一種小型雙路水下電視驅動系統設計*

王從政 ，胡 松 ，高椿明 ，馮 常 ，蔡 根

（1.中國科學院光電技術研究所，四川 成都 610209；2.電子科技大學 光電信息學院，四川 成都 610054；3.中國科學院大學，北京 100049）

0 引言

核電站需要定期進行關鍵部件檢修，保障其運營安全。由于關鍵設備多具有放射性，故處于一定深度的硼酸水中，而雙路水下電視則成為水下檢修的常用工具之一[1-2]。目前，現場廣泛應用的水下電視驅動系統具有體積大且重等問題[3-4]，特別是現場工作人員穿戴防輻射和防沾污裝備進行操作，上述問題愈發有必要及時解決。

雙路水下電視的動作包括云臺轉動和鏡頭參數調整等，每個動作對應一個直流電機，即驅動系統需實現多路直流電機驅動。直流電機驅動需實現弱電信號對電機轉動的控制，在實現方法上，傳統電機驅動器多采用分立式功率元件或大導通電阻的驅動芯片與PCI接口相結合的方案，裝配于工控機時，具有安裝不便、體積大、以及發熱量高等不足[5-6]。本文提出一種采用集成功率驅動芯片 DRV8412、DRV8823與USB接口相結合的多通道電機驅動方案。該方案以C8051F340為主控芯片實現上位機對多路直流電機的驅動控制，具有體積小、發熱少和低成本等優點。

1 系統總體設計

本系統驅動對象為雙路水下電視的光學鏡頭和云臺的關聯電機，具體功能需求：驅動10路工作電壓為12 V的直流電機，其中6路電機功率≤10 W，用于控制鏡頭的變倍、調焦和光圈等參數，4路電機功率≤25 W，用于驅動攝像模塊的二維云臺；上位機通過USB端口發送控制指令。經分析，系統主要由上位機指令接收模塊、控制模塊和功率放大模塊組成，通過三模塊實現多路電機控制命令解碼、驅動模塊配置和驅動信號發生等功能。系統的整體示意圖如圖1所示。上位機指令接收模塊通過單片機的USB硬件單元實現，利用單片機的中斷響應實現上位機指令數據的實時可靠接收；控制模塊的功能有：指令協議包解碼、SPI接口配置與操作和PWM驅動信號產生等；功率放大模塊對兩類集成功率驅動芯片進行工作模式配置，實現弱電信號對直流電機的驅動。

圖1 系統結構圖

2 系統硬件設計

2.1 六通道電機驅動模塊硬件設計

本模塊以2片TI公司的集成功率驅動芯片DRV8823為核心[7]，實現6路直流電機驅動。驅動芯片包含4路H橋，工作電壓范圍大，滿足12 V電機驅動需求；同時，其最大驅動電流可達1.5 A，2塊組合最多可以滿足8路功率≤10 W電機的驅動；此外，該芯片可根據系統指標進行8檔峰值電流設置，減少系統發熱量；最后，芯片還具有過流、短路、過熱保護等功能。本模塊的配置控制電路如圖2所示。圖中僅給出單路配置情況，2路均為 SPI從設備，通過時鐘信號 SCLK、數據信號 SDAT和片選信號SCS進行控制，區別在于片選信號相互獨立，操作上SCS1和SCS2分時有效。芯片外圍配置電路簡單，除4個大功率傳感電阻外，僅有少量小封裝電容。其中，傳感電阻主要為芯片的PWM斬波電流模塊提供比較電壓。

圖2 四通道驅動模塊電路原理圖

2.2 四通道電機驅動模塊硬件設計

本模塊采用2片集成功率驅動芯片DRV8412實現4路直流電機驅動[8]。DRV8412是TI公司的一款雙H橋PWM驅動芯片，具有4種工作模式，保護電路齊全，內置有欠壓、過熱、過載、短路保護等，同時，具有內阻小、效率高等特點。針對本系統4路功率≤25 W直流電機驅動需求，DRV8412可工作于12 V，同時提供3 A連續驅動電流，滿足系統指標。本模塊的配置控制電路如圖3所示，芯片的 M1-M3引腳設置為‘000’，工作于帶電流檢測的單橋控制方式。圖中給出一塊驅動芯片的配置，通過單片機輸出的四路PWM控制信號經PWMA-D引腳驅動功率半橋，功率放大后的信號由OUTA-D輸出，兩位一組即可實現直流電機驅動。

