盘锦市西门子PLC代理商

    在工业控制系统中除了遇到开关量信号外，还会遇到另一类物理量，即模拟量，例如：角度、温度、压力、电压、电流等等，它们都是连续变化的物理量。可编程序控制器PLC是以微处理器为基础的通用工业控制装置。传统的PLC是为开关量控制而设计，而现代的PLC已经具备了处理模拟量的功能。在工业控制系统中，模拟量输入信号的采集和处理是较为常见的控制内容，同时根据控制策略PLC能够输出模拟信号。
    因此从工业应用的实际情况来看，现代的PLC不仅要能够采集外部输入的模拟信号，同时也应有能力输出模拟信号。并且随着微电子技术的发展，模拟AD、DA的性能越来也高，对于模拟信号检测的精度要求也在逐年递增。所以本文针对这种即要采集模拟输入又要输出模拟量的应用场合，提出一种高精度模拟前端的系统方案。
1 系统需求分析
    常见的PLC的模拟信号有以下几种：0～5 V，0～10 V，±5 V，±10 V，4～20 mA，信号的频率范围为DC～500 Hz。本系统的输入能够兼容以上5种输入量，并提供4～20 mA输出信号量输出。考虑到实际应用环境中的温度影响，如果直接使用低温漂高精度的模拟IC，系统的成本会非常高；如果采用带有温度自校准的方案，可以选用价格更合理的模拟前端芯片完成设计，但是需要额外的MCU进行运算和控制。信号输
出需要额外的DAC配合调理电路实现。
    由以上的分析可知，需要有一款即集成有高精度ADC和DAC，又带有MCU的模拟微控制器。ADI公司的ADuC7061刚好可以满足系统的需求：集成两个独立的的8kSPS、24位高性能多通道∑-△型模数转换器(ADC)；集成32位控制器；片上提供一个单通道14bitDAC；集成SPI控制器。使用ADuC7061作为核心，配合外部电路可以即满足模拟通道的精度要求，又可以实现灵活的数据传输和控制。
    该方案优点：可以进行温度校正；原本的ADC，DAC和MCU只需要一块ADuC7061即可实现，即节约PCB面积又降低成本；对外的数据传输接口可以共用一个SPI，可以通过制定灵活的数据传输协议，实现复杂的数据传输和控制功能。
2 总体结构设计
    系统与外部是电气隔离的：通过隔离的24VDC-DC完成电源部分的隔离；通过SPI隔离驱动电路完成数据接口的电气隔离。两路输入调理电路是完全一样的，功能包括输入信号调理和自校准实现。系统的4～20 mA输出，是将ADuC7061内部14位DAC的输出电压经过V-I转换电路实现的。系统通过隔离的SPI与外部通信。

3 主要模块设计
    下面分别介绍系统主要模块的设计，分为ADuC7061核心电路、输入调理电路和输出V-I转换电路。
3．1 输入调理电路
    系统的模拟输入可以兼容4～20 mA电流信号，或者是0～5 V、0～10 V、±5 V和±10 V的电压信号。其中4～20 mA电流信号可以通过并联一个250 Ω低温漂(25 ppm／℃)电阻负载变送为1～5 V电压信号。考虑到ADuC7061的24位∑-△型ADC输入电压范围0．1～1．8 V，所以前面提到的各种信号都要调理到0．1～1．8 V的范围内。在本系统中，采用一种基于AD8295的信号调理电路，

其中基本的信号调理功能由AD8295 IN-AMP(仪用放大器)和AD8295 A1(运算放大器放)实现，这个电路可以将单端和差分信号都调理成为差分信号。由于ADC也是差分输入，输入信号的共模量只需要电压稳定即可，

   ADuC7061集成的24位∑-△型ADC在差分输入配置下，要求共模电压VCOM>0．5 V，系统采用的共模电压是将模拟参考2．5 V通过2个1％电阻分压到1 V的。从上面两个方程可以看出，无论输入信号是差分电压，还是单端输入，都可以将信号转换成为一个以1 V为基准的差分电压信号。对于系统输入的0～5 V、0～10 V、±5 V和±10 V都可以通过同一个电路拓扑结构来实现，考虑到精度要求，唯一需要改变的就是RG的阻值。当RG开路，G=1，支持0～10 V和±10 V输入；RG为49．4 kΩ，G=2，支持0～5 V和±5 V输入。
    经过仪用放大器和运放调理得到的信号DIFF+和DIFF-是一个以1V为基准，大差分电压可以达到10 V的差分信号。这个差分信号电压过大，远远超过ADC输入电压规定的范围。经过图2中由R1、R2和R3构成的无源差分衰减器减小10倍，得到一个以1 V为基准，大差分电压为1 V的差分信号ADC_IN+和ADC_IN-，然后送给后一级的ADuC7061的ADC采集。

