Controller del segnale stradale: 4 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:01

Esistono spesso scenari in cui sono necessarie sequenze di segnali stradali flessibili per il coordinamento del traffico attraverso l'intersezione di una strada trafficata e una strada laterale poco frequentata. In tali situazioni, le sequenze possono essere controllate utilizzando diversi timer e un segnale di rilevamento del traffico dalla strada laterale. Questi requisiti possono essere soddisfatti attraverso metodi convenzionali, ad es. utilizzando blocchi da componenti elettronici discreti o microcontrollori. Tuttavia, il concetto di circuiti integrati a segnale misto configurabili (CMIC) fornisce un'alternativa interessante considerando la sua flessibilità di progettazione, il basso costo, i tempi di sviluppo e la convenienza. Molte regioni e paesi stanno passando a griglie più complicate che possono ospitare un numero maggiore di variabili per controllare i semafori. Tuttavia, molti semafori utilizzano ancora il controllo a tempo fisso, come i controller di segnale elettromeccanici. Lo scopo di questa nota applicativa è mostrare come è possibile utilizzare un'Asynchronous State Machine (ASM) di GreenPAK per sviluppare un controller del segnale stradale semplificato per sostituire un controller a tempo fisso. Questo segnale stradale regola il traffico che passa attraverso l'intersezione di una strada principale trafficata e una strada laterale poco trafficata. Il controller controllerà la sequenza di due segnali stradali, installati sulla strada principale e su quella laterale. Un segnale del sensore, che rileva la presenza di traffico su strada laterale, viene inviato al controller che, insieme a due timer, controllerà la sequenza dei segnali stradali. Viene sviluppato uno schema di macchina a stati finiti (FSM) che garantisce il rispetto dei requisiti della sequenza dei segnali stradali. La logica del controller viene implementata utilizzando un CI di segnale misto configurabile GreenPAK™ SLG46537.

Di seguito abbiamo descritto i passaggi necessari per comprendere come è stato programmato il chip GreenPAK per creare il controller del segnale stradale. Tuttavia, se desideri solo ottenere il risultato della programmazione, scarica il software GreenPAK per visualizzare il file di progettazione GreenPAK già completato. Collega il kit di sviluppo GreenPAK al tuo computer e premi il programma per creare l'IC personalizzato per il controller del segnale stradale.

Passaggio 1: requisiti

Si consideri uno scenario di traffico con i requisiti di temporizzazione dei segnali stradali dalla strada principale e laterale, come mostrato nella Figura 1. Il sistema ha sei stati e si sposterà da uno stato all'altro a seconda di determinate condizioni predefinite. Queste condizioni si basano su tre timer; un timer lungo TL =25 s, un timer breve TS = 4 s e un timer transitorio Tt = 1 s. Inoltre, è richiesto l'ingresso digitale dal sensore di rilevamento del traffico laterale. Di seguito viene fornita una descrizione completa di ciascuno dei sei stati del sistema e dei segnali di controllo della transizione di stato: Nel primo stato, il segnale principale è verde mentre il segnale laterale è rosso. Il sistema rimarrà in questo stato fino allo scadere del timer lungo (TL = 25 s) o fino a quando non ci sono veicoli sulla strada laterale. Se un veicolo è presente sulla strada laterale dopo la scadenza del timer lungo, il sistema subirà un cambio di stato passando al secondo stato. Nel secondo stato, il segnale principale diventa giallo mentre il segnale laterale rimane rosso per la durata del timer breve (TS = 4 s). Dopo 4 secondi il sistema passa al terzo stato. Nel terzo stato, il segnale principale diventa rosso e il segnale laterale rimane rosso per la durata del temporizzatore transitorio (Tt =1 s). Dopo 1 secondo, il sistema passa al quarto stato. Durante il quarto stato il segnale principale è rosso mentre il segnale laterale diventa verde. Il sistema rimarrà in questo stato fino allo scadere del timer lungo (TL = 25 s) e sono presenti alcuni veicoli sulla strada laterale. Non appena scade il timer lungo, o non ci sono veicoli sulla strada laterale, il sistema passerà al quinto stato. Durante il quinto stato il segnale principale è rosso mentre il segnale laterale è giallo per la durata del timer breve (TS = 4 s). Dopo 4 secondi il sistema passerà al sesto stato. Nel sesto e nell'ultimo stato del sistema, entrambi i segnali principale e laterale sono rossi per il periodo del temporizzatore transitorio (Tt =1 s). Successivamente, il sistema torna al primo stato e ricomincia da capo. Il terzo e il sesto stato forniscono uno stato buffer in cui entrambi i segnali (principale e laterale) rimangono rossi per un breve periodo di tempo durante la commutazione. Gli stati 3 e 6 sono simili e possono sembrare ridondanti, tuttavia ciò consente di semplificare l'attuazione dello schema proposto.

