Bộ điều khiển tín hiệu giao thông: 4 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:31

Thường tồn tại các tình huống trong đó trình tự tín hiệu giao thông linh hoạt được yêu cầu để điều phối giao thông qua giao lộ của đường đông đúc và đường phụ được sử dụng nhẹ. Trong những tình huống như vậy, các chuỗi có thể được kiểm soát bằng cách sử dụng các bộ hẹn giờ khác nhau và tín hiệu phát hiện giao thông từ đường bên cạnh. Các yêu cầu này có thể được đáp ứng thông qua các phương pháp thông thường, ví dụ: sử dụng các khối xây dựng từ các linh kiện điện tử hoặc vi điều khiển rời rạc. Tuy nhiên, khái niệm về mạch tích hợp tín hiệu hỗn hợp có thể định cấu hình (CMIC) cung cấp một giải pháp thay thế hấp dẫn dựa trên tính linh hoạt trong thiết kế, chi phí thấp, thời gian phát triển và sự tiện lợi. Nhiều khu vực và quốc gia đang phát triển các lưới phức tạp hơn có thể chứa nhiều biến số hơn để điều khiển đèn giao thông. Tuy nhiên, nhiều đèn giao thông vẫn sử dụng điều khiển thời gian cố định, chẳng hạn như bộ điều khiển tín hiệu điện cơ. Mục đích của ghi chú ứng dụng này là chỉ ra cách người ta có thể sử dụng Máy trạng thái không đồng bộ (ASM) của GreenPAK để phát triển bộ điều khiển tín hiệu giao thông đơn giản để thay thế bộ điều khiển thời gian cố định. Tín hiệu giao thông này điều chỉnh giao thông đi qua nơi giao nhau giữa đường chính đông đúc và đường phụ được sử dụng nhẹ. Bộ điều khiển sẽ điều khiển chuỗi hai tín hiệu giao thông, được lắp đặt ở đường chính và đường phụ. Một tín hiệu cảm biến, phát hiện sự hiện diện của giao thông bên đường, được cấp cho bộ điều khiển, kết hợp với hai bộ hẹn giờ, sẽ điều khiển trình tự của các tín hiệu giao thông. Một lược đồ máy trạng thái hữu hạn (FSM) được phát triển để đảm bảo đáp ứng các yêu cầu của chuỗi tín hiệu giao thông. Bộ điều khiển logic được thực hiện bằng cách sử dụng hộp thoại GreenPAK ™ SLG46537 IC tín hiệu hỗn hợp có thể định cấu hình.

Dưới đây chúng tôi mô tả các bước cần thiết để hiểu cách thức lập trình chip GreenPAK để tạo Bộ điều khiển tín hiệu giao thông. Tuy nhiên, nếu bạn chỉ muốn lấy kết quả của việc lập trình, hãy tải phần mềm GreenPAK để xem File thiết kế GreenPAK đã hoàn thành. Cắm Bộ phát triển GreenPAK vào máy tính của bạn và nhấn chương trình để tạo IC tùy chỉnh cho Bộ điều khiển tín hiệu giao thông.

