Controlador de sinal de tráfego: 4 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:35

Freqüentemente, existem cenários em que sequências de semáforos flexíveis são necessárias para a coordenação do tráfego através da interseção de uma rua movimentada e uma rua lateral pouco utilizada. Em tais situações, as sequências podem ser controladas usando diferentes temporizadores e um sinal de detecção de tráfego da rua lateral. Estes requisitos podem ser cumpridos através de métodos convencionais, e. usando blocos de construção de componentes eletrônicos discretos ou microcontroladores. No entanto, o conceito de circuitos integrados de sinais mistos configuráveis (CMIC) oferece uma alternativa atraente considerando sua flexibilidade de projeto, baixo custo, tempo de desenvolvimento e conveniência. Muitas regiões e países estão progredindo para grades mais complicadas que podem acomodar um número maior de variáveis para controlar semáforos. No entanto, muitos semáforos ainda utilizam controle de tempo fixo, como controladores de sinal eletromecânicos. O objetivo desta nota de aplicação é mostrar como é possível usar uma máquina de estado assíncrona (ASM) do GreenPAK para desenvolver um controlador de sinal de tráfego simplificado para substituir um controlador de tempo fixo. Este semáforo regula o tráfego que passa pelo cruzamento de uma rua principal movimentada com uma rua lateral pouco utilizada. O controlador controlaria a sequência de dois semáforos, que são instalados na rua principal e na rua lateral. Um sinal de sensor, detectando a presença de tráfego nas ruas laterais, é alimentado ao controlador que, em conjunto com dois temporizadores, controlaria a sequência dos sinais de tráfego. Um esquema de máquina de estado finito (FSM) é desenvolvido para garantir que os requisitos da sequência de semáforos sejam atendidos. A lógica do controlador é implementada usando um IC de sinal misto configurável GreenPAK ™ SLG46537 de diálogo.

Abaixo, descrevemos as etapas necessárias para entender como o chip GreenPAK foi programado para criar o Controlador de Sinal de Tráfego. No entanto, se você deseja apenas obter o resultado da programação, baixe o software GreenPAK para visualizar o arquivo de design GreenPAK já concluído. Conecte o GreenPAK Development Kit ao seu computador e acesse o programa para criar o IC personalizado para o Controlador de Sinal de Tráfego.

Etapa 1: Requisitos

Considere um cenário de tráfego com os requisitos de tempo dos semáforos da rua principal e secundária, conforme mostrado na Figura 1. O sistema tem seis estados e se moverá de um estado para o outro dependendo de certas condições predefinidas. Essas condições são baseadas em três temporizadores; um temporizador longo TL = 25 s, um temporizador curto TS = 4 se um temporizador transitório Tt = 1 s. Além disso, a entrada digital do sensor de detecção de tráfego lateral é necessária. Uma descrição completa de cada um dos seis estados do sistema e dos sinais de controle de transição de estado é fornecida a seguir: No primeiro estado, o sinal principal é verde, enquanto o sinal lateral é vermelho. O sistema permanecerá neste estado até que o longo cronômetro (TL = 25 s) expire ou enquanto não houver veículo na rua lateral. Se um veículo estiver presente na rua lateral após o término do longo cronômetro, o sistema passará por uma mudança de estado passando para o segundo estado. No segundo estado, o sinal principal fica amarelo enquanto o sinal lateral permanece vermelho pela duração do temporizador curto (TS = 4 s). Após 4 segundos, o sistema passa para o terceiro estado. No terceiro estado, o sinal principal muda para vermelho e o sinal lateral permanece vermelho durante o temporizador transitório (Tt = 1 s). Após 1 segundo, o sistema passa para o quarto estado. Durante o quarto estado, o sinal principal é vermelho, enquanto o sinal lateral muda para verde. O sistema permanecerá neste estado até o término do temporizador longo (TL = 25 s) e houver alguns veículos presentes na via secundária. Assim que o tempo longo expirar ou não houver nenhum veículo na rua lateral, o sistema passará para o quinto estado. Durante o quinto estado, o sinal principal é vermelho, enquanto o sinal lateral é amarelo pela duração do temporizador curto (TS = 4 s). Após 4 segundos, o sistema passará para o sexto estado. No sexto e último estado do sistema, os sinais principal e lateral são vermelhos durante o período do temporizador transitório (Tt = 1 s). Depois disso, o sistema volta ao primeiro estado e é reiniciado. O terceiro e o sexto estados fornecem um estado de buffer onde ambos os sinais (principal e lateral) permanecem vermelhos por um breve período de tempo durante a mudança. Os estados 3 e 6 são semelhantes e podem parecer redundantes, porém isso permite que a implementação do esquema proposto seja simples.