Fase 2: Schema di implementazione

Uno schema a blocchi completo del sistema è mostrato nella Figura 2. Questa figura illustra la struttura generale, la funzione del sistema ed elenca tutti gli ingressi e le uscite richiesti. Il controller del segnale stradale proposto è stato costruito attorno al concetto di macchina a stati finiti (FSM). I requisiti di temporizzazione descritti sopra sono tradotti in un FSM a sei stati come illustrato nella Figura 3.

Le variabili di cambio di stato mostrate sopra sono: Vs – Un veicolo è presente sulla strada laterale

TL – Il timer di 25 s (timer lungo) è attivo

TS – Il timer di 4 s (timer breve) è attivo

Tt – Il timer di 1 s (timer transitorio) è attivo

Il Dialog GreenPAK CMIC SLG46537 è stato scelto per l'implementazione dell'FSM. Questo dispositivo altamente versatile consente di progettare un'ampia varietà di funzioni a segnale misto all'interno di un singolo circuito integrato molto piccolo e a bassa potenza. Inoltre, l'IC contiene una macrocella ASM progettata per consentire all'utente di creare macchine a stati con fino a 8 stati. L'utente ha la flessibilità di definire il numero di stati, le transizioni di stato e i segnali di ingresso che causeranno le transizioni da uno stato all'altro.

Passaggio 3: implementazione utilizzando GreenPAK

L'FSM sviluppato per il funzionamento del controllore del traffico è implementato utilizzando SLG46537 GreenPAK. Nel GreenPak Designer lo schema è implementato come mostrato nella Figura 4.

PIN3 e PIN4 sono configurati come pin di ingresso digitale; Il PIN3 è collegato all'ingresso del sensore del veicolo laterale e il PIN4 è utilizzato per il ripristino del sistema. I PIN 5, 6, 7, 14, 15 e 16 sono configurati come pin di uscita. I PIN 5, 6 e 7 vengono passati rispettivamente ai driver della luce rossa, gialla e verde del segnale laterale. I PIN 14, 15 e 16 vengono passati rispettivamente ai driver del segnale principale verde, giallo e rosso. Questo completa la configurazione I/O dello schema. Al centro dello schema si trova il blocco ASM. Gli ingressi del blocco ASM, che regolano i cambi di stato, sono ricavati dalla logica combinatoria utilizzando tre blocchi contatore/ritardo (TS, TL e TT) e l'ingresso dal sensore lato veicolo. La logica combinatoria è ulteriormente qualificata utilizzando le informazioni di stato inviate alle LUT. Le informazioni di stato del primo, secondo, quarto e quinto stato sono ottenute utilizzando combinazioni di uscite B0 e B1 del blocco ASM. Le combinazioni di B0 e B1 corrispondenti al primo, secondo, quarto e quinto stato sono (B0 = 0, B1 = 0), (B0 = 1, B1 = 0), (B0 = 1, B1 = 1) e (B0 = 0, B1 = 1) rispettivamente. Le informazioni sugli stati del 3° e 6° stato si ottengono applicando direttamente l'operatore AND ai segnali rosso principale e rosso laterale. L'alimentazione di queste informazioni di stato alla logica combinatoria garantisce che vengano attivati solo i timer rilevanti. Altre uscite del blocco ASM sono assegnate ai semafori principali (rosso principale, giallo principale e verde principale) e semaforo laterale (lato rosso, laterale giallo e laterale verde).

La configurazione del blocco ASM è mostrata in Figura 5 e Figura 6. Gli stati mostrati in Figura 5, corrispondono al primo, secondo, terzo, quarto, quinto e sesto stato definiti mostrati in Figura 3. La configurazione della RAM di uscita dell'ASM il blocco è mostrato in Figura 6.

I temporizzatori TL, TS e TT sono implementati utilizzando rispettivamente i blocchi contatore/ritardo CNT1/DLY1, CNT2/DLY2 e CNT3/DLY3. Tutti e tre questi blocchi sono configurati in modalità di ritardo con rilevamento del fronte di salita. Come mostrato nella Figura 3, il primo e il quarto stato attivano TL, il secondo e il quinto stato attivano TS e il terzo e il sesto stato attivano TT utilizzando la logica combinatoria. Quando i timer di ritardo vengono attivati, le loro uscite rimangono 0 finché il ritardo configurato non completa la sua durata. In questo modo TL', TS' e TT'

i segnali sono ottenuti direttamente dalle uscite dei blocchi CNT1/DLY1, CNT2/DLY2 e CNT3/DLY3. TS' viene inviato direttamente all'ingresso di transizione del secondo e quinto stato mentre TT' è passato agli ingressi di transizione del terzo e sesto stato. TL, invece, viene passato a blocchi logici combinatori (LUT) fornendo i segnali TL' Vs e TL'+ VS' che vengono inviati agli ingressi di transizione rispettivamente del primo e del 4° stato. Questo completa l'implementazione dell'FSM utilizzando il designer GreenPAK.