Bước 1: Yêu cầu

Hãy xem xét một kịch bản giao thông với các yêu cầu về thời gian của tín hiệu giao thông từ đường chính và đường phụ, như thể hiện trong Hình 1. Hệ thống có sáu trạng thái và sẽ chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác tùy thuộc vào một số điều kiện được xác định trước. Các điều kiện này dựa trên ba bộ hẹn giờ; bộ định thời dài TL = 25 s, bộ định thời ngắn TS = 4 s và bộ định thời tạm thời Tt = 1 s. Ngoài ra, đầu vào kỹ thuật số từ cảm biến phát hiện lưu lượng bên là bắt buộc. Dưới đây là mô tả kỹ lưỡng về từng trạng thái của hệ thống và các tín hiệu điều khiển chuyển đổi trạng thái: Ở trạng thái đầu tiên, tín hiệu chính có màu xanh lá cây trong khi tín hiệu phụ có màu đỏ. Hệ thống sẽ duy trì trạng thái này cho đến khi bộ hẹn giờ dài (TL = 25 s) hết hạn hoặc miễn là không có xe ở đường bên cạnh. Nếu một chiếc xe có mặt ở phố bên sau khi hết thời gian hẹn giờ dài, hệ thống sẽ trải qua một sự thay đổi trạng thái chuyển sang trạng thái thứ hai. Ở trạng thái thứ hai, tín hiệu chính chuyển sang màu vàng trong khi tín hiệu phụ vẫn màu đỏ trong thời gian của bộ định thời ngắn (TS = 4 s). Sau 4 giây hệ thống chuyển sang trạng thái thứ ba. Ở trạng thái thứ ba, tín hiệu chính chuyển sang màu đỏ và tín hiệu phụ vẫn có màu đỏ trong khoảng thời gian của bộ định thời tạm thời (Tt = 1 s). Sau 1 giây, hệ thống chuyển sang trạng thái thứ tư. Trong trạng thái thứ tư, tín hiệu chính có màu đỏ trong khi tín hiệu phụ chuyển sang màu xanh lá cây. Hệ thống sẽ duy trì trạng thái này cho đến khi hết thời gian hẹn giờ dài (TL = 25 s) và có một số phương tiện hiện diện trên đường bên. Ngay khi bộ hẹn giờ dài hết hạn, hoặc không có xe ở đường bên, hệ thống sẽ chuyển sang trạng thái thứ năm. Trong trạng thái thứ năm, tín hiệu chính có màu đỏ trong khi tín hiệu phụ có màu vàng trong khoảng thời gian của bộ định thời ngắn (TS = 4 s). Sau 4 giây hệ thống sẽ chuyển sang trạng thái thứ sáu. Ở trạng thái thứ sáu và trạng thái cuối cùng của hệ thống, cả tín hiệu chính và tín hiệu phụ đều có màu đỏ trong khoảng thời gian của bộ đếm thời gian tạm thời (Tt = 1 s). Sau đó, hệ thống trở lại trạng thái đầu tiên và bắt đầu lại từ đầu. Trạng thái thứ ba và thứ sáu cung cấp trạng thái đệm trong đó cả hai tín hiệu (chính và phụ) đều có màu đỏ trong một khoảng thời gian ngắn trong quá trình chuyển đổi. Trạng thái 3 và 6 tương tự nhau và có vẻ thừa, tuy nhiên điều này cho phép việc thực hiện kế hoạch đề xuất trở nên đơn giản.

Bước 2: Kế hoạch thực hiện

Sơ đồ khối hoàn chỉnh của hệ thống được thể hiện trong Hình 2. Hình này minh họa cấu trúc tổng thể, chức năng của hệ thống và liệt kê tất cả các đầu vào và đầu ra được yêu cầu. Bộ điều khiển tín hiệu giao thông được đề xuất đã được xây dựng dựa trên khái niệm máy trạng thái hữu hạn (FSM). Các yêu cầu về thời gian được mô tả ở trên được chuyển thành FSM sáu trạng thái như được mô tả trong Hình 3.

Các biến thay đổi trạng thái được hiển thị ở trên là: Vs - Một chiếc xe có mặt ở đường bên

TL - Bộ hẹn giờ 25 giây (bộ hẹn giờ dài) đang bật

TS - Bộ hẹn giờ 4 giây (bộ hẹn giờ ngắn) đang bật

Tt - Bộ hẹn giờ 1 giây (bộ hẹn giờ tạm thời) đang bật

Hộp thoại GreenPAK CMIC SLG46537 đã được chọn để triển khai FSM. Thiết bị rất linh hoạt này cho phép nhiều chức năng tín hiệu hỗn hợp được thiết kế trong một mạch tích hợp đơn công suất thấp, rất nhỏ. Hơn nữa, IC chứa macrocell ASM được thiết kế để cho phép người dùng tạo các máy trạng thái có tối đa 8 trạng thái. Người dùng có thể linh hoạt xác định số lượng trạng thái, chuyển đổi trạng thái và các tín hiệu đầu vào sẽ gây ra chuyển đổi từ trạng thái này sang trạng thái khác.

Bước 3: Thực hiện bằng GreenPAK

FSM được phát triển cho hoạt động của bộ điều khiển giao thông được thực hiện bằng SLG46537 GreenPAK. Trong GreenPak Designer, lược đồ được thực hiện như trong Hình 4.

