Contrôleur de feux de circulation : 4 étapes

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:06

Il existe souvent des scénarios où des séquences de feux de circulation flexibles sont nécessaires pour la coordination de la circulation à l'intersection d'une rue achalandée et d'une rue secondaire peu fréquentée. Dans de telles situations, les séquences peuvent être contrôlées à l'aide de différentes minuteries et d'un signal de détection de trafic provenant de la rue latérale. Ces exigences peuvent être satisfaites par des méthodes conventionnelles, par ex. en utilisant des blocs de construction à partir de composants électroniques discrets ou de microcontrôleurs. Cependant, le concept de circuits intégrés à signaux mixtes configurables (CMIC) offre une alternative intéressante compte tenu de sa flexibilité de conception, de son faible coût, de son temps de développement et de sa commodité. De nombreuses régions et pays progressent vers des grilles plus complexes pouvant accueillir un plus grand nombre de variables pour contrôler les feux de circulation. Cependant, de nombreux feux de circulation utilisent encore un contrôle horaire fixe, tels que des contrôleurs de signaux électromécaniques. Le but de cette note d'application est de montrer comment utiliser une machine à états asynchrone (ASM) de GreenPAK pour développer un contrôleur de feux de circulation simplifié pour remplacer un contrôleur à temps fixe. Ce feu de circulation régule la circulation passant à l'intersection d'une rue principale achalandée et d'une rue secondaire peu fréquentée. Le contrôleur contrôlerait la séquence de deux feux de circulation, qui sont installés dans la rue principale et la rue latérale. Un signal de capteur, détectant la présence de circulation dans les rues secondaires, est transmis au contrôleur qui, en conjonction avec deux minuteries, contrôlerait la séquence des feux de circulation. Un schéma de machine à états finis (FSM) est développé qui garantit que les exigences de la séquence des feux de circulation sont satisfaites. La logique du contrôleur est mise en œuvre à l'aide d'un CI de signal mixte configurable GreenPAK™ SLG46537.

Ci-dessous, nous avons décrit les étapes nécessaires pour comprendre comment la puce GreenPAK a été programmée pour créer le contrôleur de feux de circulation. Cependant, si vous souhaitez simplement obtenir le résultat de la programmation, téléchargez le logiciel GreenPAK pour afficher le fichier de conception GreenPAK déjà terminé. Branchez le kit de développement GreenPAK sur votre ordinateur et cliquez sur programme pour créer le circuit intégré personnalisé pour le contrôleur de feux de circulation.

Étape 1: Exigences

Considérez un scénario de circulation avec les exigences de synchronisation des feux de circulation de la rue principale et de la rue latérale, comme illustré à la Figure 1. Le système a six états et passera d'un état à l'autre en fonction de certaines conditions prédéfinies. Ces conditions sont basées sur trois temporisateurs; une temporisation longue TL = 25 s, une temporisation courte TS = 4 s et une temporisation transitoire Tt = 1 s. De plus, l'entrée numérique du capteur de détection de trafic latéral est requise. Une description détaillée de chacun des six états du système et des signaux de commande de transition d'état est donnée ci-dessous: Dans le premier état, le signal principal est vert tandis que le signal latéral est rouge. Le système restera dans cet état jusqu'à l'expiration de la temporisation longue (TL = 25 s) ou tant qu'il n'y a pas de véhicule dans la rue latérale. Si un véhicule est présent dans la rue latérale après l'expiration de la longue temporisation, le système subira un changement d'état passant au deuxième état. Dans le deuxième état, le signal principal devient jaune tandis que le signal latéral reste rouge pendant la durée de la temporisation courte (TS = 4 s). Après 4 secondes, le système passe au troisième état. Dans le troisième état, le signal principal passe au rouge et le signal latéral reste rouge pendant la durée du temporisateur transitoire (Tt =1 s). Après 1 seconde, le système passe au quatrième état. Pendant le quatrième état, le signal principal est rouge tandis que le signal latéral passe au vert. Le système restera dans cet état jusqu'à l'expiration de la temporisation longue (TL = 25 s) et il y a quelques véhicules présents sur la rue latérale. Dès que la longue minuterie expire ou qu'il n'y a pas de véhicule dans la rue latérale, le système passe au cinquième état. Pendant le cinquième état, le signal principal est rouge tandis que le signal latéral est jaune pendant la durée de la temporisation courte (TS = 4 s). Après 4 secondes, le système passe au sixième état. Dans le sixième et le dernier état du système, les signaux principal et secondaire sont rouges pendant la période du temporisateur transitoire (Tt =1 s). Après cela, le système revient au premier état et recommence. Les troisième et sixième états fournissent un état tampon où les deux signaux (principal et latéral) restent rouges pendant une brève période de temps pendant le basculement. Les états 3 et 6 sont similaires et peuvent sembler redondants, cependant cela permet de simplifier la mise en œuvre du schéma proposé.

