王從政 ，胡 松 ，高椿明 ，馮 常 ，蔡 根

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

0 引言

核電站需要定期進(jìn)行關(guān)鍵部件檢修，保障其運(yùn)營安全。由于關(guān)鍵設(shè)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(xiàn)場廣泛應(yīng)用的水下電視驅(qū)動系統(tǒng)具有體積大且重等問題[3-4]，特別是現(xiàn)場工作人員穿戴防輻射和防沾污裝備進(jìn)行操作，上述問題愈發(fā)有必要及時解決。

雙路水下電視的動作包括云臺轉(zhuǎn)動和鏡頭參數(shù)調(diào)整等，每個動作對應(yīng)一個直流電機(jī)，即驅(qū)動系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)多路直流電機(jī)驅(qū)動。直流電機(jī)驅(qū)動需實(shí)現(xiàn)弱電信號對電機(jī)轉(zhuǎn)動的控制，在實(shí)現(xiàn)方法上，傳統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動器多采用分立式功率元件或大導(dǎo)通電阻的驅(qū)動芯片與PCI接口相結(jié)合的方案，裝配于工控機(jī)時，具有安裝不便、體積大、以及發(fā)熱量高等不足[5-6]。本文提出一種采用集成功率驅(qū)動芯片 DRV8412、DRV8823與USB接口相結(jié)合的多通道電機(jī)驅(qū)動方案。該方案以C8051F340為主控芯片實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對多路直流電機(jī)的驅(qū)動控制，具有體積小、發(fā)熱少和低成本等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)驅(qū)動對象為雙路水下電視的光學(xué)鏡頭和云臺的關(guān)聯(lián)電機(jī)，具體功能需求：驅(qū)動10路工作電壓為12 V的直流電機(jī)，其中6路電機(jī)功率≤10 W，用于控制鏡頭的變倍、調(diào)焦和光圈等參數(shù)，4路電機(jī)功率≤25 W，用于驅(qū)動攝像模塊的二維云臺；上位機(jī)通過USB端口發(fā)送控制指令。經(jīng)分析，系統(tǒng)主要由上位機(jī)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(shí)現(xiàn)多路電機(jī)控制命令解碼、驅(qū)動模塊配置和驅(qū)動信號發(fā)生等功能。系統(tǒng)的整體示意圖如圖1所示。上位機(jī)指令接收模塊通過單片機(jī)的USB硬件單元實(shí)現(xiàn)，利用單片機(jī)的中斷響應(yīng)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)指令數(shù)據(jù)的實(shí)時可靠接收；控制模塊的功能有：指令協(xié)議包解碼、SPI接口配置與操作和PWM驅(qū)動信號產(chǎn)生等；功率放大模塊對兩類集成功率驅(qū)動芯片進(jìn)行工作模式配置，實(shí)現(xiàn)弱電信號對直流電機(jī)的驅(qū)動。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 六通道電機(jī)驅(qū)動模塊硬件設(shè)計

本模塊以2片TI公司的集成功率驅(qū)動芯片DRV8823為核心[7]，實(shí)現(xiàn)6路直流電機(jī)驅(qū)動。驅(qū)動芯片包含4路H橋，工作電壓范圍大，滿足12 V電機(jī)驅(qū)動需求；同時，其最大驅(qū)動電流可達(dá)1.5 A，2塊組合最多可以滿足8路功率≤10 W電機(jī)的驅(qū)動；此外，該芯片可根據(jù)系統(tǒng)指標(biāo)進(jìn)行8檔峰值電流設(shè)置，減少系統(tǒng)發(fā)熱量；最后，芯片還具有過流、短路、過熱保護(hù)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(shè)備，通過時鐘信號 SCLK、數(shù)據(jù)信號 SDAT和片選信號SCS進(jìn)行控制，區(qū)別在于片選信號相互獨(dú)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(qū)動模塊電路原理圖

2.2 四通道電機(jī)驅(qū)動模塊硬件設(shè)計

本模塊采用2片集成功率驅(qū)動芯片DRV8412實(shí)現(xiàn)4路直流電機(jī)驅(qū)動[8]。DRV8412是TI公司的一款雙H橋PWM驅(qū)動芯片，具有4種工作模式，保護(hù)電路齊全，內(nèi)置有欠壓、過熱、過載、短路保護(hù)等，同時，具有內(nèi)阻小、效率高等特點(diǎn)。針對本系統(tǒng)4路功率≤25 W直流電機(jī)驅(qū)動需求，DRV8412可工作于12 V，同時提供3 A連續(xù)驅(qū)動電流，滿足系統(tǒng)指標(biāo)。本模塊的配置控制電路如圖3所示，芯片的 M1-M3引腳設(shè)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(qū)動芯片的配置，通過單片機(jī)輸出的四路PWM控制信號經(jīng)PWMA-D引腳驅(qū)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(shí)現(xiàn)直流電機(jī)驅(qū)動。

