摘要：针关于工业PLC模仿信号的收集和输出，本文提出了一种依据ADuC7061的高精度模仿前端规划计划。该体系支撑双通道的PLC模仿信号输入并供应一路PLC规范电流输出。该体系在-10～70规模内到达0．2％的电压丈量精度和0．2％的电流输出精度。硬件部分以ADuC7061作为丈量和操控中心，合作外围模仿调度电路完结模仿信号的调度、检测和输出，并经过阻隔的SPI进行数据通讯。软件部分包含模仿信号收集转化和通讯，能够依据温度改动主动校准。本规划具有精度高，软件灵敏，接口通用的特色，能够作为PLC模仿前端，广泛运用于工业现场。
关键词：ADuC7061；模仿前端；信号调度；电流源；高精度
在工业操控体系中除了遇到开关量信号外，还会遇到另一类物理量，即模仿量，例如：视点、温度、压力、电压、电流等等，它们都是接连改动的物理量。可编程序操控器PLC是以微处理器为根底的通用工业操控设备。传统的PLC是为开关量操控而规划，而现代的PLC现已具有了处理模仿量的功用。在工业操控体系中，模仿量输入信号的收集和处理是较为常见的操控内容，一同依据操控战略PLC能够输出模仿信号。
因而从工业运用的实践情况来看，现代的PLC不只要能够收集外部输入的模仿信号，一同也应有才能输出模仿信号。并且跟着微电子技术的开展，模仿AD、DA的功用越来也高，关于模仿信号检测的精度要求也在逐年递加。所以本文针对这种即要收集模仿输入又要输出模仿量的运用场合，提出一种高精度模仿前端的体系计划。
1 体系需求剖析
常见的PLC的模仿信号有以下几种：0～5 V，0～10 V，±5 V，±10 V，4～20 mA，信号的频率规模为DC～500 Hz。本体系的输入能够兼容以上5种输入量，并供应4～20 mA输出信号量输出。考虑到实践运用环境中的温度影响，假如直接运用低温漂高精度的模仿IC，体系的成本会十分高；假如选用带有温度自校准的计划，能够选用价格更合理的模仿前端芯片完结规划，可是需求额定的MCU进行运算和操控。信号输
出需求额定的DAC合作调度电路完结。
由以上的剖析可知，需求有一款即集成有高精度ADC和DAC，又带有MCU的模仿微操控器。ADI公司的ADuC7061刚好能够满意体系的需求：集成两个独立的的8kSPS、24位高功用多通道∑-△型模数转化器(ADC)；集成32位ARM7TDMI微操控器；片上供应一个单通道14bitDAC；集成SPI操控器。运用ADuC7061作为中心，合作外部电路能够即满意模仿通道的精度要求，又能够完结灵敏的数据传输和操控。
该计划长处：能够进行温度校对；本来的ADC，DAC和MCU只需求一块ADuC7061即可完结，即节省PCB面积又下降成本；对外的数据传输接口能够共用一个SPI，能够经过拟定灵敏的数据传输协议，完结杂乱的数据传输和操控功用。
2 整体结构规划
该体系的结构框图如图1所示。体系与外部是电气阻隔的：经过阻隔的24VDC-DC完结电源部分的阻隔；经过SPI阻隔驱动电路完结数据接口的电气阻隔。两路输入调度电路是彻底相同的，功用包含输入信号调度和自校准完结。体系的4～20 mA输出，是将ADuC7061内部14位DAC的输出电压经过V-I转化电路完结的。体系经过阻隔的SPI与外部通讯。
3 首要模块规划
下面别离介绍体系首要模块的规划，分为ADuC7061中心电路、输入调度电路和输出V-I转化电路。
3．1 输入调度电路
体系的模仿输入能够兼容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。其间4～20 mA电流信号能够经过并联一个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输入电压规模0．1～1．8 V，所以前面说到的各种信号都要调度到0．1～1．8 V的规模内。在本体系中，选用一种依据AD8295的信号调度电路，如图2中所示。
