضور ترافیک کنار خیابان را تشخیص می دهد ، به کنترل کننده داده می شود که به همراه دو تایمر ، توالی سیگنال های ترافیک را کنترل می کند. یک طرح ماشین حالت محدود (FSM) ایجاد شده است که از برآورده شدن الزامات دنباله علائم راهنمایی و رانندگی اطمینان حاصل می کند. منطق کنترل کننده با استفاده از محاوره ای GreenPAK ™ SLG46537 IC سیگنال مخلوط قابل تنظیم است.

در زیر مراحل مورد نیاز برای درک نحوه برنامه ریزی تراشه GreenPAK برای ایجاد کنترل کننده سیگنال ترافیک را شرح دادیم. با این حال ، اگر فقط می خواهید نتیجه برنامه نویسی را دریافت کنید ، نرم افزار GreenPAK را بارگیری کنید تا فایل طراحی GreenPAK را که قبلاً تکمیل شده است مشاهده کنید. کیت توسعه GreenPAK را به رایانه خود وصل کرده و برنامه را فشار دهید تا IC سفارشی برای کنترل کننده سیگنال ترافیک ایجاد شود.

مرحله 1: الزامات

یک سناریوی ترافیکی با الزامات زمان بندی سیگنال های ترافیکی از خیابان اصلی و فرعی را در نظر بگیرید ، همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است. این سیستم دارای شش حالت است و بسته به شرایط از پیش تعیین شده از یک حالت به حالت دیگر حرکت می کند. این شرایط بر اساس سه تایمر است. یک تایمر طولانی TL = 25 ثانیه ، یک تایمر کوتاه TS = 4 ثانیه و یک تایمر گذرا Tt = 1 ثانیه. علاوه بر این ، ورودی دیجیتال از سنسور تشخیص ترافیک جانبی مورد نیاز است. شرح کامل هر یک از شش حالت سیستم و سیگنال های کنترل گذار حالت در زیر آورده شده است: در حالت اول ، سیگنال اصلی سبز و سیگنال جانبی قرمز است. سیستم تا زمانی که تایمر طولانی مدت (TL = 25 ثانیه) منقضی شود یا تا زمانی که وسیله نقلیه در خیابان فرعی وجود ندارد در این حالت باقی بماند. اگر خودرویی پس از اتمام زمان سنج طولانی در خیابان فرعی حضور داشته باشد ، سیستم با تغییر حالت به حالت دوم تغییر حالت می دهد. در حالت دوم ، سیگنال اصلی زرد می شود در حالی که سیگنال جانبی برای مدت زمان کوتاه (TS = 4 ثانیه) قرمز باقی می ماند. پس از 4 ثانیه سیستم به حالت سوم حرکت می کند. در حالت سوم ، سیگنال اصلی به قرمز تغییر می کند و سیگنال جانبی برای مدت زمان سنج گذرا (Tt = 1 ثانیه) قرمز باقی می ماند. پس از 1 ثانیه ، سیستم به حالت چهارم حرکت می کند. در حالت چهارم سیگنال اصلی قرمز و سیگنال جانبی سبز می شود. سیستم تا پایان مدت زمان طولانی (TL = 25 ثانیه) در این حالت باقی می ماند و برخی وسایل نقلیه در خیابان فرعی وجود دارند. به محض اتمام تایمر طولانی یا عدم وجود وسیله نقلیه در خیابان ، سیستم به حالت پنجم منتقل می شود. در حالت پنجم ، سیگنال اصلی قرمز است و سیگنال جانبی برای مدت زمان کوتاه (TS = 4 ثانیه) زرد است. پس از 4 ثانیه سیستم به حالت ششم حرکت می کند. در حالت ششم و آخرین سیستم ، سیگنالهای اصلی و جانبی برای مدت زمان سنج گذرا (Tt = 1 ثانیه) قرمز هستند. پس از آن ، سیستم به حالت اول باز می گردد و دوباره شروع می شود. حالت سوم و ششم یک حالت بافر را فراهم می کند که در آن هر دو سیگنال (اصلی و جانبی) برای مدت کوتاهی در طول تغییر رنگ قرمز می مانند. حالت 3 و 6 مشابه هستند و ممکن است زائد به نظر برسند ، اما این امر باعث می شود اجرای طرح پیشنهادی ساده باشد.