圖3 雙通道驅(qū)動模塊電路原理圖

2.3 控制模塊硬件設(shè)計

本模塊控制器采用C8051F系列的C8051F340，其是具有高速8051內(nèi)核的獨(dú)立片上系統(tǒng)，外圍電路簡單[9]。C8051F340具有USB硬件單元，可滿足系統(tǒng)的上位機(jī)指令接收需求。針對驅(qū)動芯片配置和控制，單片機(jī)采用SPI接口和IO端口結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)兩塊DRV8823的操作，利用P2和P3端口分別實(shí)現(xiàn)兩塊DRV8412的狀態(tài)獲取和PWM驅(qū)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(tài)主要包含過熱警告和出錯信號；同時，多路PWM驅(qū)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(tǒng)需求。

圖4 控制模塊電路原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件部分是基于Silicon Lab集成開發(fā)環(huán)境的MCU軟件設(shè)計，軟件的主程序流程圖如圖5所示。系統(tǒng)首先完成單片機(jī)各類硬件模塊的配置，然后通過中斷獲取上位機(jī)的控制指令包，最后，主循環(huán)進(jìn)行新控制指令包的解碼操作、各片電機(jī)驅(qū)動芯片狀態(tài)的依次更新和驅(qū)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(shè)置。USB設(shè)置涉及USB時鐘選擇、時鐘使能以及USB設(shè)備描述等的初始化，由于控制命令數(shù)據(jù)率較低，USB采用6 MHz的低速模式；SPI設(shè)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(shù)據(jù)在時鐘上升沿，故SPI設(shè)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(shè)置為8位自動加載模式，用于給PWM提供基準(zhǔn)時鐘。

指令包為3字節(jié)數(shù)據(jù)包，依次代表幀頭、電機(jī)狀態(tài)和幀尾。解碼操作首先獲取指令包的幀頭0xA5和幀尾0x5A，并進(jìn)行判定，然后再對狀態(tài)字節(jié)的相關(guān)信息進(jìn)行分析，最后實(shí)現(xiàn)程序中各個電機(jī)的狀態(tài)位依次更新。狀態(tài)字節(jié)信息如表1所示，其中，電機(jī)類型有大小兩類；電機(jī)序號包含0-3或0-5；針對PWM信號驅(qū)動電機(jī)，其速度分為高、中、低3檔。

表1 狀態(tài)字節(jié)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(qū)動信號輸出。DRV8823的寄存器為16位，需2次向 SPI0DAT中寫入狀態(tài)字節(jié)，同時，注意數(shù)據(jù)傳輸時低位在前，并且2個8位數(shù)據(jù)傳輸間隔需10 μs以上，否則，寫入操作會出現(xiàn)不響應(yīng)的情況。PWM通道數(shù)較多，程序采用定時器中斷方式進(jìn)行多路PWM信號模擬，中斷程序則根據(jù)指令包中的電機(jī)狀態(tài)標(biāo)志完成各路PWM信號占空比的配置。

4 系統(tǒng)測試

本驅(qū)動系統(tǒng)已應(yīng)用于核電站水下電視設(shè)備中，具體安裝在視頻采集處理機(jī)箱內(nèi)。為了單獨(dú)測試本驅(qū)動系統(tǒng)性能，本文通過VS6.0編寫上位機(jī)測試程序，程序界面如圖6所示。其可以通過各復(fù)選框狀態(tài)的修改，再在發(fā)送按鈕按下后經(jīng)USB向驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)送狀態(tài)指令實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制。為了保證測試可靠性，測試電機(jī)均與水下電視中應(yīng)用的電機(jī)型號相同，即均為maxon直流電機(jī)。

圖6 測試程序界面圖

測試包含DRV8823驅(qū)動芯片的SPI寄存器寫操作、DRV8412驅(qū)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(fā)熱狀況等。通過連接電機(jī)負(fù)載，并使其依次連續(xù)正反轉(zhuǎn)動10個周期，得驅(qū)動芯片均無明顯發(fā)熱，即本驅(qū)動系統(tǒng)可同時實(shí)現(xiàn)2套水下電視頭部的鏡頭和云臺動作驅(qū)動。

5 結(jié)論

為了解決核電站目前常用雙路水下電視的驅(qū)動系統(tǒng)體積大、重量沉等問題，本文設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一種通過USB進(jìn)行狀態(tài)更新的10路直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。經(jīng)測試分析和現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用，其能夠完成2套水下電視的驅(qū)動任務(wù)。此外，該系統(tǒng)也可推廣應(yīng)用于有多路電機(jī)驅(qū)動需求且體積受限的其他執(zhí)行末端中。該系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動，具有可靠性高、體積小和發(fā)熱量少等優(yōu)點(diǎn)，具有較高的工程價值。

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