Etapa 2: Esquema de Implementação

Um diagrama de blocos completo do sistema é mostrado na Figura 2. Esta figura ilustra a estrutura geral, a função do sistema e lista todas as entradas e saídas necessárias. O controlador de sinal de tráfego proposto foi construído em torno do conceito de máquina de estado finito (FSM). Os requisitos de tempo descritos acima são traduzidos em um FSM de seis estados, conforme ilustrado na Figura 3.

As variáveis de mudança de estado mostradas acima são: Vs - Um veículo está presente na rua lateral

TL - O cronômetro de 25 s (cronômetro longo) está ligado

TS - O temporizador de 4 s (temporizador curto) está ativado

Tt - O cronômetro de 1 s (cronômetro transitório) está ligado

O Dialog GreenPAK CMIC SLG46537 foi escolhido para a implementação do FSM. Este dispositivo altamente versátil permite que uma ampla variedade de funções de sinais mistos sejam projetadas em um circuito integrado único muito pequeno e de baixa potência. Além disso, o IC contém uma macrocélula ASM projetada para permitir ao usuário criar máquinas de estado com até 8 estados. O usuário tem flexibilidade para definir o número de estados, as transições de estado e os sinais de entrada que causarão as transições de um estado para outro.

Etapa 3: Implementação usando GreenPAK

O FSM desenvolvido para a operação do controlador de tráfego é implementado utilizando SLG46537 GreenPAK. No GreenPak Designer, o esquema é implementado conforme mostrado na Figura 4.

PIN3 e PIN4 são configurados como pinos de entrada digital; O PIN3 é conectado à entrada do sensor de veículos na rua lateral e o PIN4 é usado para reinicializar o sistema. PINs 5, 6, 7, 14, 15 e 16 são configurados como pinos de saída. Os PINs 5, 6 e 7 são passados para os drivers de luz vermelha, amarela e verde do sinal lateral, respectivamente. Os PINs 14, 15 e 16 são passados para os drivers de luz verde, amarela e vermelha do sinal principal, respectivamente. Isso completa a configuração de E / S do esquema. No centro do esquema está o bloco ASM. As entradas do bloco ASM, que regulam as mudanças de estado, são obtidas da lógica combinatória usando três blocos de contador / atraso (TS, TL e TT) e a entrada do sensor lateral do veículo. A lógica combinatória é ainda qualificada usando as informações de estado fornecidas aos LUTs. As informações de estado do primeiro, segundo, quarto e quinto estados são obtidas usando combinações de saídas B0 e B1 do bloco ASM. As combinações de B0 e B1 correspondentes ao primeiro, segundo, quarto e quinto estados são (B0 = 0, B1 = 0), (B0 = 1, B1 = 0), (B0 = 1, B1 = 1) e (B0 = 0, B1 = 1) respectivamente. As informações dos estados do 3º e 6º estados são obtidas aplicando-se diretamente o operador AND aos sinais vermelho principal e vermelho lateral. Alimentar essas informações de estados para a lógica combinatória garante que apenas os temporizadores relevantes sejam acionados. Outras saídas do bloco ASM são atribuídas aos semáforos principais (vermelho principal, amarelo principal e verde principal) e semáforos laterais (vermelho lateral, amarelo lateral e verde lateral).

A configuração do bloco ASM é mostrada na Figura 5 e na Figura 6. Os estados mostrados na Figura 5 correspondem aos primeiro, segundo, terceiro, quarto, quinto e sexto estados definidos na Figura 3. A configuração de RAM de saída do ASM bloco é mostrado na Figura 6.

Os temporizadores TL, TS e TT são implementados usando os blocos de contador / atraso CNT1 / DLY1, CNT2 / DLY2 e CNT3 / DLY3 respectivamente. Todos esses três blocos são configurados em modo de atraso com detecção de borda ascendente. Conforme mostrado na Figura 3, o primeiro e o quarto estados disparam TL, o segundo e o quinto estados disparam TS e o terceiro e o sexto estados disparam TT usando a lógica combinatória. Conforme os temporizadores de atraso são acionados, suas saídas permanecem 0 até que o atraso configurado complete sua duração. Desta forma, o TL ', TS' e TT '

os sinais são obtidos diretamente das saídas dos blocos CNT1 / DLY1, CNT2 / DLY2 e CNT3 / DLY3. TS 'é alimentado diretamente para a entrada de transição do segundo e quinto estado, enquanto TT' é passado para as entradas de transição do terceiro e sexto estado. TL, por outro lado, é passado para blocos lógicos combinatórios (LUTs) dando os sinais TL’Vs e TL’ + VS’que são alimentados para as entradas de transição do primeiro e 4º estados, respectivamente. Isso conclui a implementação do FSM usando o designer GreenPAK.

