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1 概述
在許多環(huán)境惡劣的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)和人們的視覺無法直接觀察到的水下環(huán)境，往往需要遠(yuǎn)距離測(cè)量環(huán)境參數(shù)變化和遙控作業(yè)設(shè)備。通常被控設(shè)備的能源由主控室提供，現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量數(shù)據(jù)和視頻圖象要回傳到主控室，操作人員根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)和視頻圖象遠(yuǎn)距離遙控作業(yè)設(shè)備，這樣可以保證人員安全、擴(kuò)大監(jiān)控范圍。在危險(xiǎn)環(huán)境、核工業(yè)、反恐武器遙控車輛方面，這種遠(yuǎn)距離遙控顯得尤為重要。
在一些特殊遠(yuǎn)距離遙控領(lǐng)域，如無人遙控水下機(jī)器人（ROV）、海底作業(yè)車、海洋生物觀測(cè)與深海取樣設(shè)備、線導(dǎo)武器等，傳輸電纜的直徑、芯數(shù)和重量強(qiáng)烈的限制了被控運(yùn)動(dòng)載體的速度。采用一對(duì)普通動(dòng)力雙絞線傳輸動(dòng)力、視頻圖像和雙向數(shù)據(jù)，對(duì)于減少電纜的直徑、芯數(shù)和重量，提高被控運(yùn)動(dòng)載體的速度和環(huán)境適應(yīng)能力、降低造價(jià)都是十分重要的。對(duì)于深水作業(yè)的ROV來講，連接水面主控室和水下載體的臍帶電纜是能源、視頻圖像和雙向數(shù)據(jù)的傳輸通道，理論和實(shí)踐證明，ROV在水中的運(yùn)動(dòng)阻力與載體和臍帶電纜的迎流面面積及其速度的平方成正比，對(duì)于在水下活動(dòng)半徑達(dá)幾百米的ROV來講，在不同的海流情況下，臍帶電纜所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)阻力往往是載體運(yùn)動(dòng)阻力的幾倍到十幾倍，因此，設(shè)法減少臍帶電纜的直徑、芯數(shù)和重量，是減小臍帶電纜的運(yùn)動(dòng)阻力、提高水下運(yùn)動(dòng)載體的航速、提高載體在水中的姿態(tài)控制和定位精度的關(guān)鍵。
2 基本原理
在一對(duì)動(dòng)力雙絞線內(nèi)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)距離傳輸直流動(dòng)力、彩色圖像和雙向數(shù)據(jù)是根據(jù)信號(hào)疊加原理，采用調(diào)制、解調(diào)、磁路耦合的方法來實(shí)現(xiàn)的，圖1是雙絞線傳輸動(dòng)力、圖像、數(shù)據(jù)的原理圖。
圖1 雙絞線傳輸動(dòng)力、圖像、數(shù)據(jù)原理圖
圖1中，VH～VL端是高壓直流電源的輸入端，用電設(shè)備連接在雙絞線的VH’～VL’端。傳輸回路由動(dòng)力雙絞線、電感L1～L8、電容C5～C7組成。虛線內(nèi)的L1、L2與L7、L8分別是同一磁路電感，L3～L6是單體電感。高壓直流電源端的低通濾波器由C5、L1～L4組成，它有三個(gè)重要的作用：
(1) 提供高壓直流電源的電流通道；
(2) 抑制高壓直流電源高頻噪聲對(duì)傳輸通道的影響；
(3) 阻斷高壓直流電源對(duì)下傳數(shù)據(jù)調(diào)制信號(hào)f0、上傳數(shù)據(jù)調(diào)制信號(hào)f1、上傳彩色視頻調(diào)制信號(hào)fTV的吸收。