مرحله 2: طرح پیاده سازی

بلوک دیاگرام کامل سیستم در شکل 2 نشان داده شده است. این شکل ساختار کلی ، عملکرد سیستم را نشان می دهد و کلیه ورودی ها و خروجی های مورد نیاز را لیست می کند. کنترل کننده سیگنال ترافیک پیشنهادی حول مفهوم ماشین حالت محدود (FSM) ساخته شده است. الزامات زمان بندی شرح داده شده در بالا به شکل FSM شش حالت ترجمه شده است که در شکل 3 نشان داده شده است.

متغیرهای تغییر حالت نشان داده شده در بالا عبارتند از: Vs-یک وسیله نقلیه در خیابان فرعی وجود دارد

TL - تایمر 25 ثانیه (تایمر طولانی) روشن است

TS - تایمر 4 ثانیه (تایمر کوتاه) روشن است

Tt - تایمر 1 ثانیه (تایمر گذرا) روشن است

Dialog GreenPAK CMIC SLG46537 برای اجرای FSM انتخاب شده است. این دستگاه بسیار متنوع اجازه می دهد تا طیف وسیعی از توابع سیگنال مختلط در یک مدار مجتمع بسیار کوچک و کم قدرت طراحی شوند. علاوه بر این ، IC شامل یک ماکروسل ASM است که به کاربر اجازه می دهد ماشین های حالت تا 8 حالت ایجاد کند. کاربر دارای انعطاف پذیری برای تعریف تعداد حالات ، حالت های انتقال و سیگنال های ورودی است که باعث انتقال از یک حالت به حالت دیگر می شود.

مرحله 3: پیاده سازی با استفاده از GreenPAK

FSM توسعه یافته برای عملکرد کنترل کننده ترافیک با استفاده از SLG46537 GreenPAK اجرا می شود. در طراح GreenPak این طرح همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است پیاده سازی شده است.

PIN3 و PIN4 به عنوان پین های ورودی دیجیتالی پیکربندی شده اند. PIN3 به ورودی سنسور وسایل نقلیه کنار خیابان متصل است و PIN4 برای تنظیم مجدد سیستم استفاده می شود. پین 5 ، 6 ، 7 ، 14 ، 15 و 16 به عنوان پین خروجی پیکربندی شده است. پین های 5 ، 6 و 7 به ترتیب به درایورهای چراغ قرمز ، زرد و سبز سیگنال جانبی منتقل می شوند. پین های 14 ، 15 و 16 به ترتیب به رانندگان چراغ سبز ، زرد و قرمز سیگنال اصلی منتقل می شوند. با این کار پیکربندی ورودی/خروجی طرح تکمیل می شود. در قلب طرحواره بلوک ASM نهفته است. ورودی های بلوک ASM ، که تغییرات حالت را تنظیم می کند ، از منطق ترکیبی با استفاده از سه بلوک شمارنده/تاخیر (TS ، TL و TT) و ورودی از سنسور وسیله نقلیه جانبی بدست می آید. منطق ترکیبی با استفاده از اطلاعات حالت تغذیه شده به LUT ها واجد شرایط است. اطلاعات وضعیت حالت های اول ، دوم ، چهارم و پنجم با استفاده از ترکیبی از خروجی های B0 و B1 بلوک ASM بدست می آید. ترکیب B0 و B1 مربوط به حالتهای اول ، دوم ، چهارم و پنجم عبارتند از (B0 = 0 ، B1 = 0) ، (B0 = 1 ، B1 = 0) ، (B0 = 1 ، B1 = 1) و (B0 = 0 ، B1 = 1) به ترتیب. اطلاعات حالتهای حالتهای 3 و 6 به طور مستقیم با استفاده از عملگر AND در سیگنالهای قرمز و قرمز اصلی بدست می آید. تغذیه این اطلاعات با منطق ترکیبی ، باعث می شود که فقط تایمرهای مربوطه فعال شوند. سایر خروجی های بلوک ASM به چراغهای راهنمای اصلی (قرمز اصلی ، زرد اصلی و سبز اصلی) و چراغهای راهنمایی جانبی (قرمز سمت ، زرد جانبی و سبز جانبی) اختصاص یافته است.