其间根本的信号调度功用由AD8295 IN-AMP(仪用放大器)和AD8295 A1(运算放大器放)完结，这个电路能够将单端和差分信号都调度成为差分信号。由于ADC也是差分输入，输入信号的共模量只需求电压安稳即可，具体剖析如下：
ADuC7061集成的24位∑-△型ADC在差分输入装备下，要求共模电压VCOM>0．5 V，体系选用的共模电压是将模仿参阅2．5 V经过2个1％电阻分压到1 V的。从上面两个方程能够看出，不管输入信号是差分电压，仍是单端输入，都能够将信号转化成为一个以1 V为基准的差分电压信号。关于体系输入的0～5 V、0～10 V、±5 V和±10 V都能够经过同一个电路拓扑结构来完结，考虑到精度要求，仅有需求改动的便是RG的阻值。当RG开路，G=1，支撑0～10 V和±10 V输入；RG为49．4 kΩ，G=2，支撑0～5 V和±5 V输入。
经过仪用放大器和运放调度得到的信号DIFF+和DIFF-是一个以1V为基准，最大差分电压能够到达10 V的差分信号。这个差分信号电压过大，远远超越ADC输入电压规则的规模。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，最大差分电压为1 V的差分信号ADC_IN+和ADC_IN-，然后送给后一级的ADuC7061的ADC收集。差分信号衰减倍数核算方程为：
输入调度电路要完结的别的一个重要的功用便是主动校准，首要需求剖析输入电压和24位ADC输出码值的联系：
化简后得到：
；体系ADC丈量得到的是CODEADC，需求得到的终究数据是CODEvin并用
核算输入电压。
本体系中的电阻分压网络使信号衰减10倍，抱负情况下上K=0.1，B=0。可是实践运用中，由于电阻自身的温漂，导致K跟着温度会添加。并且运放、基准源和ADC并不是抱负的，相同会有温度漂移。但这个温度漂移能够经过额定的温度校对来补偿。
AD8295 A2与SW1、SW2和SW3(注释见图2)一同构成校对电路。首要将SW1切换到AGND，使AGND经过SW1和SW2连到IN+，SW3连到AGND，此刻Vin=0，校准零点漂移B记载ADC输出二进制码值记载为B，得到：
然后将模仿参阅电压2．5 V经过A2跟从经过SW1和SW2供应IN+，SW3切换到IN-。此刻Vin=Vref，校准斜率K，记载ADC输出二进制码值记载为A，得到：
体系校对之后只需求保存A和B两个整数即可，可是由于体系K=0．1，所以核算所得的CODEvin长度为32位。
这种校对的计划有两个明显的长处：1)校准斜率过程中取输入Vin=Vref，此刻校准得到的K，精度只与ADC的INL参数有关，与参阅电压Vref自身的精度无关，削减了校准过程中引进的额定差错：2)校准的中心变量A和B都用24位二进制整数表明，只在最终做两次浮点运算，简化中心过程中的浮点预算的次数，削减截断差错对体系丈量成果的影响。
3．2 输出V-I转化电路
4～20 mA输出电路的原理图如图3所示，ADuC7061的14位DAC能够输出0～2．5 V电压信号，经过V-I转化电路使输入的0．4～2．0 V电压信号线性变为4～20 mA电流输出。
这个电路是从Howland电流源电路根本拓扑结构改善而来的，选用Q1-2N7002替代运放作为功率输出，这个电路对R1～R4和RF的电阻值巨细有如下要求：R1=R2=R3=R4=100 kΩ；且R1≥RF，在这种情况下能够疏忽R1～R4臂上流过的电流。经过虚短和虚断对电路剖析得到：，RF=100 Ω。在此根底上添加的改善有两点，在电路中加入了CF和RP：其间CF用来改善电流输出的频率响应特性；RP用来平衡运放自身的电压偏置和电流偏置，RP巨细跟着每一块运放芯片的电压、电流偏置值的不同需求独自调整。
