图1  双绞线传输动力、图像、数据原理图

    图1中，VH～VL端是高压直流电源的输入端，用电设备连接在双绞线的VH’～VL’端。传输回路由动力双绞线、电感L1～L8、电容C5～C7组成。虚线内的L1、L2与L7、L8分别是同一磁路电感，L3～L6是单体电感。高压直流电源端的低通滤波器由C5、L1～L4组成，它有三个重要的作用：

(1)  提供高压直流电源的电流通道；
(2)  抑制高压直流电源高频噪声对传输通道的影响；
(3)  阻断高压直流电源对下传数据调制信号f0、上传数据调制信号f1、上传彩色视频调制信号fTV的吸收。
负载端的低通滤波器由C6、C7、L5～L8组成，它也有三个重要的作用：

(1)  提供用电设备的电流通道；
(2)  抑制用电设备特别是在PWM（脉宽调制）电机控制方式下斩波尖峰对双绞线传输通道上调制信号的干扰；
(3)  阻断用电设备对下传数据调制信号f0、上传数据调制信号f1、上传彩色视频调制信号fTV的吸收。
    C5～C7应根据电源电压的高低、电流的大小来选择，考虑到直流电机在制动工作状态时所产生的泵升电压和能量回馈，在耐压等级上要留有充分余地。L1～L8的选择除考虑电感量外，还应注意其功率和高频的响应能力，大电流工作时不应使磁路饱和。
    变压器T1、T2和电容C1～C4、电阻R1、R2与动力双绞线共同构成了下传数据调制信号f0、上传数据调制信号f1和上传彩色视频调制信号fTV的传输通道。通过变压器T1、T2的磁路，将调制信号f0、f1、fTV耦合到动力双绞线上，同样通过T1、T2从动力双绞线上分别接收上述信号，R1、R2用于阻抗匹配，C1～C4用于隔直。T1、T2的选择应考虑它的高频响应特性，由于功率较小，一般情况下它们的磁路不会饱和，C1～C4的选择除考虑它们的高频阻抗外，还应注意它们的耐压等级。
    主控单元调制器将代表计算机控制信息的“0”、“1”数字量以FSK（移频键控）方式调制成两个中心频率为f0和f0+△f0的正弦波，通过T1耦合到动力双绞线上。解调器也通过T1接收被控单元调制器以FSK方式发出的两个中心频率为f1和f1+△f1的正弦波信号，解调成“0”、“1”两种数字量送给主控计算机。被控单元调制解调器与主控单元调制解调器的工作原理类似，调制器的两个中心频率为f1和f1+△f1，解调器的两个中心频率为f0和f0+△f0。
    被控单元的压控振荡器将彩色视频信号调制到fTV的频段，通过变压器T2耦合到动力双绞线上，主控单元通过变压器T1将fTV视频调制信号自动力双绞线上取出，经频―压转换器将fTV信号恢复成标准彩色视频信号送给视频监视器。

3  关键电路设计

3.1  数据通信调制器与解调器
    调制器的功能是把计算机的数字信号以FSK的方式调制成两种不同频率的正弦波，通过变压器T1或T2耦合到动力双绞线上。解调器的功能是通过变压器T1或T2的耦合作用，对动力双绞线上的两种不同频率的正弦波信号进行解调并锁相，变换成相应的数字信号。本文采用EXAR公司的XR2206和XR2211组成调制器和解调器的核心电路。
    XR2206是一种单片集成函数发生器，能产生高稳定度和高精度的正弦波、三角波、矩形波等，这些输出信号可受外加电压控制、其工作频率由外部参数设定。它的频率工作范围是0.01Hz～1MHz，正弦波的失真度为0.5％，图2所示为采用XR2206组成的FSK信号发生器的基本电路。
    XR2206内部的VCO（压控振荡器）电路通过定时电容Ct分别与两个接地电阻Rt1和Rt2相连，VCO的电流开关受输入到9脚的TTL电平控制，2脚输出调制的正弦波信号。电路的振荡频率由电容Ct和电阻Rt1、Rt2决定，，，由于定时电阻内部的偏置在3.125V且最大电流允许3mA，因此Rt1和Rt2的阻值均应在1kΩ以上。

图2  XR2206组成的FSK信号发生器

    XR2211是专门为数据通信而设计的单片锁相环集成电路，特别适用于做FSK解调器使用，它的频率跟踪范围为0.01Hz～300kHz，输入为2mV～3V之间的正弦波，输出可方便的与TTL电路连接。图3为采用XR2211组成的FSK解调器的基本电路。