負(fù)載端的低通濾波器由C6、C7、L5～L8組成，它也有三個(gè)重要的作用：
(1) 提供用電設(shè)備的電流通道；
(2) 抑制用電設(shè)備特別是在PWM（脈寬調(diào)制）電機(jī)控制方式下斬波尖峰對(duì)雙絞線傳輸通道上調(diào)制信號(hào)的干擾；
(3) 阻斷用電設(shè)備對(duì)下傳數(shù)據(jù)調(diào)制信號(hào)f0、上傳數(shù)據(jù)調(diào)制信號(hào)f1、上傳彩色視頻調(diào)制信號(hào)fTV的吸收。
C5～C7應(yīng)根據(jù)電源電壓的高低、電流的大小來選擇，考慮到直流電機(jī)在制動(dòng)工作狀態(tài)時(shí)所產(chǎn)生的泵升電壓和能量回饋，在耐壓等級(jí)上要留有充分余地。L1～L8的選擇除考慮電感量外，還應(yīng)注意其功率和高頻的響應(yīng)能力，大電流工作時(shí)不應(yīng)使磁路飽和。
變壓器T1、T2和電容C1～C4、電阻R1、R2與動(dòng)力雙絞線共同構(gòu)成了下傳數(shù)據(jù)調(diào)制信號(hào)f0、上傳數(shù)據(jù)調(diào)制信號(hào)f1和上傳彩色視頻調(diào)制信號(hào)fTV的傳輸通道。通過變壓器T1、T2的磁路，將調(diào)制信號(hào)f0、f1、fTV耦合到動(dòng)力雙絞線上，同樣通過T1、T2從動(dòng)力雙絞線上分別接收上述信號(hào)，R1、R2用于阻抗匹配，C1～C4用于隔直。T1、T2的選擇應(yīng)考慮它的高頻響應(yīng)特性，由于功率較小，一般情況下它們的磁路不會(huì)飽和，C1～C4的選擇除考慮它們的高頻阻抗外，還應(yīng)注意它們的耐壓等級(jí)。
主控單元調(diào)制器將代表計(jì)算機(jī)控制信息的“0”、“1”數(shù)字量以FSK（移頻鍵控）方式調(diào)制成兩個(gè)中心頻率為f0和f0+△f0的正弦波，通過T1耦合到動(dòng)力雙絞線上。解調(diào)器也通過T1接收被控單元調(diào)制器以FSK方式發(fā)出的兩個(gè)中心頻率為f1和f1+△f1的正弦波信號(hào)，解調(diào)成“0”、“1”兩種數(shù)字量送給主控計(jì)算機(jī)。被控單元調(diào)制解調(diào)器與主控單元調(diào)制解調(diào)器的工作原理類似，調(diào)制器的兩個(gè)中心頻率為f1和f1+△f1，解調(diào)器的兩個(gè)中心頻率為f0和f0+△f0。
被控單元的壓控振蕩器將彩色視頻信號(hào)調(diào)制到fTV的頻段，通過變壓器T2耦合到動(dòng)力雙絞線上，主控單元通過變壓器T1將fTV視頻調(diào)制信號(hào)自動(dòng)力雙絞線上取出，經(jīng)頻―壓轉(zhuǎn)換器將fTV信號(hào)恢復(fù)成標(biāo)準(zhǔn)彩色視頻信號(hào)送給視頻監(jiān)視器。
3 關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)
3.1 數(shù)據(jù)通信調(diào)制器與解調(diào)器
調(diào)制器的功能是把計(jì)算機(jī)的數(shù)字信號(hào)以FSK的方式調(diào)制成兩種不同頻率的正弦波，通過變壓器T1或T2耦合到動(dòng)力雙絞線上。解調(diào)器的功能是通過變壓器T1或T2的耦合作用，對(duì)動(dòng)力雙絞線上的兩種不同頻率的正弦波信號(hào)進(jìn)行解調(diào)并鎖相，變換成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。本文采用EXAR公司的XR2206和XR2211組成調(diào)制器和解調(diào)器的核心電路。
