作者：宋華 零偏科技

 

　　摘要：管道內(nèi)窺系統(tǒng)是地下管線探測設備發(fā)展的重要方向，本文提出一種管道內(nèi)窺系統(tǒng)的設計方案，詳細介紹了各部分的設計思路和工作原理。首先在機械設計中分析了系統(tǒng)受力情況，根據(jù)受力計算結(jié)果選擇了電機。然后在電路部分針對所選電機設計驅(qū)動電路，并且設計了直流載波通訊和視頻傳輸?shù)入娐贰?ldquo;陀螺儀”
 

　　引言
 

　　地下管線作為城市基礎設施重要組成部分，主要承擔著通信、供電、供水、能源供給等重要職能，是城市的“生命線”。隨著城市化進程的不斷加快，地下管線的規(guī)模也不斷增加，有限的地下空間中，交錯分布著各類的管線，為其日常的管理和維護工作帶來了巨大的挑戰(zhàn)。近年來，我國發(fā)生了很多由地下管線引起的安全事故，給人們的財產(chǎn)和安全帶來了巨大的威脅。目前，國內(nèi)市場上也有很多類型的地下管線探測設備，按其使用特點可分為介入式探測設備和外置式探測設備。這些設備只能探測地下管線的位置，無法滿足實時查看管道內(nèi)部畫面的需求。由于西方國家工業(yè)發(fā)展水平較高，管道內(nèi)窺設備發(fā)展較早，早在2000年左右德國和澳大利亞就已經(jīng)有基于CCTV的管內(nèi)檢測系統(tǒng)[1]，該檢測系統(tǒng)可以在管道中運行，并且拍攝管內(nèi)畫面。國內(nèi)管道內(nèi)窺設備發(fā)展較晚，市場上還沒有特別成熟的產(chǎn)品，而且價格都比較高，大大提高了施工成本，不利于工程應用。綜合國外內(nèi)窺設備的特點，立足國內(nèi)施工需求，本文提出設計的管道內(nèi)窺系統(tǒng)具有簡單、、成本低等優(yōu)點。“陀螺儀”
 

　　1、管道內(nèi)窺系統(tǒng)的整體設計思路
 

　　本文提出的管道內(nèi)窺系統(tǒng)。“陀螺儀”
 

　　2、管道內(nèi)窺系統(tǒng)的設計方案
 

　　在管道內(nèi)窺系統(tǒng)的整體設計思路中，我們將該系統(tǒng)主要設計內(nèi)容劃分為機械、硬件電路和軟件三部分。接下來分別介紹各部分的主要設計內(nèi)容：
 

　　(1)機械設計
 

　　合理的機械設計是系統(tǒng)、平穩(wěn)運行的基礎，本設計采用行走快速、控制簡單的輪式機器人作為系統(tǒng)載體。機器人的尺寸很大程度上受到電機尺寸的制約，一般情況下，電機輸出力矩越大其尺寸也會越大。為了設計出更加合理機械，首先要分析系統(tǒng)的受力情況，然后根據(jù)受力分析結(jié)果選擇符合要求的電機。另外內(nèi)窺系統(tǒng)在管道中運行時，防塵防水也是其正常工作的保證。“陀螺儀”
 

　　(2)硬件電路設計
 

　　① 電機驅(qū)動模塊：
 

　　在本文設計的管道內(nèi)窺系統(tǒng)中，電機選用兩個24V兩相混合式的山社步進電機，步進電機比直流電機有更大的扭矩，在斷電時有鎖緊功能，并且可以在DSP程序中方便地進行電機調(diào)速。步進電機驅(qū)動芯片選用THB6064AH兩相混合式步進電機驅(qū)動芯片，該芯片zui大輸出電流4.，zui高驅(qū)動電壓42V，具有8個細分檔，4個衰減檔，內(nèi)置溫度保護及過流保護，滿足該內(nèi)窺系統(tǒng)步進電機的需求。另外，該驅(qū)動芯片外圍電路簡單，通過控制兩個信號(信號CW/CCW設置電機正反轉(zhuǎn)，信號CLK設置脈沖)就可以驅(qū)動電機。“陀螺儀”
 

