作者：宋華

摘要：管道內(nèi)窺系統(tǒng)是地下管線探測設(shè)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(shè)計(jì)方案，詳細(xì)介紹了各部分的設(shè)計(jì)思路和工作原理。首先在機(jī)械設(shè)計(jì)中分析了系統(tǒng)受力情況，根據(jù)受力計(jì)算結(jié)果選擇了電機(jī)。然后在電路部分針對(duì)所選電機(jī)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路，并且設(shè)計(jì)了直流載波通訊和視頻傳輸?shù)入娐贰?ldquo;地下管線陀螺儀”

引言

地下管線作為城市基礎(chǔ)設(shè)施重要組成部分，主要承擔(dān)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(jìn)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(cuò)分布著各類的管線，為其日常的管理和維護(hù)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(cái)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(shè)備，按其使用特點(diǎn)可分為介入式探測設(shè)備和外置式探測設(shè)備。這些設(shè)備只能探測地下管線的位置，無法滿足實(shí)時(shí)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(shè)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(yùn)行，并且拍攝管內(nèi)畫面。國內(nèi)管道內(nèi)窺設(shè)備發(fā)展較晚，市場上還沒有特別成熟的產(chǎn)品，而且價(jià)格都比較高，大大提高了施工成本，不利于工程應(yīng)用。綜合國外內(nèi)窺設(shè)備的特點(diǎn)，立足國內(nèi)施工需求，本文提出設(shè)計(jì)的管道內(nèi)窺系統(tǒng)具有簡單、、成本低等優(yōu)點(diǎn)。“地下管線陀螺儀”

1、管道內(nèi)窺系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)思路

本文提出的管道內(nèi)窺系統(tǒng)。

2、管道內(nèi)窺系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

在管道內(nèi)窺系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)思路中，我們將該系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)內(nèi)容劃分為機(jī)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(shè)計(jì)內(nèi)容：“地下管線陀螺儀”

（1）機(jī)械設(shè)計(jì)

合理的機(jī)械設(shè)計(jì)是系統(tǒng)、平穩(wěn)運(yùn)行的基礎(chǔ)，本設(shè)計(jì)采用行走快速、控制簡單的輪式機(jī)器人作為系統(tǒng)載體。機(jī)器人的尺寸很大程度上受到電機(jī)尺寸的制約，一般情況下，電機(jī)輸出力矩越大其尺寸也會(huì)越大。為了設(shè)計(jì)出更加合理機(jī)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(jī)。另外內(nèi)窺系統(tǒng)在管道中運(yùn)行時(shí)，防塵防水也是其正常工作的保證。“地下管線陀螺儀”

（2）硬件電路設(shè)計(jì)

① 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊：

在本文設(shè)計(jì)的管道內(nèi)窺系統(tǒng)中，電機(jī)選用兩個(gè)24V兩相混合式的山社步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)比直流電機(jī)有更大的扭矩，在斷電時(shí)有鎖緊功能，并且可以在DSP程序中方便地進(jìn)行電機(jī)調(diào)速。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片選用THB6064AH兩相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片zui大輸出電流4.，zui高驅(qū)動(dòng)電壓42V，具有8個(gè)細(xì)分檔，4個(gè)衰減檔，內(nèi)置溫度保護(hù)及過流保護(hù)，滿足該內(nèi)窺系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的需求。另外，該驅(qū)動(dòng)芯片外圍電路簡單，通過控制兩個(gè)信號(hào)（信號(hào)CW/CCW設(shè)置電機(jī)正反轉(zhuǎn)，信號(hào)CLK設(shè)置脈沖）就可以驅(qū)動(dòng)電機(jī)。“地下管線陀螺儀”

該電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)運(yùn)行在平穩(wěn)、低噪聲的狀態(tài)；為了抑制感應(yīng)毛刺電壓對(duì)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(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)當(dāng)輸出電流大于3A時(shí)，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(shí)，會(huì)對(duì)電路控制信號(hào)產(chǎn)生干擾，本設(shè)計(jì)中使用光耦隔離的方法將控制信號(hào)進(jìn)行隔離，CLK脈沖信號(hào)及CW/CCW正反轉(zhuǎn)信號(hào)使用HCPL-2530芯片隔離 ，其余信號(hào)使用TLP281-4芯片隔離。“地下管線陀螺儀”

② DSP+CPLD核心控制模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)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(jìn)行32位的高精度浮點(diǎn)運(yùn)算，具有ePWM（增強(qiáng)型脈寬調(diào)制模塊）、eQEP（增強(qiáng)型正交編碼脈沖模塊）等，適合應(yīng)用在電機(jī)控制領(lǐng)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(shí)，一般有兩種功能，一種是用于擴(kuò)展，如外部接口或者存儲(chǔ)空間的擴(kuò)展等；另一種是作為協(xié)處理器使用，如片選、復(fù)位、時(shí)序或AD采集等。本設(shè)計(jì)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(jī)的使能、正反轉(zhuǎn)和復(fù)位等，該芯片通過4線JTAG標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議在線編程，內(nèi)部集成72個(gè)宏單元，可以反復(fù)擦寫多大1萬次，I/O口兼容5V和3.3V電平。“地下管線陀螺儀”

③ 通信模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中采用直流載波技術(shù)進(jìn)行上下位機(jī)之間的通信。直流載波電路主要由網(wǎng)絡(luò)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。

其中P485芯片主要實(shí)現(xiàn)的是擴(kuò)頻通信，所謂擴(kuò)頻通信即將待傳送的基帶信號(hào)用擴(kuò)頻序列發(fā)生器產(chǎn)生的偽隨機(jī)編碼做擴(kuò)頻調(diào)制，實(shí)現(xiàn)頻譜擴(kuò)展后，形成相當(dāng)帶寬的低功率譜密度信號(hào)再傳輸，接收端采用同樣的偽隨機(jī)碼通過相關(guān)處理恢復(fù)成窄帶后再解調(diào)數(shù)據(jù)，恢復(fù)出原始信息。

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(jī)拍攝的管道內(nèi)部實(shí)時(shí)畫面，經(jīng)雙絞線，上傳到上位機(jī)。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(dá)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。“地下管線陀螺儀”

（3）軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中軟件包括嵌入式軟件和上位機(jī)軟件，嵌入式主要包含DSP程序、CPLD程序，上位機(jī)軟件主要是發(fā)送控制命令，查看管道實(shí)時(shí)畫面以及機(jī)器人狀態(tài)等。上下位機(jī)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(jìn)行。

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(duì)國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀有了初步的認(rèn)識(shí)。考慮到國內(nèi)施工要求簡單、實(shí)用和成本低等特點(diǎn)提出了一整套管道內(nèi)窺系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，在方案中詳細(xì)介紹了各模塊的功能和實(shí)現(xiàn)過程。目前，國內(nèi)地下管線探測領(lǐng)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(shè)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(gè)集成了機(jī)械設(shè)計(jì)、電子電路、自動(dòng)控制和計(jì)算機(jī)編程等綜合學(xué)科知識(shí)在專業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用，本文提出的設(shè)計(jì)方案也為其發(fā)展提供一定的參考價(jià)值。“地下管線陀螺儀”