  系统校正之后只需要保存A和B两个整数即可，但是由于系统K=0．1，所以计算所得的CODEvin长度为32位。
    这种校正的方案有两个显著的优点：1)校准斜率过程中取输入Vin=Vref，此时校准得到的K，精度只与ADC的INL参数有关，与参考电压Vref本身的精度无关，减少了校准过程中引入的额外误差：2)校准的中间变量A和B都用24位二进制整数表示，只在后做两次浮点运算，简化中间过程中的浮点预算的次数，减少截断误差对系统测量结果的影响。

  这个电路是从Howland电流源电路基本拓扑结构改进而来的，采用代替运放作为功率输出，这个电路对R1～R4和RF的电阻值大小有如下要求：R1=R2=R3=R4=100 kΩ；且R1≥RF，在这种情况下可以忽略R1～R4臂上流过的电流。通过虚短和虚断对电路分析得到：，RF=100 Ω。在此基础上增加的改进有两点，在电路中加入了CF和RP：其中CF用来改进电流输出的频率响应特性；RP用来平衡运放本身的电压偏置和电流偏置，RP大小随着每一块运放芯片的电压、电流偏置值的不同需要单独调整。
3．3 ADuC7061核心电路
    如图4所示，作为测量和控制的核心，ADuC7061核心电路包括以下3部分：ADuC7061核心单元；外部看门狗ADM6320；隔离的SPI驱动ADuM 7441。从图1和图4可以看出，输入信号调理电路作为片内ADC的前级驱动，输出电压信号直接与芯片内部的两个独立ADC相连。ADuC7061采用内部的PLL使ARM内核工作在10 MHz的频率下。复位引脚与外部看门狗ADM6320相连，通过P2．0的定时喂狗提高系统运行的可靠性，并使系统可靠上电复位。系统通过片内SPI硬件控制器与外部通信，系统工作在从模式下，SPI时钟频率高支持到5 M。外部通过IO控制外部模拟开关完成自动校准。

系统上电启动之后，配置完系统外设，然后对两路模拟输入通道完成自动校准，并将校准使用到的变量保存到非易失性存储器中。然后进入自动测量主循环中，由于有ARM7主控，外部可以通过SPI灵活的配置每个ADC通道的参数。在本系统中，可以通过SPI控制通道采样率，以提高∑-△型ADC的有效位数，进一步提高系统精度。系统的在定时器中断时问设定为1 s，每秒钟通过ADuC7061内部集成的温度传感器测量当前温度，当检测到累计温度变化超过阈值时，通知设置校准标志位，让系统在下一次测量前自动完成一次通道校准，实现对温度的补偿。
5 测量结果以及误差分析
    为了保证系统的精度，电路采用4层PCB实现，并提供大面积的模拟地平面以降低噪声干扰。对该系统的测试包括两部分，首先是测试输入电压测量精度，其次是电流输出精度。由于输入电压信号为DC～500 Hz信号，而且ADuC7061中的∑-△型ADC的有效位数随着采样频率的降低而增加。所以为了测量系统的误差，将采样率设置为1 k，输入信号为-10～+10 V间隔1 V的直流电平，在零点附近增加了±0．5 V和±50 mV的电压输入，被测电压基准通过FLUKE5700A给出，将结果通过SPI输出到电脑中记录结果，进行误差分析，误差测试结果如图6所示。
    可以看出系统自动校准后，精度可以达到0．05％，达到了设计的预期。从图6中可以看出，在输入小电压范围内，系统的主要误差来源是系统噪声，这个噪声直接决定小信号输入下的系统精度。

系统电流输出误差大为0．2％。系统的误差都是正值，说明误差是V-I变换电路中两个臂上流经的电流造成的，因为两个臂上流经的电流值是输出电流的千分之一，与误差在同一个数量级上，虽然系统已经达到了设计的目标，但是考虑到进一步提高系统精度，这个误差可以通过软件校准的方式，使用小二乘法建立系统输入输出函数关系，可以进一步提高精度。
6 结论
    本系统以ADuC7061为控制核心，采用改进的模拟调理电路，配合自动校准策略，完成高精度的电压采集功能。通过采用改进的Howland电流源电路完成4～20mA电流输出功能。配合外部的4线SPI完成系统对外通信，作为一个带有SPI接口的PLC模拟前端，起到模拟信号采集和电流输出的功能。该系统模拟测量精度高，软件灵活，接口通用，具有很高的实用价值，不仅可以作为PLC的模拟前端，也为其他模拟前端设计提出了很有价值的参考。

