基于PLC的液位控制系统的设计-文献综述Word文档下载推荐.docx
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模拟量输出通道
1、 引言
“过程控制”是一门与工业生产过程联系十分密切的科目。
随着科学技术的飞速发展，过程控制也在日新月异的发展。
它不仅在传统工业改造中，起到了提高质量，节约原材料和能源，减少环境污染等十分重要的作用，而且正在成为新建的规模大，结构复杂的工业生产过程中不可缺少的组成部分
（1）
在工业生产过程中,液位变量是一个常见而广泛的过程参数之一。
液位控制装置具有非线性、滞后、耦合等特点,难以对其进行精确控制.在众多的控制算法中,模糊控制是行之有效的控制方法之一。
但在模糊控制系统的设计过程中,存在大量繁琐的工作,如控制器结构的确定,隶属函数的选取、各种规则的获取,参数的调整等.本文利用PID模糊控制。
信号处理是过程控制中的重要组成部分。
本文讨论信号处理的最新发展情况，包括数字信号处理和电流模式模拟信号处理的发展，信号处理所涉及到的个部分：
传感器，模拟量输入通道AI，模拟量输出通道DO。
其中AI分为信号处理器，多路开关，采样保持器（S/H）,信号放大器和
A/D转换器和I/O接口电路。
DO分为I/O接口电路，D/A转换器隔离级，输出
级和执行级。
2、 信号处理的发展
2.1DSP 数字信号处理器的发展
步入21世纪之后,社会进入数字化的时代,而数字信号处理器（digital signal
processor）正是这场数字化革命的核心从20世纪60年代数字信号处理理论的崛起,到20世纪8年代世界上第一个单片可编程DSP芯片产生以来,数字信号处理器的发展迅猛异常"
DSP的应用范围也越来越广,从运算速度来看,MAC时间已经从20世纪80年代初的400n降低到40ns,DSP内部关键的乘法器部件从1980年的占模区的40%左右下降到5%以下,片内RAM增加了一个数量级以上,从制造工艺上来看,80年代采用4L的NMOS工艺,而现在普遍采用微米CMOS工艺"
DSP芯片的引脚数量从1980年的最多64个增加到现在的200个以上,引脚数量的增加意味着结构灵活性的增加,此外随着DSP芯片的发展DSP系统的成本,体积,重量和功耗都有很大程度上的下降。
数字信号处理是利用专用或通用数字信号处理芯片,通过数字计算的方法对信号进行处理"
与模拟信号处理相比数字信号处理具有精确,灵活,抗干扰能力强,可靠性好和易于大规模集成等特点"
DSP系统以数字信号处理为基础,与模拟信号处理系统相比,其优点:
a.接口简单,方便"
由于数字信号的电气特性简单,不同的DSP系统相互连接时,在硬件接口上容易实现"
b.精度高,稳定性好"
数字信号处理仅受量化误差和有限字长的影响,处理过程不引入其他噪声,因此有较高的信噪比"
另外模拟系统的性能受元器件参数性能影响较大,而数字系统基本不变,因此数字系统更便于测试,调试,及批量生产"
c.编程方便,容易实现复杂的算法"
在DSP系统中,DS芯片提供了一个高速计算平台,系统功能依赖于软件编程实现"
当其与现代信号处理理论和计算数学相结合时,可以实现复杂的信号处理功能"
d.集成方便"
现代DSP芯片都是将DSP芯核及其外围电路综合集成在单一芯片上"
这种结构便于设计便携式高集成度的数字产品"
现代DSP芯片作为可编程超大规模集成（VLSI）器件,通过可下载的软件或固件来实现数字信号处理功能"
DSP芯片除具有普通微处理器的高速运算和控制功能外,还针对高数据传输速率,数值运算密集的实时数字信号处理,在处理器结构,指令系统,和指令流程设计上做了较大改动"
其结构特点有:
a.DSP芯片普遍采用改进的哈佛结构,即数据总线和程序总线相互分离,这使得处理指令和数据可以同时进行,提高了处理效率"
b.DSP芯片大多采用流水线技术,即每条指令的执行划分为取指,译码,取数等若干步骤,由片内多个功能单元分别完成"
这相当于多条指令并行执行,从而大大提高了运行速度"
c.片内有多条总线可以同时进行取指和取操作数动作并且有辅助寄存器自动增减地址协助寻址"
d.配有独立的乘法器!