XR2206是一種單片集成函數(shù)發(fā)生器，能產(chǎn)生高穩(wěn)定度和高精度的正弦波、三角波、矩形波等，這些輸出信號(hào)可受外加電壓控制、其工作頻率由外部參數(shù)設(shè)定。它的頻率工作范圍是0.01Hz～1MHz，正弦波的失真度為0.5％，圖2所示為采用XR2206組成的FSK信號(hào)發(fā)生器的基本電路。
XR2206內(nèi)部的VCO（壓控振蕩器）電路通過定時(shí)電容Ct分別與兩個(gè)接地電阻Rt1和Rt2相連，VCO的電流開關(guān)受輸入到9腳的TTL電平控制，2腳輸出調(diào)制的正弦波信號(hào)。電路的振蕩頻率由電容Ct和電阻Rt1、Rt2決定，
，
，由于定時(shí)電阻內(nèi)部的偏置在3.125V且最大電流允許3mA，因此Rt1和Rt2的阻值均應(yīng)在1kΩ以上。
圖2 XR2206組成的FSK信號(hào)發(fā)生器
XR2211是專門為數(shù)據(jù)通信而設(shè)計(jì)的單片鎖相環(huán)集成電路，特別適用于做FSK解調(diào)器使用，它的頻率跟蹤范圍為0.01Hz～300kHz，輸入為2mV～3V之間的正弦波，輸出可方便的與TTL電路連接。圖3為采用XR2211組成的FSK解調(diào)器的基本電路。
圖3 XR2211組成的FSK解調(diào)器
圖3中，C0為內(nèi)部VCO的定時(shí)電容，R0為定時(shí)電阻， R4為反饋電阻，用于加速內(nèi)部比較器的翻轉(zhuǎn)，R3、C3為環(huán)路濾波器，R2、C4為數(shù)字濾波器，R1、C1為鎖定檢波濾波器。環(huán)路濾波器參數(shù)R3、C3和數(shù)字濾波器參數(shù)R2、C4由調(diào)制信號(hào)的頻率，即數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈蚀_定，鎖定檢波濾波器的參數(shù)R1、C1與捕捉的頻率范圍相關(guān)。
3.2 視頻圖像的調(diào)制與復(fù)原
攝像機(jī)輸出的標(biāo)準(zhǔn)彩色視頻信號(hào)由視頻調(diào)制器調(diào)制到fTV頻段，通過圖1中變壓器T2耦合到動(dòng)力雙絞線上，再通過變壓器T1、頻―壓轉(zhuǎn)換與鎖相電路將視頻信號(hào)復(fù)原。視頻調(diào)制器是以壓控振蕩器74LS628為核心構(gòu)成的，圖4是基本視頻調(diào)制器原理圖。
圖4中，74LS628的可控頻率輸入電壓Vfreq的范圍是0～5V，最高輸出頻率的典型值是20MHz。圖中Cx、Rx是片內(nèi)振蕩器的外部電容和電阻，Cx、Rx的取值越小和Vfreq的控制電壓越低，Yout輸出頻率越高。實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)Cx、Rx的值確定之后，可由電位器R0調(diào)整壓控振蕩器的頻率輸出范圍，以便與主控單元視頻解調(diào)器的頻率范圍一致，獲得高質(zhì)量的視頻圖像。
圖4 視頻調(diào)制器原理圖
視頻解調(diào)器原理圖如圖5所示。圖5中，由動(dòng)力雙絞線通過圖1中變壓器T1耦合來的視頻調(diào)制信號(hào)fTV輸入到IC1差分放大器，放大后的信號(hào)經(jīng)過IC2高速比較器和由IC3、IC4組成的鎖相回路解調(diào)、濾波后復(fù)原視頻信號(hào)。
圖5 視頻解調(diào)器原理圖
圖5中，IC4的外圍電路參數(shù)取值和圖4的電路一致，因此具有與圖4電路完全一致的壓控特性，這里用虛線畫出。電位器R0整壓控振蕩器的頻率范圍，以快速鎖定和獲得更加清晰的圖像。
3.3 PWM電機(jī)控制
