作者：宋華 零偏科技

 

　　摘要：管道內窺系統是地下管線探測設備發展的重要方向，本文提出一種管道內窺系統的設計方案，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受力情況，根據受力計算結果選擇了電機。然后在電路部分針對所選電機設計驅動電路，并且設計了直流載波通訊和視頻傳輸等電路。“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。近年來，我國發生了很多由地下管線引起的安全事故，給人們的財產和安全帶來了巨大的威脅。目前，國內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部畫面的需求。由于西方國家工業發展水平較高，管道內窺設備發展較早，早在2000年左右德國和澳大利亞就已經有基于CCTV的管內檢測系統[1]，該檢測系統可以在管道中運行，并且拍攝管內畫面。國內管道內窺設備發展較晚，市場上還沒有特別成熟的產品，而且價格都比較高，大大提高了施工成本，不利于工程應用。綜合國外內窺設備的特點，立足國內施工需求，本文提出設計的管道內窺系統具有簡單、、成本低等優點。“陀螺儀”
 

　　1、管道內窺系統的整體設計思路
 

　　本文提出的管道內窺系統。“陀螺儀”
 

　　2、管道內窺系統的設計方案
 

　　在管道內窺系統的整體設計思路中，我們將該系統主要設計內容劃分為機械、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容：
 

　　(1)機械設計
 

　　合理的機械設計是系統、平穩運行的基礎，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，首先要分析系統的受力情況，然后根據受力分析結果選擇符合要求的電機。另外內窺系統在管道中運行時，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 電機驅動模塊：
 

　　在本文設計的管道內窺系統中，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速。步進電機驅動芯片選用THB6064AH兩相混合式步進電機驅動芯片，該芯片zui大輸出電流4.，zui高驅動電壓42V，具有8個細分檔，4個衰減檔，內置溫度保護及過流保護，滿足該內窺系統步進電機的需求。另外，該驅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，信號CLK設置脈沖)就可以驅動電機。“陀螺儀”
 

　　該電機驅動芯片有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、低噪聲的狀態；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。根據設計經驗當輸出電流大于3A時，需要使用續流二極管(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，作為協控制器控制電機的使能、正反轉和復位等，該芯片通過4線JTAG標準協議在線編程，內部集成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進行上下位機之間的通信。直流載波電路主要由網絡接口控制器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生器產生的偽隨機編碼做擴頻調制，實現頻譜擴展后，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數據，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窺系統的“眼睛”，通過CCD相機拍攝的管道內部實時畫面，經雙絞線，上傳到上位機。在雙絞線上發送端增加無源模塊，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送控制命令，查看管道實時畫面以及機器人狀態等。上下位機之間的通訊使用直流載波通訊技術，而視頻傳輸通過雙絞線模塊進行。“陀螺儀”
 

　　3、總結
 

　　本文簡單介紹了地下管線內窺系統的發展情況，對國內外的發展現狀有了初步的認識。考慮到國內施工要求簡單、實用和成本低等特點提出了一整套管道內窺系統設計方案，在方案中詳細介紹了各模塊的功能和實現過程。目前，國內地下管線探測領域正在發展壯大，管道內窺系統作為地下管線探測設備發展的重要方向，其發展前景不可估量。管道內窺系統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領域中的應用，本文提出的設計方案也為其發展提供一定的參考價值。“陀螺儀”