3．3 ADuC7061中心电路
如图4所示，作为丈量和操控的中心，ADuC7061中心电路包含以下3部分：ADuC7061中心单元；外部看门狗ADM6320；阻隔的SPI驱动ADuM 7441。从图1和图4能够看出，输入信号调度电路作为片内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选用内部的PLL使ARM内核作业在10 MHz的频率下。复位引脚与外部看门狗ADM6320相连，经过P2．0的守时喂狗进步体系运转的可靠性，并使体系可靠上电复位。体系经过片内SPI硬件操控器与外部通讯，体系作业在从形式下，SPI时钟频率最高支撑到5 M。外部经过IO操控外部模仿开关完结主动校准。
4 体系软件规划
由于体系有一个ARM7TDMI的主控ADuC7061，因而该体系能够完结比较杂乱丈量功用和完结习惯温度改动的主动校准战略。体系软件分为两个部分，丈量使命和守时中止使命，使命的流程图如图5所示。
体系上电发动之后，装备完体系外设，然后对两路模仿输入通道完结主动校准，并将校准运用到的变量保存到非易失性存储器中。然后进入主动丈量主循环中，由于有ARM7主控，外部能够经过SPI灵敏的装备每个ADC通道的参数。在本体系中，能够经过SPI操控通道采样率，以进步∑-△型ADC的有效位数，进一步进步体系精度。体系的在守时器中止时问设定为1 s，每秒钟经过ADuC7061内部集成的温度传感器丈量当时温度，当检测到累计温度改动超越阈值时，告诉设置校准标志位，让体系鄙人一次丈量前主动完结一次通道校准，完结对温度的补偿。
5 丈量成果以及差错剖析
为了确保体系的精度，电路选用4层PCB完结，并供应大面积的模仿地平面以下降噪声搅扰。对该体系的测验包含两部分，首要是测验输入电压丈量精度，其次是电流输出精度。由于输入电压信号为DC～500 Hz信号，并且ADuC7061中的∑-△型ADC的有效位数跟着采样频率的下降而添加。所以为了丈量体系的绝对差错，将采样率设置为1 k，输入信号为-10～+10 V距离1 V的直流电平，在零点邻近添加了±0．5 V和±50 mV的电压输入，被测电压基准经过FLUKE5700A给出，将成果经过SPI输出到电脑中记载成果，进行差错剖析，差错测验成果如图6所示。
能够看出体系主动校准后，精度能够到达0．05％，到达了规划的预期。从图6中能够看出，在输入小电压规模内，体系的首要差错来历是体系噪声，这个噪声直接决议小信号输入下的体系精度。
4～20 mA电流输出差错丈量中，负载电阻250 Ω，并联负载电容10 nF。电流丈量仪器运用的是普源DM3058，输出电流设定值经过SPI发送给体系，输出电流差错成果如图7所示。
从图7能够看出，体系电流输出差错最大为0．2％。体系的差错都是正值，阐明差错是V-I改换电路中两个臂上流经的电流形成的，由于两个臂上流经的电流值是输出电流的千分之一，与差错在同一个数量级上，尽管体系现已到达了规划的方针，可是考虑到进一步进步体系精度，这个差错能够经过软件校准的方法，运用最小二乘法树立体系输入输出函数联系，能够进一步进步精度。
6 定论
本体系以ADuC7061为操控中心，选用改善的模仿调度电路，合作主动校准战略，完结高精度的电压收集功用。经过选用改善的Howland电流源电路完结4～20mA电流输出功用。合作外部的4线SPI完结体系对外通讯，作为一个带有SPI接口的PLC模仿前端，起到模仿信号收集和电流输出的功用。该体系模仿丈量精度高，软件灵敏，接口通用，具有很高的实用价值，不只能够作为PLC的模仿前端，也为其他模仿前端规划提出了很有价值的参阅。