پیکربندی بلوک ASM در شکل 5 و شکل 6 نشان داده شده است. حالات نشان داده شده در شکل 5 ، مطابق با حالتهای تعریف شده اول ، دوم ، سوم ، چهارم ، پنجم و ششم است که در شکل 3 نشان داده شده است. پیکربندی RAM خروجی ASM بلوک در شکل 6 نشان داده شده است.

تایمرهای TL ، TS و TT به ترتیب با استفاده از بلوک های شمارنده/تاخیر CNT1/DLY1 ، CNT2/DLY2 و CNT3/DLY3 اجرا می شوند. همه این سه بلوک در حالت تاخیر با تشخیص لبه افزایش یافته پیکربندی شده اند. همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است ، حالتهای اول و چهارم TL ، حالتهای دوم و پنجم TS و حالتهای سوم و ششم TT را با استفاده از منطق ترکیبی فعال می کنند. با فعال شدن زمان سنج تاخیر ، خروجی آنها 0 باقی می ماند تا زمانی که تأخیر پیکربندی شده مدت آن را کامل کند. به این ترتیب TL '، TS' و TT '

سیگنالها مستقیماً از خروجی بلوکهای CNT1/DLY1 ، CNT2/DLY2 و CNT3/DLY3 بدست می آیند. TS 'به طور مستقیم به ورودی گذار حالت دوم و پنجم تغذیه می شود در حالی که TT' به ورودی های گذار حالت سوم و ششم منتقل می شود. از طرف دیگر ، TL به بلوک های منطقی ترکیبی (LUT) منتقل می شود و سیگنال های TL 'Vs و TL'+ VS 'را که به ترتیب به ورودی های گذار حالتهای اول و چهارم تغذیه می شوند ، منتقل می کند. این امر پیاده سازی FSM را با استفاده از طراح GreenPAK تکمیل می کند.

مرحله 4: نتایج

برای اهداف آزمایش ، طرح با استفاده از SLG46537 روی برد توسعه جهانی GreenPAK تقلید شده است. سیگنال های چراغ راهنمایی (معادل پین های خروجی دیجیتال 5 ، 6 ، 7 ، 14 ، 15 و 16) برای فعال کردن LED هایی که قبلاً در هیئت توسعه GreenPAK موجود است برای مشاهده بصری رفتار FSM استفاده می شود. به منظور بررسی کامل رفتار پویای طرح توسعه یافته ، ما از یک برد Arduino UNO برای ارتباط با SLG46537 استفاده کردیم. برد آردوینو در حالی که سیگنال های چراغ راهنمایی را از سیستم دریافت می کند ، ورودی سنسور تشخیص خودرو و سیگنال های تنظیم مجدد سیستم را به این طرح ارائه می دهد. برد آردوینو به عنوان یک تجزیه و تحلیل منطقی چند کاناله برای ضبط و نمایش گرافیکی عملکرد زمانی سیستم استفاده می شود. دو سناریو که رفتار کلی سیستم را نشان می دهند ، توسعه داده شده و آزمایش می شوند. شکل 7 اولین سناریوی طرح را نشان می دهد که برخی از وسایل نقلیه همیشه در خیابان فرعی حضور دارند. هنگامی که سیگنال تنظیم مجدد تأیید می شود ، سیستم در حالت اول شروع می شود و فقط سیگنال های اصلی سبز و قرمز روشن و همه سیگنال های دیگر خاموش هستند. از آنجا که خودروهای جانبی همیشه حضور دارند ، انتقال بعدی به حالت دوم 25 ثانیه بعد انجام می شود و سیگنال های اصلی زرد و قرمز جانبی را روشن می کند. چهار ثانیه بعد ASM وارد حالت سوم می شود که در آن سیگنالهای اصلی قرمز و قرمز جانبی به مدت 1 ثانیه روشن می مانند. سپس سیستم با روشن شدن سیگنالهای اصلی قرمز و سبز جانبی وارد حالت چهارم می شود. از آنجا که وسایل نقلیه جانبی همیشه حضور دارند ، انتقال بعدی 25 ثانیه بعد انجام می شود و ASM را به حالت پنجم منتقل می کند. انتقال از حالت پنجم به ششم 4 ثانیه بعد با پایان یافتن TS رخ می دهد. این سیستم به مدت 1 ثانیه در حالت ششم می ماند تا ASM دوباره به حالت اول بازگردد.

