ตัวควบคุมสัญญาณไฟจราจร: 4 ขั้นตอน

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:03

มักจะมีสถานการณ์ที่จำเป็นต้องมีลำดับสัญญาณไฟจราจรที่ยืดหยุ่นสำหรับการประสานงานของการจราจรผ่านสี่แยกของถนนที่พลุกพล่านและถนนด้านข้างที่ใช้งานเบา ในสถานการณ์เช่นนี้ ลำดับสามารถควบคุมได้โดยใช้ตัวจับเวลาที่แตกต่างกันและสัญญาณตรวจจับการจราจรจากถนนด้านข้าง สามารถปฏิบัติตามข้อกำหนดเหล่านี้ได้ด้วยวิธีการทั่วไปเช่น โดยใช้หน่วยการสร้างจากส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์หรือไมโครคอนโทรลเลอร์ที่ไม่ต่อเนื่อง อย่างไรก็ตาม แนวคิดของวงจรรวมสัญญาณผสมที่กำหนดค่าได้ (CMIC) ให้ทางเลือกที่น่าสนใจเมื่อพิจารณาจากความยืดหยุ่นในการออกแบบ ต้นทุนต่ำ เวลาในการพัฒนา และความสะดวก หลายภูมิภาคและหลายประเทศกำลังก้าวหน้าไปสู่กริดที่ซับซ้อนมากขึ้น ซึ่งสามารถรองรับตัวแปรจำนวนมากขึ้นเพื่อควบคุมสัญญาณไฟจราจร อย่างไรก็ตาม สัญญาณไฟจราจรจำนวนมากยังคงใช้การควบคุมเวลาคงที่ เช่น ตัวควบคุมสัญญาณไฟฟ้าเครื่องกล วัตถุประสงค์ของบันทึกการใช้งานนี้คือเพื่อแสดงให้เห็นว่าเราสามารถใช้ Asynchronous State Machine (ASM) ของ GreenPAK เพื่อพัฒนาตัวควบคุมสัญญาณไฟจราจรแบบง่ายเพื่อแทนที่ตัวควบคุมแบบเวลาคงที่ได้อย่างไร สัญญาณไฟจราจรนี้ควบคุมการจราจรที่ผ่านสี่แยกของถนนสายหลักที่พลุกพล่านและถนนด้านข้างที่ไม่ค่อยมีใครใช้ ผู้ควบคุมจะควบคุมลำดับสัญญาณไฟจราจรสองสัญญาณซึ่งติดตั้งอยู่ที่ถนนสายหลักและด้านข้าง สัญญาณเซ็นเซอร์ที่ตรวจจับการมีอยู่ของการจราจรริมถนนนั้นถูกส่งไปยังตัวควบคุมซึ่งร่วมกับตัวจับเวลาสองตัวจะควบคุมลำดับของสัญญาณไฟจราจร ได้มีการพัฒนารูปแบบเครื่องจำกัดสถานะ (FSM) เพื่อให้แน่ใจว่าตรงตามข้อกำหนดของลำดับสัญญาณไฟจราจร ตรรกะของตัวควบคุมถูกใช้งานโดยใช้ไดอะล็อก GreenPAK™ SLG46537 IC สัญญาณผสมที่กำหนดค่าได้

ด้านล่างนี้ เราได้อธิบายขั้นตอนที่จำเป็น ทำความเข้าใจว่าชิป GreenPAK ได้รับการตั้งโปรแกรมเพื่อสร้างตัวควบคุมสัญญาณไฟจราจรอย่างไร อย่างไรก็ตาม หากคุณต้องการเพียงแค่ผลลัพธ์ของการเขียนโปรแกรม ให้ดาวน์โหลดซอฟต์แวร์ GreenPAK เพื่อดูไฟล์การออกแบบ GreenPAK ที่เสร็จสมบูรณ์แล้ว เสียบ GreenPAK Development Kit เข้ากับคอมพิวเตอร์ของคุณและกดโปรแกรมเพื่อสร้าง IC แบบกำหนดเองสำหรับตัวควบคุมสัญญาณไฟจราจร