0 引言

交通信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果。为了实现交通道路的管理，力求交通管理先进性、科学化。用可编程控制器S7-200 PLC实现交通灯管制的控制系统，以及该系统软、硬件设计方法，实验证明该系统实现简单、经济，能够有效地疏导交通，提高交通路口的通行能力。分析了现代城市交通控制与管理问题的现状，结合交通的实际情况阐述了交通灯控制系统的工作原理，给出了一种简单实用的城市交通灯控制系统的PLC设计方案。可编程序控制器在工业自动化中的地位极为重要，广泛的应用于各个行业。

随着科技的发展，可编程控制器的功能日益完善，加上小型化、价格低、可靠性高，在现代工业中的作用更加突出。

1.交通灯控制系统的设计要求

1.1 结合十字路口交通灯路况的模拟控制系统

在PLC交通灯模拟模块中，主干道东西南北每面都有3个控制灯，分别为：

●禁止通行灯 (亮时为红色)

●准备禁止通行灯 (亮时为黄色)

●通行灯 (亮时为绿色)

另外人行道东西南北每面都有2个控制灯，分别为：

●禁止通行灯 (亮时为红色)

●通行灯 (亮时为绿色)

结合十字路口交通灯实际情况设计交通灯模拟控制系统，当交通灯系统启动开关接通时：

(1)南北向(列)和东西向(行)主干道均设有绿灯20S,绿灯闪亮3S,黄灯2S和红灯25S.

当南北主干道红灯点亮时，东西主干道应依次点亮绿灯，绿灯闪亮，黄灯，反之，当东西主干道红灯点亮时，南北主干道依次点亮绿灯，绿灯闪，黄灯。

(2)南北向和东西向人行道均设为通行绿灯和禁行红灯。南北人行道通行绿灯应在南北主干道绿灯点亮时点亮，当南北主干道绿灯闪亮和黄灯点亮时南北行人道绿灯也要对应闪亮，其它时间为红灯。东西人行道通行绿灯于东西主干道绿灯点亮时点亮，当东西主干道绿灯闪亮和黄灯点亮时东西人行道绿灯也要对应闪亮，其它时间为红灯。

(3)除此之外另设两个功能，使用10个脉冲开关。实现让盲人可以方便通过十字路口和手动控制车流量。其中8个安装在人行道的两边，当东西方向行走的盲人要过马路的时候，按下脉冲开关东西向人行道绿灯亮起，南北向主干道红灯闪亮，延迟10秒恢复原来的控制系统，南北向脉冲开关对应东西向功能相同。另外两个脉冲开关可以控制车流量，当东西向主干道等待车量较多的时候，按下东西向控制脉冲开关，东西向主干道延长绿灯点亮时间延长15秒。东西向人行道绿灯也要对应延长，南北向脉冲开关对应东西向功能相同。

2.交通灯控制系统的设计

2.1 可编程控制器选择

本次交通灯设计用的是来自西门子可编程控制器，产品规格：S7-200系列是一类可编程逻辑控制器。这一系列产品可以满足多种多样的自动化控制的需要，具有紧凑的设计，良好的扩展性、低廉的价格以及强大的指令，使得S7-200可以近乎完善地满足小规模的控制要求。特点是结构紧凑，使用方便，具有很强的适应性，缺点是输入输出口配置数量固定，主要用小型PLC.

2.2 可编程控制器I/O地址分配

该西门子模块为CPU224型，输入地址有10个，输出地址有14个，能够满足交通灯控制系统的设计要求。确定I/O地址是设计整个PLC交通灯控制系统首先要解决的问题，决定着系统硬件部分的设计，也是系统软件编程的前提。根据系统的设计要求，分别定义了输入地址I0.0~I0.5共6个，输出地址Q0.0~Q0.6共7个。

3.结束语

本文通过用可编程控制器(S7-200 PLC)控制交通灯系统工作，实践证明本文所介绍的基于S7-200 PLC信号灯控制系统的设计方案具有较强的可行性。另外，无论在城市交通灯的使用中还是学校的实训和培训工作中，只要对控制要求或软件上相对应的参数设置加以改进，就能满足各种不同场合对交通灯控制系统的使用要求。