شکل 8 رفتار طرح را در سناریوی دوم نشان می دهد ، هنگامی که چند وسیله نقلیه جانبی در سیگنال راهنمایی و رانندگی حضور دارند. به نظر می رسد رفتار سیستم مطابق طراحی عمل می کند. سیستم در حالت اول با تنها سیگنالهای اصلی سبز و قرمز روشن روشن می شود و همه سیگنالهای دیگر 25 ثانیه بعد خاموش می شوند و انتقال بعدی از آنجا که یک وسیله جانبی در حال حاضر وجود دارد ، خاموش می شود. سیگنالهای اصلی زرد و قرمز جانبی در حالت دوم روشن می شوند. بعد از 4 ثانیه ، ASM با روشن شدن سیگنال های قرمز قرمز و جانبی وارد حالت سوم می شود. سیستم به مدت 1 ثانیه در حالت سوم می ماند و سپس به حالت چهارم منتقل می شود و رنگ قرمز و سمت سبز اصلی روشن است. به محض اینکه ورودی سنسور خودرو کم می شود (وقتی همه وسایل نقلیه جانبی عبور کرده اند) ، سیستم وارد حالت پنجمی می شود که رنگ قرمز اصلی و زرد جانبی روشن است. پس از چهار ثانیه ماندن در حالت پنجم ، سیستم به حالت ششم حرکت می کند و سیگنال های اصلی و جانبی را قرمز می کند. این سیگنالها تا 1 ثانیه قرمز می مانند تا ASM دوباره وارد حالت اول شود. سناریوهای واقعی بر اساس ترکیبی از این دو سناریوی توصیف شده است که به درستی کار می کنند.

در این برنامه به یک کنترل کننده ترافیک که می تواند ترافیک را از طریق تقاطع خیابان اصلی شلوغ مدیریت کند و خیابان فرعی کم استفاده با استفاده از Dialog GreenPAK SLG46537 پیاده سازی شود ، توجه داشته باشید. این طرح بر اساس ASM است که اطمینان می دهد الزامات دنباله ای سیگنال های ترافیک برآورده شده است. رفتار طراحی توسط چندین LED و یک میکروکنترلر Arduino UNO تأیید شد. نتایج تأیید کرد که اهداف طراحی برآورده شده اند. مزیت اصلی استفاده از محصول Dialog این است که نیازی به قطعات الکترونیکی مجزا و میکروکنترلر برای ساختن یک سیستم نیست. طرح موجود را می توان با افزودن یک سیگنال ورودی از یک دکمه برای عبور عابرین پیاده که به دنبال عبور از خیابان شلوغ هستند ، تمدید کرد. سیگنال را می توان به همراه یک سیگنال از سنسور ورودی وسیله نقلیه به یک دروازه OR منتقل کرد تا اولین تغییر حالت را ایجاد کند. با این حال ، برای اطمینان از ایمنی عابران پیاده ، نیاز به حداقل زمان برای گذراندن در حالت چهارم وجود دارد. این را می توان با استفاده از یک بلوک تایمر دیگر به راحتی انجام داد. سیگنال های سبز و قرمز در سیگنال راهنمایی و رانندگی خیابان های فرعی هم اکنون می توانند به سیگنال های عابر پیاده در کنار خیابان داده شوند.