電機(jī)是控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的重要部件，輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)載體運(yùn)動(dòng)。采用PWM方式電機(jī)控制的原理圖如圖6所示。圖6中，Advanced Motion & Controls公司的20A14E控制模塊是控制電路的核心，該模塊可在40～140V直流電壓下工作，最大輸出峰值電流20A，可選擇電壓、電流、速度控制模式，具有電流限制、故障保護(hù)功能，典型的斬波頻率為22kHz，特別適合于控制系統(tǒng)中作為驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的功率級(jí)使用。本文采用三塊PWM模塊分別控制三臺(tái)330W直流電機(jī)在不同的狀態(tài)下工作。
由于電機(jī)直接使用動(dòng)力雙絞線上的高壓直流電源，因此載體運(yùn)動(dòng)過程中電機(jī)頻繁的啟動(dòng)、調(diào)速、換向使動(dòng)力雙絞線上的電流劇烈變化，電流的突變和電機(jī)在PWM方式控制下的斬波尖峰會(huì)對(duì)動(dòng)力雙絞線上的調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生強(qiáng)烈的干擾，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使雙向通信和視頻調(diào)制解調(diào)器無法正常工作。合理選擇圖1所示的L1～L4、C5和L5～L8、C6、C7組成的雙絞線濾波器，合理分配調(diào)制解調(diào)器的工作頻段，可以有效抑制突變電流和PWM斬波尖峰對(duì)雙向通信和視頻調(diào)制信號(hào)的干擾。
圖6 PWM方式電機(jī)控制原理圖
4 特點(diǎn)和試驗(yàn)結(jié)果
本文敘述了在一對(duì)普通動(dòng)力雙絞線上實(shí)時(shí)傳輸直流動(dòng)力、彩色圖像、雙向數(shù)據(jù)的方法。給出了關(guān)鍵電路的原理圖，該方法的特點(diǎn)和試驗(yàn)結(jié)果如下：
(1) 根據(jù)信號(hào)疊加原理，采用磁耦合的方法將雙向數(shù)據(jù)和視頻圖像調(diào)制到高壓直流電源上，通過解調(diào)和鎖相技術(shù)從長線傳輸中提取調(diào)制信號(hào)并復(fù)原。
(2) 雙向數(shù)據(jù)通信采用FSK方式，通信波特率達(dá)2400bps。視頻圖像采用V/F、F/V轉(zhuǎn)換的跟蹤鎖相方法，最高調(diào)制頻率達(dá)20MHz，避免了長線傳輸所引起的高頻衰減和補(bǔ)償不均問題。
(3) 在動(dòng)力雙絞線上采用二組L、C濾波器，有效抑制了電機(jī)PWM控制回路所產(chǎn)生的斬波尖峰對(duì)調(diào)制信號(hào)的干擾，阻斷了高壓直流電源和用電設(shè)備對(duì)調(diào)制信號(hào)的吸收。
(4) 采用市售的普通動(dòng)力雙絞線，兼顧了通流、抗共模干擾能力和適用性，選用截面積1.5mm2，絞距20mm的普通動(dòng)力雙絞線，在VH～VL=100V下的通流能力達(dá)15A，通信傳輸距離達(dá)150m。若要增大傳輸距離，可適當(dāng)提高調(diào)制器的輸出電壓和功率。
實(shí)際電路中，根據(jù)調(diào)制信號(hào)的頻率要設(shè)計(jì)相應(yīng)的L、C帶通濾波器，由于篇幅所限，不再一一贅述。
本文敘述的方法實(shí)用性強(qiáng)，具有很好的電磁兼容性和抗干擾能力，可以推廣到采用同軸電纜和其它無線遙控的系統(tǒng)中去，應(yīng)用范圍非常廣泛。
北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)