PIN3 và PIN4 được cấu hình làm chân đầu vào kỹ thuật số; PIN3 được kết nối với đầu vào của cảm biến xe đường bên cạnh và PIN4 được sử dụng để thiết lập lại hệ thống. Các mã PIN 5, 6, 7, 14, 15 và 16 được cấu hình làm chân đầu ra. Mã PIN 5, 6 và 7 lần lượt được chuyển cho trình điều khiển đèn đỏ, vàng và xanh lục của tín hiệu bên. Mã PIN 14, 15 và 16 lần lượt được chuyển cho các trình điều khiển đèn xanh, vàng và đỏ của tín hiệu chính. Điều này hoàn thành cấu hình I / O của chương trình. Trung tâm của giản đồ là khối ASM. Các đầu vào của khối ASM, điều chỉnh các thay đổi trạng thái, được lấy từ logic tổ hợp bằng cách sử dụng ba khối bộ đếm / trễ (TS, TL và TT) và đầu vào từ cảm biến bên xe. Logic tổ hợp còn đủ điều kiện hơn nữa bằng cách sử dụng thông tin trạng thái được cung cấp trở lại cho các LUT. Thông tin trạng thái của các trạng thái thứ nhất, thứ hai, thứ tư và thứ năm được lấy bằng cách sử dụng kết hợp các đầu ra B0 và B1 của khối ASM. Các kết hợp của B0 và B1 tương ứng với các trạng thái thứ nhất, thứ hai, thứ tư và thứ năm là (B0 = 0, B1 = 0), (B0 = 1, B1 = 0), (B0 = 1, B1 = 1) và (B0 = 0, B1 = 1) tương ứng. Thông tin trạng thái của trạng thái thứ 3 và thứ 6 thu được trực tiếp áp dụng toán tử AND cho các tín hiệu đỏ chính và đỏ phụ. Việc cung cấp thông tin trạng thái này cho logic tổ hợp đảm bảo rằng chỉ các bộ định thời có liên quan mới được kích hoạt. Các đầu ra khác của khối ASM được gán cho đèn giao thông chính (màu đỏ chính, vàng chính và xanh lá cây chính) và đèn giao thông phụ (bên đỏ, bên vàng và bên xanh).

Cấu hình của khối ASM được thể hiện trong Hình 5 và Hình 6. Các trạng thái được hiển thị trong Hình 5, tương ứng với các trạng thái đầu tiên, thứ hai, thứ ba, thứ tư, thứ năm và thứ sáu được xác định trong Hình 3. Cấu hình RAM đầu ra của ASM khối được hiển thị trong Hình 6.

Các bộ định thời TL, TS và TT được thực hiện bằng cách sử dụng các khối bộ đếm / trễ lần lượt là CNT1 / DLY1, CNT2 / DLY2 và CNT3 / DLY3. Tất cả ba khối này được cấu hình ở chế độ trễ với tính năng phát hiện cạnh tăng. Như trong Hình 3, trạng thái thứ nhất và thứ tư kích hoạt TL, trạng thái thứ hai và thứ năm kích hoạt TS, trạng thái thứ ba và thứ sáu kích hoạt TT bằng logic tổ hợp. Khi bộ định thời gian trễ được kích hoạt, đầu ra của chúng vẫn là 0 cho đến khi độ trễ được định cấu hình hoàn thành thời gian của nó. Bằng cách này, TL ', TS' và TT '

tín hiệu thu được trực tiếp từ đầu ra của các khối CNT1 / DLY1, CNT2 / DLY2 và CNT3 / DLY3. TS’được cấp trực tiếp cho đầu vào chuyển đổi trạng thái thứ hai và thứ năm trong khi TT’ được chuyển đến đầu vào chuyển đổi trạng thái thứ ba và thứ sáu. Mặt khác, TL được chuyển tới các khối logic tổ hợp (LUT) cho các tín hiệu TL’Vs và TL’ + VS’được đưa tới các đầu vào chuyển tiếp của trạng thái đầu tiên và thứ 4 tương ứng. Điều này hoàn thành việc triển khai FSM bằng trình thiết kế GreenPAK.

Bước 4: Kết quả

Đối với mục đích thử nghiệm, thiết kế được mô phỏng trên GreenPAK Universal Development Board sử dụng SLG46537. Các tín hiệu đèn giao thông (tương đương với các chân đầu ra kỹ thuật số 5, 6, 7, 14, 15 và 16) được sử dụng để kích hoạt các đèn LED đã có sẵn trên GreenPAK Development Board để quan sát trực quan hoạt động của FSM. Để điều tra đầy đủ hành vi động của sơ đồ đã phát triển, chúng tôi đã sử dụng bảng Arduino UNO để giao tiếp với SLG46537. Bảng Arduino cung cấp đầu vào cảm biến phát hiện xe và tín hiệu đặt lại hệ thống cho sơ đồ trong khi nó nhận tín hiệu đèn giao thông từ hệ thống. Bảng Arduino được sử dụng như một bộ phân tích logic đa kênh để ghi lại và hiển thị bằng đồ thị hoạt động theo thời gian của hệ thống. Hai kịch bản nắm bắt hành vi chung của hệ thống được phát triển và thử nghiệm. Hình 7 cho thấy kịch bản đầu tiên của sơ đồ khi một số phương tiện luôn có mặt ở đường bên. Khi tín hiệu đặt lại được khẳng định, hệ thống bắt đầu ở trạng thái đầu tiên với chỉ các tín hiệu màu xanh lá cây chính và màu đỏ bên được bật và tất cả các tín hiệu khác bị tắt. Vì xe bên cạnh luôn có mặt, quá trình chuyển đổi tiếp theo sang trạng thái thứ hai diễn ra sau 25 giây sau khi bật tín hiệu màu vàng chính và đèn đỏ bên cạnh. Bốn giây sau ASM chuyển sang trạng thái thứ ba, nơi các tín hiệu màu đỏ chính và màu đỏ phụ vẫn sáng trong 1 giây. Sau đó, hệ thống chuyển sang trạng thái thứ tư với các tín hiệu màu đỏ chính và màu xanh lá cây bên được bật. Vì các phương tiện phụ luôn có mặt, quá trình chuyển đổi tiếp theo diễn ra 25 giây sau đó chuyển ASM sang trạng thái thứ năm. Quá trình chuyển đổi từ trạng thái thứ năm sang thứ sáu xảy ra sau đó 4 giây khi TS hết hạn. Hệ thống ở trạng thái thứ sáu trong khoảng thời gian 1 giây trước khi ASM chuyển sang trạng thái đầu tiên.