图3  XR2211组成的FSK解调器

    图3中，C0为内部VCO的定时电容，R0为定时电阻， R4为反馈电阻，用于加速内部比较器的翻转，R3、C3为环路滤波器，R2、C4为数字滤波器，R1、C1为锁定检波滤波器。环路滤波器参数R3、C3和数字滤波器参数R2、C4由调制信号的频率，即数据传输的波特率确定，锁定检波滤波器的参数R1、C1与捕捉的频率范围相关。

3.2  视频图像的调制与复原
    摄像机输出的标准彩色视频信号由视频调制器调制到fTV频段，通过图1中变压器T2耦合到动力双绞线上，再通过变压器T1、频―压转换与锁相电路将视频信号复原。视频调制器是以压控振荡器74LS628为核心构成的，图4是基本视频调制器原理图。
    图4中，74LS628的可控频率输入电压Vfreq的范围是0～5V，最高输出频率的典型值是20MHz。图中Cx、Rx是片内振荡器的外部电容和电阻，Cx、Rx的取值越小和Vfreq的控制电压越低，Yout输出频率越高。实际应用中，当Cx、Rx的值确定之后，可由电位器R0调整压控振荡器的频率输出范围，以便与主控单元视频解调器的频率范围一致，获得高质量的视频图像。

图4  视频调制器原理图

    视频解调器原理图如图5所示。图5中，由动力双绞线通过图1中变压器T1耦合来的视频调制信号fTV输入到IC1差分放大器，放大后的信号经过IC2高速比较器和由IC3、IC4组成的锁相回路解调、滤波后复原视频信号。

图5  视频解调器原理图

    图5中，IC4的外围电路参数取值和图4的电路一致，因此具有与图4电路完全一致的压控特性，这里用虚线画出。电位器R0整压控振荡器的频率范围，以快速锁定和获得更加清晰的图像。

3.3  PWM电机控制
    电机是控制执行机构运动的重要部件，输出转速和转矩驱动载体运动。采用PWM方式电机控制的原理图如图6所示。图6中，Advanced Motion & Controls公司的20A14E控制模块是控制电路的核心，该模块可在40～140V直流电压下工作，最大输出峰值电流20A，可选择电压、电流、速度控制模式，具有电流限制、故障保护功能，典型的斩波频率为22kHz，特别适合于控制系统中作为驱动直流电机的功率级使用。本文采用三块PWM模块分别控制三台330W直流电机在不同的状态下工作。
    由于电机直接使用动力双绞线上的高压直流电源，因此载体运动过程中电机频繁的启动、调速、换向使动力双绞线上的电流剧烈变化，电流的突变和电机在PWM方式控制下的斩波尖峰会对动力双绞线上的调制信号产生强烈的干扰，严重时会使双向通信和视频调制解调器无法正常工作。合理选择图1所示的L1～L4、C5和L5～L8、C6、C7组成的双绞线滤波器，合理分配调制解调器的工作频段，可以有效抑制突变电流和PWM斩波尖峰对双向通信和视频调制信号的干扰。

图6  PWM方式电机控制原理图

4  特点和试验结果

    本文叙述了在一对普通动力双绞线上实时传输直流动力、彩色图像、双向数据的方法。给出了关键电路的原理图，该方法的特点和试验结果如下：

    (1)  根据信号叠加原理，采用磁耦合的方法将双向数据和视频图像调制到高压直流电源上，通过解调和锁相技术从长线传输中提取调制信号并复原。
    (2)  双向数据通信采用FSK方式，通信波特率达2400bps。视频图像采用V/F、F/V转换的跟踪锁相方法，最高调制频率达20MHz，避免了长线传输所引起的高频衰减和补偿不均问题。
    (3)  在动力双绞线上采用二组L、C滤波器，有效抑制了电机PWM控制回路所产生的斩波尖峰对调制信号的干扰，阻断了高压直流电源和用电设备对调制信号的吸收。
    (4)  采用市售的普通动力双绞线，兼顾了通流、抗共模干扰能力和适用性，选用截面积1.5mm2，绞距20mm的普通动力双绞线，在VH～VL=100V下的通流能力达15A，通信传输距离达150m。若要增大传输距离，可适当提高调制器的输出电压和功率。
    实际电路中，根据调制信号的频率要设计相应的L、C带通滤波器，由于篇幅所限，不再一一赘述。
    本文叙述的方法实用性强，具有很好的电磁兼容性和抗干扰能力，可以推广到采用同轴电缆和其它无线遥控的系统中去，应用范围非常广泛。