ขั้นตอนที่ 1: ข้อกำหนด

พิจารณาสถานการณ์การจราจรที่มีข้อกำหนดด้านเวลาของสัญญาณไฟจราจรจากถนนสายหลักและด้านข้าง ดังแสดงในรูปที่ 1 ระบบมีหกสถานะ และจะย้ายจากสถานะหนึ่งไปยังอีกสถานะหนึ่งขึ้นอยู่กับเงื่อนไขที่กำหนดไว้ล่วงหน้าบางประการ เงื่อนไขเหล่านี้ใช้ตัวจับเวลาสามตัว ตัวจับเวลาแบบยาว TL =25 s ตัวจับเวลาแบบสั้น TS = 4 s และตัวจับเวลาชั่วคราว Tt = 1 s นอกจากนี้ จำเป็นต้องมีอินพุตดิจิตอลจากเซ็นเซอร์ตรวจจับการจราจรด้านข้าง คำอธิบายโดยละเอียดของแต่ละสถานะระบบทั้งหกและสัญญาณควบคุมการเปลี่ยนสถานะแสดงไว้ด้านล่าง: ในสถานะแรก สัญญาณหลักจะเป็นสีเขียวในขณะที่สัญญาณด้านข้างเป็นสีแดง ระบบจะอยู่ในสถานะนี้จนกว่าตัวจับเวลาแบบยาว (TL = 25 วินาที) จะหมดอายุหรือตราบเท่าที่ไม่มีรถอยู่ข้างถนน หากมียานพาหนะอยู่บนถนนด้านข้างหลังจากหมดเวลานาน ระบบจะเปลี่ยนสถานะเป็นสถานะที่สอง ในสถานะที่สอง สัญญาณหลักจะเปลี่ยนเป็นสีเหลืองในขณะที่สัญญาณด้านข้างยังคงเป็นสีแดงในช่วงระยะเวลาสั้น (TS = 4 s) หลังจาก 4 วินาที ระบบจะย้ายไปยังสถานะที่สาม ในสถานะที่สาม สัญญาณหลักจะเปลี่ยนเป็นสีแดง และสัญญาณด้านข้างยังคงเป็นสีแดงตลอดระยะเวลาของตัวจับเวลาชั่วคราว (Tt =1 s) หลังจาก 1 วินาที ระบบจะย้ายไปยังสถานะที่สี่ ระหว่างสถานะที่สี่ สัญญาณหลักจะเป็นสีแดงในขณะที่สัญญาณด้านข้างเปลี่ยนเป็นสีเขียว ระบบจะอยู่ในสถานะนี้จนกว่าจะหมดเวลานาน (TL = 25 วินาที) และมียานพาหนะบางคันอยู่บนถนนด้านข้าง ทันทีที่หมดเวลานาน หรือไม่มีรถอยู่ข้างถนน ระบบจะเปลี่ยนเป็นสถานะที่ห้า ระหว่างสถานะที่ห้า สัญญาณหลักจะเป็นสีแดง ในขณะที่สัญญาณด้านข้างเป็นสีเหลืองในช่วงระยะเวลาสั้นๆ (TS = 4 s) หลังจาก 4 วินาที ระบบจะย้ายเข้าสู่สถานะที่หก ในสถานะที่หกและสุดท้ายของระบบ ทั้งสัญญาณหลักและสัญญาณด้านข้างจะเป็นสีแดงสำหรับช่วงเวลาของตัวจับเวลาชั่วคราว (Tt =1 s) หลังจากนั้นระบบจะกลับสู่สถานะแรกและเริ่มต้นใหม่อีกครั้ง สถานะที่สามและหกให้สถานะบัฟเฟอร์โดยที่สัญญาณทั้งสอง (หลักและด้านข้าง) ยังคงเป็นสีแดงในช่วงเวลาสั้น ๆ ระหว่างการเปลี่ยนแปลง สถานะ 3 และ 6 มีความคล้ายคลึงกันและอาจดูเหมือนซ้ำซาก แต่สิ่งนี้ช่วยให้การดำเนินการตามโครงการที่เสนอทำได้ง่าย

ขั้นตอนที่ 2: แผนการดำเนินงาน

บล็อกไดอะแกรมที่สมบูรณ์ของระบบแสดงไว้ในรูปที่ 2 รูปนี้แสดงโครงสร้างโดยรวม หน้าที่ของระบบ และแสดงรายการอินพุตและเอาต์พุตที่จำเป็นทั้งหมด ตัวควบคุมสัญญาณไฟจราจรที่เสนอได้รับการสร้างขึ้นตามแนวคิดเครื่องไฟไนต์สเตท (FSM) ข้อกำหนดด้านเวลาที่อธิบายไว้ข้างต้นได้รับการแปลเป็น FSM หกสถานะดังแสดงในรูปที่ 3