Étape 2: Schéma de mise en œuvre

Un schéma fonctionnel complet du système est illustré à la figure 2. Cette figure illustre la structure globale, la fonction du système et répertorie toutes les entrées et sorties requises. Le contrôleur de feux de circulation proposé a été construit autour du concept de machine à états finis (FSM). Les exigences de synchronisation décrites ci-dessus sont traduites en un FSM à six états, comme illustré à la Figure 3.

Les variables de changement d'état indiquées ci-dessus sont: Vs – Un véhicule est présent dans la rue latérale

TL – La minuterie 25 s (minuterie longue) est activée

TS – La minuterie 4 s (minuterie courte) est activée

Tt – La minuterie 1 s (minuterie transitoire) est activée

Le Dialog GreenPAK CMIC SLG46537 a été choisi pour la mise en œuvre du FSM. Ce dispositif très polyvalent permet de concevoir une grande variété de fonctions de signaux mixtes dans un circuit intégré unique très petit et de faible puissance. De plus, le CI contient une macrocellule ASM conçue pour permettre à l'utilisateur de créer des automates finis ayant jusqu'à 8 états. L'utilisateur a la possibilité de définir le nombre d'états, les transitions d'état et les signaux d'entrée qui provoqueront des transitions d'un état à un autre.

Étape 3: Mise en œuvre à l'aide de GreenPAK

Le FSM développé pour le fonctionnement du contrôleur de trafic est implémenté à l'aide du SLG46537 GreenPAK. Dans le GreenPak Designer, le schéma est implémenté comme le montre la figure 4.

PIN3 et PIN4 sont configurés comme des broches d'entrée numérique; PIN3 est connecté à l'entrée du capteur des véhicules de rue et PIN4 est utilisé pour la réinitialisation du système. Les broches 5, 6, 7, 14, 15 et 16 sont configurées comme broches de sortie. Les codes PIN 5, 6 et 7 sont transmis respectivement aux pilotes de feux rouges, jaunes et verts des signaux latéraux. Les broches 14, 15 et 16 sont transmises respectivement aux pilotes de feux vert, jaune et rouge du signal principal. Ceci termine la configuration des E/S du schéma. Au cœur du schéma se trouve le bloc ASM. Les entrées du bloc ASM, qui régulent les changements d'état, sont obtenues à partir d'une logique combinatoire utilisant trois blocs compteur/retard (TS, TL et TT) et l'entrée du capteur latéral du véhicule. La logique combinatoire est en outre qualifiée à l'aide des informations d'état renvoyées aux LUT. Les informations d'état des premier, deuxième, quatrième et cinquième états sont obtenues en utilisant des combinaisons de sorties B0 et B1 du bloc ASM. Les combinaisons de B0 et B1 correspondant aux premier, deuxième, quatrième et cinquième états sont (B0 = 0, B1 = 0), (B0 = 1, B1 = 0), (B0 = 1, B1 = 1) et (B0 = 0, B1 = 1) respectivement. Les informations d'états des 3ème et 6ème états sont obtenues directement en appliquant l'opérateur ET aux signaux rouges principaux et rouges latéraux. La transmission de ces informations d'état à la logique combinatoire garantit que seuls les temporisateurs pertinents sont déclenchés. Les autres sorties du bloc ASM sont affectées aux feux de circulation principaux (rouge principal, jaune principal et vert principal) et aux feux de circulation latéraux (rouge, jaune et vert).

La configuration du bloc ASM est illustrée à la Figure 5 et à la Figure 6. Les états illustrés à la Figure 5 correspondent aux premier, deuxième, troisième, quatrième, cinquième et sixième états définis illustrés à la Figure 3. La configuration de la RAM de sortie de l'ASM bloc est illustré à la figure 6.

Les temporisateurs TL, TS et TT sont implémentés en utilisant respectivement les blocs compteur/retard CNT1/DLY1, CNT2/DLY2 et CNT3/DLY3. Tous ces trois blocs sont configurés en mode retard avec détection de front montant. Comme le montre la figure 3, les premier et quatrième états déclenchent TL, les deuxième et cinquième états déclenchent TS, et les troisième et sixième états déclenchent TT en utilisant une logique combinatoire. Lorsque les temporisateurs de retard sont déclenchés, leurs sorties restent à 0 jusqu'à ce que le retard configuré termine sa durée. De cette façon les TL’, TS’ et TT’

les signaux sont directement obtenus à partir des sorties des blocs CNT1/DLY1, CNT2/DLY2 et CNT3/DLY3. TS' est directement transmis aux entrées de transition des deuxième et cinquième états tandis que TT' est transmis aux entrées de transition des troisième et sixième états. TL, d'autre part, est transmis aux blocs logiques combinatoires (LUT) donnant les signaux TL' Vs et TL' + VS' qui sont appliqués aux entrées de transition des premier et quatrième états respectivement. Ceci termine la mise en œuvre du FSM à l'aide du concepteur GreenPAK.