加法器和特殊指令,适用于需要大量乘累加器操作的矩阵运算,滤波,FFT,Viterbi译码和相关的专用信号处理运算"
e.大多数DSP芯片一般都带有DMA控制器,外部存储器,外部存储器扩展接口,串行通信,配合片内多总线结构可以实现大吞吐量数据传送"
f.DSP芯片一般配有中断处理器,定时器,片内存储器和锁相环（PLL）等片内集成外设,可以方便的实现一个嵌入式自封闭控制的处理系统"
g.省电管理和低功耗"
适于便携式数字终端设备"
发展趋势:
DSP内核结构进一步完善;
DSP和微处理器的融合;
MPU是低成本的,主要执行智能定向控制任务的通用微处理器,但其数字信号处理能力很差,DSP功能正好与其相互补充;
DSP和高档CPU的融合;
DSP和SOC（System-on-chip）的融合;
DSP和FPGA的融合;
实时操作系统RTOS与DSP结合"
（2）
2.2电流模式模拟信号处理的发展
多年来，电子工程师似乎总是认为世界是由电压所支配，安培只是从属于伏特，微电子技术和VLSI的飞速发展，使得象运算放大器这样的压控IC基本积
木块及其电路得到广泛地研究和使用，从而加大了人们电压主宰世界的认识，以至认为象跨导放大器这样的流控器件用处不大。
然而，双级型晶体管和MOS场效应管本质上都是控制电流输出器件.现有的IC基本积木块和压控技术可很方便地实现电压控制信号处理如VCVS和CCVS电路，但并不容易构成电流放大器及其有关电路实现如VCCS和CCCS.人们常常要求模拟信号处理具有良好的电流信号处理能力，许多宽带电路的功能把电流而不是电压作为有谅参数，以这种方式实现的电路常常比用传统的电压模式处理具有更多的优点.新近的研究表明，由标准的电压运算放大器综合的电流模式电路比用同样的器件以电压模式综合实现的电路性能好得多，跨导运放极有希望发展成为模拟VLSI中的模拟门阵列最基本的积木块，T-C技术使得全集成连续时间信号处理器的单片集成化成为可能，用电流模式方法设计的ANN集成电路克服了电压模式ANN集成电路的缺陷，可实现编程闭值的突触阵列，从而为神经计算机的VLSI实现提供了新的途径。
目前，集成电路的设计由于电流模式电路技术的发展和应用而获得了新的生
长点，模拟VLSI的最新进展使得开发和实现电流模式信号处理成为可能.电流模式技术和方法对于诸如放大器、变换器、A/D和D/A、采样数据和连续时间滤波器、自校正系统，编程系统、ANN（人工神经网络）和神经计算机等许多问题提供了最有吸引力的途径，并将对微电子学与信息科学、计算机科学与AI,控制与机器人等领域的发展产生重要的影响.在988年IEEE电路与系统国际会议上英国
B.WiIson教授等人介绍了电流模式信号处理的一些新近进展‘s}，引起了人们的广泛兴趣，1988年和1990年IEEE电路与系统国际会议上开辟了“电流模式信号处理”专门小组报告和大会前的专题学术付论会，并把其作为VLSI和模拟信号处理的重点前沿方向，一场“电流模式信号处理’的热潮正在国际上迅速兴起。
人们预计电流模式模拟信号处理与[IC设计技术的发展将会改变目前电压模式模拟信号处理统治VLSI的局面，形成与其共同发展、互为补充、互相兼容的新格局.发人深醒的是、二十年前就有人在此领域作过努力与尝试o-h由于电压模式
IC技术的迅速发展而淹没了这些工作，也正是由于电压模式信号处理技术和