ตัวแปรการเปลี่ยนแปลงสถานะที่แสดงด้านบนคือ:Vs – มียานพาหนะอยู่บนถนนด้านข้าง

TL – ตัวจับเวลา 25 วินาที (ตัวจับเวลานาน) เปิดอยู่

TS – ตัวจับเวลา 4 วินาที (ตัวจับเวลาสั้น) เปิดอยู่

Tt – ตัวจับเวลา 1 วินาที (ตัวจับเวลาชั่วคราว) เปิดอยู่

ไดอะล็อก GreenPAK CMIC SLG46537 ได้รับเลือกให้ใช้งาน FSM อุปกรณ์เอนกประสงค์นี้ช่วยให้ออกแบบฟังก์ชันสัญญาณผสมได้หลากหลายภายในวงจรรวมเดี่ยวที่ใช้พลังงานต่ำขนาดเล็กมาก นอกจากนี้ IC ยังมีมาโครเซลล์ ASM ที่ออกแบบมาเพื่อให้ผู้ใช้สร้างเครื่องสถานะที่มีสถานะสูงสุด 8 สถานะ ผู้ใช้มีความยืดหยุ่นในการกำหนดจำนวนสถานะ การเปลี่ยนสถานะ และสัญญาณอินพุตที่จะทำให้เกิดการเปลี่ยนจากสถานะหนึ่งไปยังอีกสถานะหนึ่ง

ขั้นตอนที่ 3: การใช้งาน GreenPAK

FSM ที่พัฒนาขึ้นสำหรับการทำงานของตัวควบคุมการจราจรนั้นใช้งานโดยใช้ SLG46537 GreenPAK ใน GreenPak Designer มีการใช้รูปแบบดังแสดงในรูปที่ 4

PIN3 และ PIN4 ได้รับการกำหนดค่าเป็นพินอินพุตดิจิตอล PIN3 เชื่อมต่อกับอินพุตเซ็นเซอร์ยานพาหนะข้างถนน และใช้ PIN4 สำหรับการรีเซ็ตระบบ PIN 5, 6, 7, 14, 15 และ 16 ได้รับการกำหนดค่าเป็นพินเอาต์พุต PIN 5, 6 และ 7 จะถูกส่งต่อไปยังไดรเวอร์ไฟสีแดง เหลือง และเขียวของสัญญาณด้านข้างตามลำดับ PIN 14, 15 และ 16 จะถูกส่งต่อไปยังไดรเวอร์ไฟสีเขียว เหลือง และแดงของสัญญาณหลักตามลำดับ เสร็จสิ้นการกำหนดค่า I/O ของโครงร่าง หัวใจของแผนผังคือบล็อก ASM อินพุตของบล็อก ASM ซึ่งควบคุมการเปลี่ยนแปลงสถานะ ได้มาจากตรรกะแบบรวมโดยใช้ตัวนับ/การหน่วงเวลาสามบล็อก (TS, TL และ TT) และอินพุตจากเซ็นเซอร์ด้านข้างรถ ตรรกะแบบผสมผสานมีคุณสมบัติเพิ่มเติมโดยใช้ข้อมูลสถานะที่ป้อนกลับไปยัง LUT ข้อมูลสถานะของสถานะที่หนึ่ง สอง สี่ และห้า ได้มาจากการรวมเอาต์พุต B0 และ B1 ของบล็อก ASM การรวมกันของ B0 และ B1 ที่สอดคล้องกับสถานะที่หนึ่ง สอง สี่ และห้า ได้แก่ (B0 = 0, B1 = 0), (B0 = 1, B1 = 0), (B0 = 1, B1 = 1) และ (B0 = 0, B1 = 1) ตามลำดับ ข้อมูลสถานะของสถานะที่ 3 และ 6 จะได้รับโดยตรงโดยใช้ตัวดำเนินการ AND กับสัญญาณสีแดงหลักและด้านข้าง การป้อนข้อมูลสถานะเหล่านี้ไปยังตรรกะแบบผสมผสานช่วยให้มั่นใจได้ว่าจะมีการทริกเกอร์เฉพาะตัวจับเวลาที่เกี่ยวข้องเท่านั้น เอาต์พุตอื่นๆ ของบล็อก ASM ถูกกำหนดให้กับสัญญาณไฟจราจรหลัก (สีแดงหลัก สีเหลืองหลัก และสีเขียวหลัก) และสัญญาณไฟจราจรด้านข้าง (ด้านข้างสีแดง ด้านข้างสีเหลือง และสีเขียวด้านข้าง)

การกำหนดค่าของบล็อก ASM แสดงในรูปที่ 5 และรูปที่ 6 สถานะที่แสดงในรูปที่ 5 สอดคล้องกับสถานะที่หนึ่ง สอง สาม สี่ ห้า และหกที่กำหนดไว้ที่แสดงในรูปที่ 3 การกำหนดค่า RAM เอาต์พุตของ ASM บล็อกแสดงในรูปที่ 6

