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1 概述
在許多環境惡劣的生產現場和人們的視覺無法直接觀察到的水下環境，往往需要遠距離測量環境參數變化和遙控作業設備。通常被控設備的能源由主控室提供，現場的測量數據和視頻圖象要回傳到主控室，操作人員根據測量數據、設備狀態和視頻圖象遠距離遙控作業設備，這樣可以保證人員安全、擴大監控范圍。在危險環境、核工業、反恐武器遙控車輛方面，這種遠距離遙控顯得尤為重要。
在一些特殊遠距離遙控領域，如無人遙控水下機器人（ROV）、海底作業車、海洋生物觀測與深海取樣設備、線導武器等，傳輸電纜的直徑、芯數和重量強烈的限制了被控運動載體的速度。采用一對普通動力雙絞線傳輸動力、視頻圖像和雙向數據，對于減少電纜的直徑、芯數和重量，提高被控運動載體的速度和環境適應能力、降低造價都是十分重要的。對于深水作業的ROV來講，連接水面主控室和水下載體的臍帶電纜是能源、視頻圖像和雙向數據的傳輸通道，理論和實踐證明，ROV在水中的運動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，對于在水下活動半徑達幾百米的ROV來講，在不同的海流情況下，臍帶電纜所產生的運動阻力往往是載體運動阻力的幾倍到十幾倍，因此，設法減少臍帶電纜的直徑、芯數和重量，是減小臍帶電纜的運動阻力、提高水下運動載體的航速、提高載體在水中的姿態控制和定位精度的關鍵。
2 基本原理
在一對動力雙絞線內實時遠距離傳輸直流動力、彩色圖像和雙向數據是根據信號疊加原理，采用調制、解調、磁路耦合的方法來實現的，圖1是雙絞線傳輸動力、圖像、數據的原理圖。
圖1 雙絞線傳輸動力、圖像、數據原理圖
圖1中，VH～VL端是高壓直流電源的輸入端，用電設備連接在雙絞線的VH’～VL’端。傳輸回路由動力雙絞線、電感L1～L8、電容C5～C7組成。虛線內的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據調制信號f0、上傳數據調制信號f1、上傳彩色視頻調制信號fTV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) 提供用電設備的電流通道；
(2) 抑制用電設備特別是在PWM（脈寬調制）電機控制方式下斬波尖峰對雙絞線傳輸通道上調制信號的干擾；
(3) 阻斷用電設備對下傳數據調制信號f0、上傳數據調制信號f1、上傳彩色視頻調制信號fTV的吸收。
C5～C7應根據電源電壓的高低、電流的大小來選擇，考慮到直流電機在制動工作狀態時所產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，還應注意其功率和高頻的響應能力，大電流工作時不應使磁路飽和。
變壓器T1、T2和電容C1～C4、電阻R1、R2與動力雙絞線共同構成了下傳數據調制信號f0、上傳數據調制信號f1和上傳彩色視頻調制信號fTV的傳輸通道。通過變壓器T1、T2的磁路，將調制信號f0、f1、fTV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的選擇應考慮它的高頻響應特性，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，還應注意它們的耐壓等級。
主控單元調制器將代表計算機控制信息的“0”、“1”數字量以FSK（移頻鍵控）方式調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。解調器也通過T1接收被控單元調制器以FSK方式發出的兩個中心頻率為f1和f1+△f1的正弦波信號，解調成“0”、“1”兩種數字量送給主控計算機。被控單元調制解調器與主控單元調制解調器的工作原理類似，調制器的兩個中心頻率為f1和f1+△f1，解調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制到fTV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fTV視頻調制信號自動力雙絞線上取出，經頻―壓轉換器將fTV信號恢復成標準彩色視頻信號送給視頻監視器。
3 關鍵電路設計
3.1 數據通信調制器與解調器
調制器的功能是把計算機的數字信號以FSK的方式調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并鎖相，變換成相應的數字信號。本文采用EXAR公司的XR2206和XR2211組成調制器和解調器的核心電路。