Etapa 4: Resultados

Para fins de teste, o design é emulado na GreenPAK Universal Development Board usando o SLG46537. Os semáforos (equivalentes aos pinos de saída digital 5, 6, 7, 14, 15 e 16) são usados para ativar os LEDs que já estão disponíveis na Placa de Desenvolvimento GreenPAK para observar visualmente o comportamento do FSM. Para investigar completamente o comportamento dinâmico do esquema desenvolvido, usamos uma placa Arduino UNO para fazer a interface com o SLG46537. A placa Arduino fornece a entrada do sensor de detecção de veículo e sinais de reinicialização do sistema para o esquema enquanto recebe os sinais de semáforo do sistema. A placa Arduino é usada como um analisador lógico multicanal para registrar e mostrar graficamente o funcionamento temporal do sistema. Dois cenários que capturam o comportamento geral do sistema são desenvolvidos e testados. A Figura 7 mostra o primeiro cenário do esquema quando alguns veículos estão sempre presentes na rua lateral. Quando o sinal de reinicialização é confirmado, o sistema inicia no primeiro estado, apenas com os sinais verdes principais e os vermelhos laterais e todos os outros sinais desligados. Uma vez que os veículos laterais estão sempre presentes, a próxima transição para o segundo estado ocorre 25 segundos depois, ligando os sinais principais amarelo e vermelho. Quatro segundos depois, o ASM entra no terceiro estado, onde os sinais vermelho principal e vermelho lateral permanecem ligados por 1 segundo. O sistema então entra no quarto estado com os sinais principais vermelho e lateral verde ativados. Como os veículos laterais estão sempre presentes, a próxima transição ocorre 25 segundos depois, movendo o ASM para o quinto estado. A transição do quinto para o sexto estado ocorre 4 segundos depois, quando o TS expira. O sistema permanece no sexto estado pela duração de 1 segundo antes que o ASM entre novamente no primeiro estado.

A Figura 8 mostra o comportamento do esquema no segundo cenário, quando alguns veículos laterais estão presentes no semáforo. O comportamento do sistema está funcionando conforme projetado. O sistema inicia no primeiro estado com apenas os sinais principais verdes e vermelhos laterais ligados e todos os outros sinais desligados 25 segundos depois, a próxima transição segue, uma vez que há um veículo lateral presente. Os principais sinais amarelos e laterais vermelhos são ativados no segundo estado. Após 4 segundos, o ASM entra no terceiro estado com os sinais vermelho principal e vermelho lateral ligados. O sistema permanece no terceiro estado por 1 segundo e então passa para o quarto estado mantendo o vermelho principal e o verde lateral ativado. Assim que a entrada do sensor do veículo ficar baixa (quando todos os veículos laterais tiverem passado), o sistema entra no quinto estado, onde o vermelho principal e o amarelo lateral estão ligados. Depois de permanecer no quinto estado por quatro segundos, o sistema passa para o sexto estado, tornando os sinais principais e laterais vermelhos. Esses sinais permanecem vermelhos por 1 segundo antes que o ASM entre novamente no primeiro estado. Os cenários reais seriam baseados em uma combinação desses dois cenários descritos que funcionam corretamente.

ConclusãoNeste aplicativo, observe que um controlador de tráfego que pode gerenciar o tráfego que passa pela interseção de uma rua principal movimentada e uma rua lateral pouco usada foi implementado usando um Dialog GreenPAK SLG46537. O esquema é baseado em um ASM que garante que os requisitos de sequência dos sinais de trânsito sejam atendidos. O comportamento do projeto foi verificado por vários LEDs e um microcontrolador Arduino UNO. Os resultados verificaram que os objetivos do projeto foram atendidos. A principal vantagem de usar o produto Dialog é evitar a necessidade de componentes eletrônicos discretos e microcontroladores para construir o mesmo sistema. O projeto existente pode ser estendido adicionando-se um sinal de entrada de um botão para a passagem de pedestres que procuram atravessar a rua movimentada. O sinal pode ser passado para uma porta OU junto com o sinal do sensor de entrada do veículo lateral para acionar a primeira mudança de estado. No entanto, para garantir a segurança do pedestre agora há um requisito adicional de algum tempo mínimo a ser gasto no quarto estado. Isso pode ser feito facilmente usando outro bloco de cronômetro. Os sinais verdes e vermelhos no semáforo da rua lateral agora também podem ser enviados para os semáforos laterais para pedestres na rua lateral.