ตัวจับเวลา TL, TS และ TT ถูกใช้งานโดยใช้ตัวนับ/บล็อกการหน่วงเวลา CNT1/DLY1, CNT2/DLY2 และ CNT3/DLY3 ตามลำดับ ทั้งสามบล็อกนี้ได้รับการกำหนดค่าในโหมดหน่วงเวลาด้วยการตรวจจับขอบที่เพิ่มขึ้น ดังที่แสดงในรูปที่ 3 สถานะที่หนึ่งและสี่เรียก TL สถานะที่สองและห้าเรียก TS และสถานะที่สามและหกเรียก TT โดยใช้ตรรกะแบบผสมผสาน เนื่องจากตัวจับเวลาการหน่วงเวลาถูกทริกเกอร์ เอาต์พุตจะยังคงเป็น 0 จนกว่าการหน่วงเวลาที่กำหนดค่าไว้จะสิ้นสุดระยะเวลา ด้วยวิธีนี้ TL’, TS’ และ TT’

สัญญาณได้โดยตรงจากเอาต์พุตของบล็อก CNT1/DLY1, CNT2/DLY2 และ CNT3/DLY3 TS 'ถูกป้อนโดยตรงไปยังอินพุตการเปลี่ยนสถานะที่สองและห้าในขณะที่ TT' ถูกส่งไปยังอินพุตการเปลี่ยนสถานะที่สามและหก ในทางกลับกัน TL จะถูกส่งต่อไปยังคอมบิเนทอเรียล ลอจิก บล็อก (LUTs) โดยให้สัญญาณ TL’ Vs และ TL’+ VS’ ซึ่งป้อนเข้าสู่อินพุตการเปลี่ยนแปลงของสถานะที่หนึ่งและที่ 4 ตามลำดับ การดำเนินการ FSM เสร็จสมบูรณ์โดยใช้ตัวออกแบบ GreenPAK

ขั้นตอนที่ 4: ผลลัพธ์

เพื่อวัตถุประสงค์ในการทดสอบ การออกแบบนี้จำลองบน GreenPAK Universal Development Board โดยใช้ SLG46537 สัญญาณไฟจราจร (เท่ากับพินเอาต์พุตดิจิตอล 5, 6, 7, 14, 15 และ 16) ใช้เพื่อเปิดใช้งานไฟ LED ที่มีอยู่แล้วใน GreenPAK Development Board เพื่อสังเกตพฤติกรรมของ FSM ด้วยสายตา เพื่อตรวจสอบพฤติกรรมแบบไดนามิกของโครงการที่พัฒนาขึ้นอย่างเต็มที่ เราใช้บอร์ด Arduino UNO เพื่อเชื่อมต่อกับ SLG46537 บอร์ด Arduino ให้อินพุตเซ็นเซอร์ตรวจจับยานพาหนะและสัญญาณรีเซ็ตระบบไปยังโครงร่างในขณะที่รับสัญญาณไฟจราจรจากระบบ บอร์ด Arduino ใช้เป็นเครื่องวิเคราะห์ลอจิกแบบหลายช่องสัญญาณเพื่อบันทึกและแสดงการทำงานชั่วคราวของระบบแบบกราฟิก มีการพัฒนาและทดสอบสถานการณ์สมมติสองสถานการณ์ที่จับพฤติกรรมทั่วไปของระบบ รูปที่ 7 แสดงภาพจำลองแรกของโครงการเมื่อมียานพาหนะบางคันอยู่บนถนนด้านข้างเสมอ เมื่อยืนยันสัญญาณรีเซ็ต ระบบจะเริ่มทำงานในสถานะแรกโดยเปิดสัญญาณสีเขียวหลักและสีแดงด้านเดียวเท่านั้น และปิดสัญญาณอื่นๆ ทั้งหมด เนื่องจากรถด้านข้างมักจะปรากฏอยู่ตลอด การเปลี่ยนสถานะต่อไปในสถานะที่สองจะตามมาหลังจาก 25 วินาทีต่อมา เปิดสัญญาณสีเหลืองหลักและสีแดงด้านข้าง สี่วินาทีต่อมา ASM จะเข้าสู่สถานะที่สามโดยที่สัญญาณสีแดงหลักและสีแดงด้านข้างยังคงเปิดอยู่เป็นเวลา 1 วินาที จากนั้นระบบจะเข้าสู่สถานะที่สี่โดยเปิดสัญญาณสีแดงหลักและสีเขียวด้านข้าง เนื่องจากยานพาหนะด้านข้างมีอยู่เสมอ การเปลี่ยนแปลงครั้งต่อไปจึงเกิดขึ้น 25 วินาทีภายหลังการย้าย ASM ไปยังสถานะที่ห้า การเปลี่ยนจากสถานะที่ห้าเป็นสถานะที่หกจะเกิดขึ้น 4 วินาทีภายหลังเมื่อ TS หมดอายุ ระบบจะอยู่ในสถานะที่หกเป็นระยะเวลา 1 วินาทีก่อนที่ ASM จะกลับเข้าสู่สถานะแรกอีกครั้ง