Passaggio 4: risultati

A scopo di test, il progetto viene emulato sulla GreenPAK Universal Development Board utilizzando SLG46537. I segnali dei semafori (equiparati ai pin di uscita digitale 5, 6, 7, 14, 15 e 16) vengono utilizzati per attivare i LED già disponibili sulla scheda di sviluppo GreenPAK per osservare visivamente il comportamento dell'FSM. Per studiare a fondo il comportamento dinamico dello schema sviluppato, abbiamo utilizzato una scheda Arduino UNO per interfacciarci con SLG46537. La scheda Arduino fornisce allo schema l'ingresso del sensore di rilevamento del veicolo e i segnali di ripristino del sistema mentre riceve i segnali del semaforo dal sistema. La scheda Arduino viene utilizzata come analizzatore logico multicanale per registrare e mostrare graficamente il funzionamento temporale del sistema. Vengono sviluppati e testati due scenari che catturano il comportamento generale del sistema. La Figura 7 mostra il primo scenario dello schema quando alcuni veicoli sono sempre presenti sulla strada laterale. Quando il segnale di reset è asserito il sistema si avvia nel primo stato con solo i segnali principali verde e rosso laterale accesi e tutti gli altri segnali spenti. Poiché i veicoli laterali sono sempre presenti, il successivo passaggio al secondo stato segue 25 secondi dopo l'accensione dei segnali principali gialli e rossi laterali. Quattro secondi dopo l'ASM entra nel terzo stato in cui i segnali rosso principale e rosso laterale rimangono accesi per 1 secondo. Il sistema entra quindi nel quarto stato con i segnali principali rosso e verde laterale accesi. Poiché i veicoli laterali sono sempre presenti, la transizione successiva avviene 25 secondi dopo portando l'ASM al quinto stato. La transizione dal quinto al sesto stato avviene 4 secondi dopo la scadenza di TS. Il sistema rimane nel sesto stato per la durata di 1 secondo prima che l'ASM rientri nel primo stato.

La Figura 8 mostra il comportamento dello schema nel secondo scenario, quando al semaforo sono presenti alcuni veicoli laterali. Il comportamento del sistema risulta funzionare come previsto. Il sistema si avvia nel primo stato con solo i segnali principali verde e rosso laterale accesi e tutti gli altri segnali disattivati 25 secondi dopo, segue la transizione successiva poiché è presente un veicolo laterale. I segnali principali giallo e rosso laterale sono accesi nel secondo stato. Dopo 4 secondi, l'ASM entra nel terzo stato con i segnali rosso principale e rosso laterale accesi. Il sistema rimane nel terzo stato per 1 secondo e poi passa al quarto stato mantenendo acceso il rosso principale e il verde laterale. Non appena l'ingresso del sensore del veicolo diventa basso (quando tutti i veicoli laterali sono passati), il sistema entra nel quinto stato in cui sono accesi il rosso principale e il giallo laterale. Dopo essere rimasto nel quinto stato per quattro secondi il sistema passa al sesto stato, accendendo in rosso sia il segnale principale che quello laterale. Questi segnali rimangono rossi per 1 secondo prima che l'ASM rientri nel primo stato. Gli scenari effettivi si baserebbero su una combinazione di questi due scenari descritti che risultano funzionare correttamente.

ConclusioneIn questa app è stato implementato un controllore del traffico in grado di gestire il traffico che passa attraverso l'intersezione di una strada principale trafficata e di una strada laterale poco frequentata utilizzando un Dialog GreenPAK SLG46537. Lo schema si basa su un ASM che garantisce il rispetto dei requisiti di sequenza dei segnali stradali. Il comportamento del progetto è stato verificato da diversi LED e da un microcontrollore Arduino UNO. I risultati hanno verificato il raggiungimento degli obiettivi progettuali. Il vantaggio principale dell'utilizzo del prodotto Dialog è quello di ovviare alla necessità di componenti elettronici discreti e microcontrollori per costruire lo stesso sistema. Il progetto esistente può essere ampliato aggiungendo un segnale di ingresso da un pulsante per il passaggio di pedoni che cercano di attraversare la strada trafficata. Il segnale può essere passato a un cancello OR insieme al segnale dal sensore di ingresso del veicolo laterale per attivare il primo cambio di stato. Tuttavia, per garantire la sicurezza del pedone ora c'è un requisito aggiuntivo di un tempo minimo da trascorrere nel quarto stato. Questo può essere facilmente realizzato utilizzando un altro blocco timer. I segnali verde e rosso del semaforo laterale possono ora essere alimentati anche ai segnali pedonali laterali della strada laterale.