圖3 雙通道驅動模塊電路原理圖

2.3 控制模塊硬件設計

本模塊控制器采用C8051F系列的C8051F340，其是具有高速8051內核的獨立片上系統，外圍電路簡單[9]。C8051F340具有USB硬件單元，可滿足系統的上位機指令接收需求。針對驅動芯片配置和控制，單片機采用SPI接口和IO端口結合的方式實現兩塊DRV8823的操作，利用P2和P3端口分別實現兩塊DRV8412的狀態獲取和PWM驅動信號輸出。本模塊的具體硬件配置如圖4所示。其中，獲取狀態主要包含過熱警告和出錯信號；同時，多路PWM驅動信號的頻率范圍還要滿足20-500 kHz，否則，兩輸出端之間功率不滿足系統需求。

圖4 控制模塊電路原理圖

3 系統軟件設計

本系統軟件部分是基于Silicon Lab集成開發環境的MCU軟件設計，軟件的主程序流程圖如圖5所示。系統首先完成單片機各類硬件模塊的配置，然后通過中斷獲取上位機的控制指令包，最后，主循環進行新控制指令包的解碼操作、各片電機驅動芯片狀態的依次更新和驅動信號的分別輸出。

圖5 主程序流程圖

硬件模塊配置主要包含USB、SPI、定時器以及 IO端口等設置。USB設置涉及USB時鐘選擇、時鐘使能以及USB設備描述等的初始化，由于控制命令數據率較低，USB采用6 MHz的低速模式；SPI設置主要包含時鐘頻率、時鐘相位、時鐘極性和工作模式等，由于DRV8823通過SPI接收數據在時鐘上升沿，故SPI設置為4線單主模式，同時，極性CKPOL位和相位 CKPHA位清零；定時器設置為8位自動加載模式，用于給PWM提供基準時鐘。

指令包為3字節數據包，依次代表幀頭、電機狀態和幀尾。解碼操作首先獲取指令包的幀頭0xA5和幀尾0x5A，并進行判定，然后再對狀態字節的相關信息進行分析，最后實現程序中各個電機的狀態位依次更新。狀態字節信息如表1所示，其中，電機類型有大小兩類；電機序號包含0-3或0-5；針對PWM信號驅動電機，其速度分為高、中、低3檔。

表1 狀態字節信息表

程序主體部分包含DRV8823的寄存器更新和DRV8412的8路PWM驅動信號輸出。DRV8823的寄存器為16位，需2次向 SPI0DAT中寫入狀態字節，同時，注意數據傳輸時低位在前，并且2個8位數據傳輸間隔需10 μs以上，否則，寫入操作會出現不響應的情況。PWM通道數較多，程序采用定時器中斷方式進行多路PWM信號模擬，中斷程序則根據指令包中的電機狀態標志完成各路PWM信號占空比的配置。

4 系統測試

本驅動系統已應用于核電站水下電視設備中，具體安裝在視頻采集處理機箱內。為了單獨測試本驅動系統性能，本文通過VS6.0編寫上位機測試程序，程序界面如圖6所示。其可以通過各復選框狀態的修改，再在發送按鈕按下后經USB向驅動系統發送狀態指令實現電機控制。為了保證測試可靠性，測試電機均與水下電視中應用的電機型號相同，即均為maxon直流電機。

圖6 測試程序界面圖

測試包含DRV8823驅動芯片的SPI寄存器寫操作、DRV8412驅動芯片的輸入輸出波形對比、輸出兩引腳間波形對比和兩者發熱狀況等。通過連接電機負載，并使其依次連續正反轉動10個周期，得驅動芯片均無明顯發熱，即本驅動系統可同時實現2套水下電視頭部的鏡頭和云臺動作驅動。

5 結論

為了解決核電站目前常用雙路水下電視的驅動系統體積大、重量沉等問題，本文設計并實現了一種通過USB進行狀態更新的10路直流電機驅動系統。經測試分析和現場實際應用，其能夠完成2套水下電視的驅動任務。此外，該系統也可推廣應用于有多路電機驅動需求且體積受限的其他執行末端中。該系統采用USB端口傳輸控制指令，操作方便，利用DRV8823和DRV8412功率芯片實現電機驅動，具有可靠性高、體積小和發熱量少等優點，具有較高的工程價值。

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