รูปที่ 8 แสดงพฤติกรรมของโครงการในสถานการณ์ที่สอง เมื่อมีรถด้านข้างสองสามคันอยู่ที่สัญญาณไฟจราจร พบว่าพฤติกรรมของระบบทำงานตามที่ออกแบบไว้ ระบบจะเริ่มต้นในสถานะแรกโดยเปิดสัญญาณสีเขียวหลักและสีแดงเท่านั้น และสัญญาณอื่นๆ ทั้งหมดจะปิด 25 วินาทีหลังจากนั้น การเปลี่ยนครั้งต่อไปจะตามมาเนื่องจากมีรถด้านข้างอยู่ สัญญาณหลักสีเหลืองและสีแดงด้านข้างเปิดอยู่ในสถานะที่สอง หลังจาก 4 วินาที ASM จะเข้าสู่สถานะที่สามโดยเปิดสัญญาณสีแดงหลักและสีแดงด้านข้าง ระบบจะอยู่ในสถานะที่สามเป็นเวลา 1 วินาที จากนั้นจะย้ายไปยังสถานะที่สี่โดยเปิดสีแดงหลักและสีเขียวด้านไว้ ทันทีที่อินพุตเซ็นเซอร์ยานพาหนะต่ำ (เมื่อยานพาหนะด้านข้างทั้งหมดผ่านไป) ระบบจะเข้าสู่สถานะที่ห้าโดยที่สีแดงหลักและสีเหลืองด้านข้างติดสว่าง หลังจากอยู่ในสถานะที่ห้าเป็นเวลาสี่วินาที ระบบจะย้ายไปยังสถานะที่หกโดยเปลี่ยนสัญญาณหลักและด้านข้างเป็นสีแดง สัญญาณเหล่านี้ยังคงเป็นสีแดงเป็นเวลา 1 วินาทีก่อนที่ ASM จะกลับเข้าสู่สถานะแรกอีกครั้ง สถานการณ์จริงจะขึ้นอยู่กับการรวมกันของสองสถานการณ์ที่อธิบายไว้ซึ่งพบว่าทำงานได้อย่างถูกต้อง

บทสรุปในแอพนี้ ให้สังเกตตัวควบคุมการจราจรที่สามารถจัดการการจราจรที่ผ่านสี่แยกของถนนสายหลักที่พลุกพล่านและถนนด้านข้างที่ใช้งานเบาได้ถูกนำมาใช้โดยใช้ Dialog GreenPAK SLG46537 โครงร่างนี้ใช้ ASM เพื่อให้แน่ใจว่าเป็นไปตามข้อกำหนดของลำดับสัญญาณไฟจราจร พฤติกรรมของการออกแบบได้รับการตรวจสอบโดย LED หลายดวงและไมโครคอนโทรลเลอร์ Arduino UNO ผลการตรวจสอบพบว่าตรงตามวัตถุประสงค์ของการออกแบบ ข้อได้เปรียบหลักของการใช้ผลิตภัณฑ์ Dialog คือการขจัดความต้องการส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์แบบแยกและไมโครคอนโทรลเลอร์เพื่อสร้างระบบเดียวกัน การออกแบบที่มีอยู่สามารถขยายได้โดยการเพิ่มสัญญาณอินพุตจากปุ่มกดสำหรับทางเดินเท้าที่ต้องการข้ามถนนที่พลุกพล่าน สัญญาณสามารถส่งผ่านไปยังประตู OR พร้อมกับสัญญาณจากเซ็นเซอร์อินพุตรถด้านข้างเพื่อกระตุ้นการเปลี่ยนแปลงสถานะครั้งแรก อย่างไรก็ตาม เพื่อความปลอดภัยของคนเดินเท้า ขณะนี้มีข้อกำหนดเพิ่มเติมเกี่ยวกับเวลาขั้นต่ำที่จะใช้ในรัฐที่สี่ สามารถทำได้ง่ายโดยใช้บล็อกตัวจับเวลาอื่น ขณะนี้สัญญาณไฟสีเขียวและสีแดงที่สัญญาณไฟจราจรข้างถนนสามารถป้อนไปยังสัญญาณคนเดินถนนด้านข้างถนนด้านข้างได้แล้ว