VLSI发展到今天，给电流模式信号处理的实现提供了技术上的可能性，同时随着现有模拟VLSI技术的迅速发展和广泛应用，使得人们得以认识电压模式信号处理和VLSI技术的局限性，从而开始考虑电流模式信号处理的能力，促进了电流模式信号处理的诞生和发展.本文旨在对这一刚刚诞生的科学生长点—电优模式信号处理的发展现状作一评述，讨论电流模式信号处理与集成电路设计的基本方法，展望其发展前景并指出有关前沿研究课题，以期促进我国在这一新领城的研究和发展.（3）
3、 液位传感器
适用于测液位的传感器有很多种，现在简要介绍几种：
3.1热敏电阻传感器
热敏电阻是一种利用半导体制成的敏感元件，其特点是电阻率随温度而易变化。
热敏电阻因其电阻温度系数大，灵活度高；
热惯性小，反应速度快；
体积小，结构简单；
使用方便，寿命
长，易实现远距离测量等特点得到广泛地应用。
作液面位置传感器用的热敏电阻通以电流将引起自身发热，当处于两种不同介质中，电阻的散热条件不同，流过的电流也不同。
通过电流表的指示可以反映液面的水平位置，如图3-1所示。
（4）
3.2电容式液位传感器
电容式液位传感器是利用被测介质液面变化为电容变化的一种介质变化型电容式传感器。
图3-2a是用于被测介质是非导电物质时的电容式传感器。
当被测液面变化
时，两电极间的介质常数将发生变化，从而导致电容的变化。
图3-2电容式液位传感器
1-内电极2-外电极3-绝缘层
图3-2b适用于测量导电液体的液位。
液面变化时相当于外电级的面积在改变，这是一种变面积型电容传感器（5）
3.3电感式液位传感器
电感式传感器是利用被测量的变化引起线圈自感或互感系数的变化，从而导致线圈电感的改变这一物理现象来实现测量的。
因此根据转换原理，电感式传感器可以分为自感式和互感式两大类。
图3-4是采用了电感式传感器的沉筒式液位计。
由于液位的变化，沉筒所受浮力也将产生变化，这一变化转变的位移，从而改变了差动变压器的输出电压，这个输出值反映了液位的变化值。
（6）
4、 过程通道
过程通道是在微机和生产过程之间设置的信息传递和转换的连接通道，它包括数字量输入通道，模拟量输入通道，数字量输出通道，模拟量输出通道。
生产过程的各种参数通过数字量输入通道或模拟量输入通道送入微机，微机经过计算机和处理后所得结果通过数字量输出通道或模拟量输出通道送到生产过程，从而实现生产过程的控制。
液位控制的过程通道是由模拟量输入通道和模拟量输出通
道组成。
4.1模拟量输入通道
1.AI通道的一般结构
模拟量输入通道因检测系统本身的特点、实际应用的要求等因素的不同，可以有不同的形式。
比如，对于高速系统，特别是需要同时得到系数众多数据的系统，可系统，可采用图4-1所示结构。
其特点是速度快，工作可靠。
即使某一通路有故障，也会影响其他通路正常工作。
但通道越多，成本越高，而且会使系统体积大，也给系统较准带来困难。
如对几百路信号巡检采集数据，采用这种结构很难实现。
因此，通常采用的结构是多路通道共享采样/保持和模数转换电路。
图4-2所示为多路模拟输入通道的一般结构。
由图可见，多路AI由信号处理、多路开关、放大器、采样保持器和模数转换组成。
信号处理器的功能是对来现场的多路模拟信号滤波、隔离、电平转换、非线性补偿、电流电压转换等。
多路开关将多路信号按一定顺序要求切换到放大器的输
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