　　該電機驅(qū)動芯片有4種電流衰減方式，通過控制引腳OSC1與地之間的外接電阻值(推薦值51KΩ)和DCY1、DCY2的電平選擇不同的衰減方式，保證電機運行在平穩(wěn)、低噪聲的狀態(tài)；為了抑制感應毛刺電壓對芯片的損壞，在輸出端(OUT1A、OUT2A、OUT1B、OUT2B)與地之間接入電阻，使得VM/RX的值在5mA左右，電阻封裝推薦0805以上。根據(jù)設計經(jīng)驗當輸出電流大于3A時，需要使用續(xù)流二極管(推薦肖基特二極管)以降低芯片功耗，電流過大時，會對電路控制信號產(chǎn)生干擾，本設計中使用光耦隔離的方法將控制信號進行隔離，CLK脈沖信號及CW/CCW正反轉(zhuǎn)信號使用HCPL-2530芯片隔離 ，其余信號使用TLP281-4芯片隔離。“陀螺儀”
 

　　② DSP+CPLD核心控制模塊設計
 

　　本設計的核心控制模塊使用TI公司的TMS320F28335芯片，該DSP是由C2000系列發(fā)展而來，可以進行32位的高精度浮點運算，具有ePWM(增強型脈寬調(diào)制模塊)、eQEP(增強型正交編碼脈沖模塊)等，適合應用在電機控制領域。另外，芯片還集成通用I/O、SPI、SCI等資源，增加了芯片使用的靈活性[2]。
 

　　CPLD輔助DSP時，一般有兩種功能，一種是用于擴展，如外部接口或者存儲空間的擴展等；另一種是作為協(xié)處理器使用，如片選、復位、時序或AD采集等。本設計中使用Xilinx公司的xc9572xl系列的CPLD芯片，作為協(xié)控制器控制電機的使能、正反轉(zhuǎn)和復位等，該芯片通過4線JTAG標準協(xié)議在線編程，內(nèi)部集成72個宏單元，可以反復擦寫多大1萬次，I/O口兼容5V和3.3V電平。“陀螺儀”
 

　　③ 通信模塊設計
 

　　本設計中采用直流載波技術(shù)進行上下位機之間的通信。直流載波電路主要由網(wǎng)絡接口控制器P485、功率放大器P111、濾波電路、放大電路和線性耦合電路組成。“陀螺儀”
 

　　其中P485芯片主要實現(xiàn)的是擴頻通信，所謂擴頻通信即將待傳送的基帶信號用擴頻序列發(fā)生器產(chǎn)生的偽隨機編碼做擴頻調(diào)制，實現(xiàn)頻譜擴展后，形成相當帶寬的低功率譜密度信號再傳輸，接收端采用同樣的偽隨機碼通過相關處理恢復成窄帶后再解調(diào)數(shù)據(jù)，恢復出原始信息。“陀螺儀”
 

　　④ 視頻傳輸模塊
 

　　視頻傳輸模塊是該內(nèi)窺系統(tǒng)的“眼睛”，通過CCD相機拍攝的管道內(nèi)部實時畫面，經(jīng)雙絞線，上傳到上位機。在雙絞線上發(fā)送端增加無源模塊，接收端增加有源模塊，這樣可以使視頻傳輸距離達到900m，并且畫質(zhì)較好。雙絞線推薦超五類線且要求承受一定的拉力。“陀螺儀”
 

　　(3)軟件設計
 

　　本設計中軟件包括嵌入式軟件和上位機軟件，嵌入式主要包含DSP程序、CPLD程序，上位機軟件主要是發(fā)送控制命令，查看管道實時畫面以及機器人狀態(tài)等。上下位機之間的通訊使用直流載波通訊技術(shù)，而視頻傳輸通過雙絞線模塊進行。“陀螺儀”
 

　　3、總結(jié)
 

　　本文簡單介紹了地下管線內(nèi)窺系統(tǒng)的發(fā)展情況，對國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀有了初步的認識。考慮到國內(nèi)施工要求簡單、實用和成本低等特點提出了一整套管道內(nèi)窺系統(tǒng)設計方案，在方案中詳細介紹了各模塊的功能和實現(xiàn)過程。目前，國內(nèi)地下管線探測領域正在發(fā)展壯大，管道內(nèi)窺系統(tǒng)作為地下管線探測設備發(fā)展的重要方向，其發(fā)展前景不可估量。管道內(nèi)窺系統(tǒng)是一個集成了機械設計、電子電路、自動控制和計算機編程等綜合學科知識在專業(yè)領域中的應用，本文提出的設計方案也為其發(fā)展提供一定的參考價值。“陀螺儀”