Hình 8 cho thấy hành vi của sơ đồ trong kịch bản thứ hai, khi một vài phương tiện bên cạnh có mặt tại tín hiệu giao thông. Hành vi của hệ thống được cho là hoạt động như thiết kế. Hệ thống bắt đầu ở trạng thái đầu tiên với chỉ các tín hiệu màu xanh lá cây chính và màu đỏ bên cạnh được bật và tất cả các tín hiệu khác sẽ tắt sau 25 giây, quá trình chuyển đổi tiếp theo sẽ diễn ra sau khi có sự xuất hiện của phương tiện phụ. Tín hiệu màu vàng chính và màu đỏ bên được bật ở trạng thái thứ hai. Sau 4 giây, ASM chuyển sang trạng thái thứ ba với tín hiệu màu đỏ chính và màu đỏ bên được bật. Hệ thống ở trạng thái thứ ba trong 1 giây và sau đó chuyển sang trạng thái thứ tư, giữ màu đỏ chính và màu xanh lá cây phụ. Ngay sau khi đầu vào cảm biến của xe ở mức thấp (khi tất cả các phương tiện bên cạnh đã đi qua), hệ thống sẽ chuyển sang trạng thái thứ năm khi màu đỏ chính và màu vàng bên được bật. Sau khi ở trạng thái thứ năm trong bốn giây, hệ thống chuyển sang trạng thái thứ sáu, cả hai tín hiệu chính và phụ đều có màu đỏ. Các tín hiệu này vẫn đỏ trong 1 giây trước khi ASM trở lại trạng thái đầu tiên. Các tình huống thực tế sẽ dựa trên sự kết hợp của hai tình huống được mô tả này được cho là hoạt động chính xác.

Kết luận Trong ứng dụng này, lưu ý rằng một người điều khiển giao thông có thể quản lý giao thông đi qua giao lộ của đường chính đông đúc và đường phụ được sử dụng nhẹ đã được thực hiện bằng Dialog GreenPAK SLG46537. Đề án dựa trên ASM đảm bảo đáp ứng các yêu cầu về trình tự tín hiệu giao thông. Hoạt động của thiết kế đã được xác minh bởi một số đèn LED và vi điều khiển Arduino UNO. Kết quả xác minh rằng các mục tiêu thiết kế đã được đáp ứng. Ưu điểm chính của việc sử dụng sản phẩm Dialog là loại bỏ nhu cầu của các thành phần điện tử và vi điều khiển rời rạc để xây dựng cùng một hệ thống. Thiết kế hiện tại có thể được mở rộng bằng cách thêm tín hiệu đầu vào từ một nút nhấn để người đi bộ qua đường đang tìm cách băng qua đường đông đúc. Tín hiệu có thể được chuyển tới cổng OR cùng với tín hiệu từ cảm biến đầu vào của xe bên để kích hoạt sự thay đổi trạng thái đầu tiên. Tuy nhiên, để đảm bảo an toàn cho người đi bộ hiện nay có thêm một yêu cầu về thời gian tối thiểu được dành cho trạng thái thứ tư. Điều này có thể dễ dàng được thực hiện bằng cách sử dụng một khối hẹn giờ khác. Tín hiệu màu xanh lá cây và màu đỏ trên tín hiệu giao thông đường bên giờ cũng có thể được chuyển cho tín hiệu dành cho người đi bộ ở đường bên cạnh.