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圖1  雙絞線傳輸動力、圖像、數(shù)據(jù)原理圖

    圖1中，V_H～V_L端是高壓直流電源的輸入端，用電設(shè)備連接在雙絞線的V_H’～V_L’端。傳輸回路由動力雙絞線、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傳輸通道的影響；
(3)  阻斷高壓直流電源對下傳數(shù)據(jù)調(diào)制信號f₀、上傳數(shù)據(jù)調(diào)制信號f₁、上傳彩色視頻調(diào)制信號f_TV的吸收。
負載端的低通濾波器由C₆、C₇、L₅～L₈組成，它也有三個重要的作用：

(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）電機控制方式下斬波尖峰對雙絞線傳輸通道上調(diào)制信號的干擾；
(3)  阻斷用電設(shè)備對下傳數(shù)據(jù)調(diào)制信號f₀、上傳數(shù)據(jù)調(diào)制信號f₁、上傳彩色視頻調(diào)制信號f_TV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，考慮到直流電機在制動工作狀態(tài)時所產(chǎn)生的泵升電壓和能量回饋，在耐壓等級上要留有充分余地。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，大電流工作時不應(yīng)使磁路飽和。
    變壓器T₁、T₂和電容C₁～C₄、電阻R₁、R₂與動力雙絞線共同構(gòu)成了下傳數(shù)據(jù)調(diào)制信號f₀、上傳數(shù)據(jù)調(diào)制信號f₁和上傳彩色視頻調(diào)制信號f_TV的傳輸通道。通過變壓器T₁、T₂的磁路，將調(diào)制信號f₀、f₁、f_TV耦合到動力雙絞線上，同樣通過T₁、T₂從動力雙絞線上分別接收上述信號，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。
    主控單元調(diào)制器將代表計算機控制信息的“0”、“1”數(shù)字量以FSK（移頻鍵控）方式調(diào)制成兩個中心頻率為f₀和f₀+△f₀的正弦波，通過T₁耦合到動力雙絞線上。解調(diào)器也通過T₁接收被控單元調(diào)制器以FSK方式發(fā)出的兩個中心頻率為f₁和f₁+△f₁的正弦波信號，解調(diào)成“0”、“1”兩種數(shù)字量送給主控計算機。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)制器的兩個中心頻率為f₁和f₁+△f₁，解調(diào)器的兩個中心頻率為f₀和f₀+△f₀。
    被控單元的壓控振蕩器將彩色視頻信號調(diào)制到f_TV的頻段，通過變壓器T₂耦合到動力雙絞線上，主控單元通過變壓器T₁將f_TV視頻調(diào)制信號自動力雙絞線上取出，經(jīng)頻―壓轉(zhuǎn)換器將f_TV信號恢復(fù)成標準彩色視頻信號送給視頻監(jiān)視器。

3  關(guān)鍵電路設(shè)計

3.1  數(shù)據(jù)通信調(diào)制器與解調(diào)器
    調(diào)制器的功能是把計算機的數(shù)字信號以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，對動力雙絞線上的兩種不同頻率的正弦波信號進行解調(diào)并鎖相，變換成相應(yīng)的數(shù)字信號。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）電路通過定時電容C_t分別與兩個接地電阻R_t1和R_t2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。電路的振蕩頻率由電容Ct和電阻R_t1、R_t2決定，，，由于定時電阻內(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信號發(fā)生器

    XR2211是專門為數(shù)據(jù)通信而設(shè)計的單片鎖相環(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的定時電容，R₀為定時電阻， 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
    攝像機輸出的標準彩色視頻信號由視頻調(diào)制器調(diào)制到f_TV頻段，通過圖1中變壓器T₂耦合到動力雙絞線上，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V_freq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V_freq的控制電壓越低，Y_out輸出頻率越高。實際應(yīng)用中，當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，由動力雙絞線通過圖1中變壓器T₁耦合來的視頻調(diào)制信號f_TV輸入到IC₁差分放大器，放大后的信號經(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。

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電機控制
    電機是控制執(zhí)行機構(gòu)運動的重要部件，輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩驅(qū)動載體運動。采用PWM方式電機控制的原理圖如圖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)動直流電機的功率級使用。本文采用三塊PWM模塊分別控制三臺330W直流電機在不同的狀態(tài)下工作。
    由于電機直接使用動力雙絞線上的高壓直流電源，因此載體運動過程中電機頻繁的啟動、調(diào)速、換向使動力雙絞線上的電流劇烈變化，電流的突變和電機在PWM方式控制下的斬波尖峰會對動力雙絞線上的調(diào)制信號產(chǎn)生強烈的干擾，嚴重時會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斬波尖峰對雙向通信和視頻調(diào)制信號的干擾。

圖6  PWM方式電機控制原理圖