XR2206是一種單片集成函數發生器，能產生高穩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設定。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信號發生器的基本電路。
XR2206內部的VCO（壓控振蕩器）電路通過定時電容Ct分別與兩個接地電阻Rt1和Rt2相連，VCO的電流開關受輸入到9腳的TTL電平控制，2腳輸出調制的正弦波信號。電路的振蕩頻率由電容Ct和電阻Rt1、Rt2決定，
，
，由于定時電阻內部的偏置在3.125V且最大電流允許3mA，因此Rt1和Rt2的阻值均應在1kΩ以上。
圖2 XR2206組成的FSK信號發生器
XR2211是專門為數據通信而設計的單片鎖相環集成電路，特別適用于做FSK解調器使用，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解調器的基本電路。
圖3 XR2211組成的FSK解調器
圖3中，C0為內部VCO的定時電容，R0為定時電阻， R4為反饋電阻，用于加速內部比較器的翻轉，R3、C3為環路濾波器，R2、C4為數字濾波器，R1、C1為鎖定檢波濾波器。環路濾波器參數R3、C3和數字濾波器參數R2、C4由調制信號的頻率，即數據傳輸的波特率確定，鎖定檢波濾波器的參數R1、C1與捕捉的頻率范圍相關。
3.2 視頻圖像的調制與復原
攝像機輸出的標準彩色視頻信號由視頻調制器調制到fTV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―壓轉換與鎖相電路將視頻信號復原。視頻調制器是以壓控振蕩器74LS628為核心構成的，圖4是基本視頻調制器原理圖。
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。實際應用中，當Cx、Rx的值確定之后，可由電位器R0調整壓控振蕩器的頻率輸出范圍，以便與主控單元視頻解調器的頻率范圍一致，獲得高質量的視頻圖像。
圖4 視頻調制器原理圖
視頻解調器原理圖如圖5所示。圖5中，由動力雙絞線通過圖1中變壓器T1耦合來的視頻調制信號fTV輸入到IC1差分放大器，放大后的信號經過IC2高速比較器和由IC3、IC4組成的鎖相回路解調、濾波后復原視頻信號。
圖5 視頻解調器原理圖
圖5中，IC4的外圍電路參數取值和圖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
電機是控制執行機構運動的重要部件，輸出轉速和轉矩驅動載體運動。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中作為驅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制信號產生強烈的干擾，嚴重時會使雙向通信和視頻調制解調器無法正常工作。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，合理分配調制解調器的工作頻段，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制信號的干擾。
圖6 PWM方式電機控制原理圖
4 特點和試驗結果
本文敘述了在一對普通動力雙絞線上實時傳輸直流動力、彩色圖像、雙向數據的方法。給出了關鍵電路的原理圖，該方法的特點和試驗結果如下：
(1) 根據信號疊加原理，采用磁耦合的方法將雙向數據和視頻圖像調制到高壓直流電源上，通過解調和鎖相技術從長線傳輸中提取調制信號并復原。
(2) 雙向數據通信采用FSK方式，通信波特率達2400bps。視頻圖像采用V/F、F/V轉換的跟蹤鎖相方法，最高調制頻率達20MHz，避免了長線傳輸所引起的高頻衰減和補償不均問題。
(3) 在動力雙絞線上采用二組L、C濾波器，有效抑制了電機PWM控制回路所產生的斬波尖峰對調制信號的干擾，阻斷了高壓直流電源和用電設備對調制信號的吸收。
(4) 采用市售的普通動力雙絞線，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的普通動力雙絞線，在VH～VL=100V下的通流能力達15A，通信傳輸距離達150m。若要增大傳輸距離，可適當提高調制器的輸出電壓和功率。
實際電路中，根據調制信號的頻率要設計相應的L、C帶通濾波器，由于篇幅所限，不再一一贅述。
本文敘述的方法實用性強，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中去，應用范圍非常廣泛。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號