Étape 4: Résultats

À des fins de test, la conception est émulée sur la carte de développement universelle GreenPAK à l'aide du SLG46537. Les signaux des feux de circulation (équivalents aux broches de sortie numérique 5, 6, 7, 14, 15 et 16) sont utilisés pour activer les LED qui sont déjà disponibles sur la carte de développement GreenPAK pour observer visuellement le comportement du FSM. Afin d'étudier pleinement le comportement dynamique du schéma développé, nous avons utilisé une carte Arduino UNO pour s'interfacer avec le SLG46537. La carte Arduino fournit l'entrée du capteur de détection de véhicule et les signaux de réinitialisation du système au système pendant qu'elle reçoit les signaux des feux de circulation du système. La carte Arduino est utilisée comme analyseur logique multicanal pour enregistrer et afficher graphiquement le fonctionnement temporel du système. Deux scénarios qui capturent le comportement général du système sont développés et testés. La figure 7 montre le premier scénario du schéma lorsque certains véhicules sont toujours présents dans la rue latérale. Lorsque le signal de réinitialisation est activé, le système démarre dans le premier état avec uniquement les signaux vert principal et rouge latéraux activés et tous les autres signaux désactivés. Étant donné que les véhicules latéraux sont toujours présents, la prochaine transition vers le deuxième état suit 25 secondes plus tard, en allumant les principaux signaux jaune et rouge. Quatre secondes plus tard, l'ASM entre dans le troisième état où les signaux rouges principaux et latéraux restent allumés pendant 1 seconde. Le système entre alors dans le quatrième état avec les signaux principaux rouge et vert latéral allumés. Étant donné que les véhicules latéraux sont toujours présents, la transition suivante a lieu 25 secondes plus tard, déplaçant l'ASM vers le cinquième état. La transition du cinquième au sixième état se produit 4 secondes plus tard lorsque TS expire. Le système reste dans le sixième état pendant 1 seconde avant que l'ASM ne revienne dans le premier état.

La figure 8 montre le comportement du schéma dans le deuxième scénario, lorsque quelques véhicules latéraux sont présents au feu de circulation. On constate que le comportement du système fonctionne comme prévu. Le système démarre dans le premier état avec uniquement les signaux principaux vert et rouge allumés et tous les autres signaux éteints 25 secondes plus tard, la transition suivante suit puisqu'il y a un véhicule latéral présent. Les principaux signaux jaune et rouge latéraux sont activés dans le deuxième état. Après 4 secondes, l'ASM entre dans le troisième état avec les signaux rouge principal et rouge latéral allumés. Le système reste dans le troisième état pendant 1 seconde, puis passe au quatrième état en gardant le rouge principal et le vert latéral allumés. Dès que l'entrée du capteur de véhicule devient faible (lorsque tous les véhicules latéraux sont passés), le système entre dans le cinquième état où le rouge principal et le jaune latéral sont allumés. Après être resté dans le cinquième état pendant quatre secondes, le système passe au sixième état en faisant passer les signaux principal et latéraux au rouge. Ces signaux restent rouges pendant 1 seconde avant que l'ASM ne revienne dans le premier état. Les scénarios réels seraient basés sur une combinaison de ces deux scénarios décrits qui fonctionnent correctement.

ConclusionDans cette application, notez qu'un contrôleur de trafic capable de gérer le trafic passant à l'intersection d'une rue principale très fréquentée et d'une rue secondaire peu fréquentée a été mis en œuvre à l'aide d'un Dialog GreenPAK SLG46537. Le schéma est basé sur un ASM qui garantit que les exigences de séquence des feux de circulation sont respectées. Le comportement de la conception a été vérifié par plusieurs LED et un microcontrôleur Arduino UNO. Les résultats ont permis de vérifier que les objectifs de conception ont été atteints. Le principal avantage de l'utilisation du produit Dialog est d'éviter le besoin de composants électroniques discrets et de microcontrôleurs pour construire le même système. La conception existante peut être étendue en ajoutant un signal d'entrée à partir d'un bouton poussoir pour le passage des piétons cherchant à traverser la rue animée. Le signal peut être transmis à une porte OU avec le signal du capteur d'entrée du véhicule latéral pour déclencher le premier changement d'état. Cependant, pour assurer la sécurité des piétons, il existe désormais une exigence supplémentaire de temps minimum à passer dans le quatrième état. Cela peut facilement être accompli en utilisant un autre bloc de minuterie. Les signaux vert et rouge sur le feu de circulation de la rue latérale peuvent désormais également être alimentés aux signaux piétonniers latéraux de la rue latérale.