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水平定向鉆進跟蹤與導(dǎo)向儀中地下傳感發(fā)射探頭的設(shè)計
摘要：介紹了水平定向鉆進跟蹤與導(dǎo)向儀中地下傳感發(fā)射探頭基于單片機MSP430F149和數(shù)字信號處理器ADSP2189的設(shè)計方案，給出了系統(tǒng)的硬件、軟件實現(xiàn)，并提出了系統(tǒng)安裝誤差軟件修正方法。水平定向鉆進技術(shù)是非開挖技術(shù)領(lǐng)域中占主導(dǎo)地位并且發(fā)展最快的高新技術(shù)之一，它是利用水平定向鉆機以可控鉆孔軌跡的方式，在不同地層和深度鉆進并通過跟蹤與導(dǎo)向儀導(dǎo)向抵達設(shè)計位置而鋪設(shè)地下管線的施工新方法。主要用來鋪設(shè)、更新、維修各種地下管線，也可用于地質(zhì)勘探與資源開采。隨鉆測量是指鉆機在鉆進的同時連續(xù)不斷地檢測有關(guān)鉆孔或鉆頭的信息，靠跟蹤與導(dǎo)向儀實現(xiàn)。因此，跟蹤與導(dǎo)向儀是水平定向鉆機施工的必備測量設(shè)備。典型的跟蹤與導(dǎo)向儀由地下傳感發(fā)射探頭、地面手持式定位跟蹤儀和遠端監(jiān)視設(shè)備三部分組成，而地下傳感發(fā)射探頭是整個導(dǎo)向儀設(shè)計的關(guān)鍵。針對國內(nèi)導(dǎo)向儀全部依賴進口的現(xiàn)狀，筆者對導(dǎo)向系統(tǒng)進行了研制開發(fā)。本文主要介紹基于單片機MSP430F149和數(shù)字信號處理器ADSP2189的地下傳感發(fā)射探頭的設(shè)計與實現(xiàn)。
1 結(jié)構(gòu)設(shè)計
地下傳感發(fā)射探頭放置在鉆具的空腔內(nèi)，受體積限制。為保證通用性，采用與國際上同類產(chǎn)品相一致的尺寸φ32cm×380cm。探頭結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要分為電池部分(兩節(jié)二號電池)、天線部分(帶磁芯的線圈)、調(diào)制與功放部分以及傳感器部分。
2 硬件設(shè)計
地下傳感發(fā)射探頭主要完成鉆頭傾角、工具面向角、溫度和電池電量等參數(shù)的檢測以及甚低頻電磁波信號的發(fā)送。其硬件組成框圖如圖2所示。為適應(yīng)野外長時間工作的特點，系統(tǒng)硬件采用了低功耗設(shè)計。
2．1 控制器的選取
MSP430F149是TI公司生產(chǎn)的一種Flash型超低功耗16位單片機，具有處理能力強、運行速度快、可靠性高等特點，能適應(yīng)工業(yè)級運行環(huán)境，特別適合于電池應(yīng)用的場合或手持設(shè)備。本系統(tǒng)選擇它作為系統(tǒng)的主控制器。
同時，本系統(tǒng)采用了AD公司生產(chǎn)的專用數(shù)字信號處理器ADSP2189。它具有處理速度快(單周期指令執(zhí)行時間為16ns)、接口方便、自身資源豐富等特點。在本系統(tǒng)中主要是實現(xiàn)精確數(shù)字調(diào)制、同步以及相關(guān)的數(shù)字信號處理等。休眠狀態(tài)下，其功耗也較低。
2．2 傳感器設(shè)計
傳感器均選用低功耗產(chǎn)品。傾角傳感器采用新型MEMS微硅單軸加速度計，具有高精度(0．1％～1．0％)、高分辨率(2％og～5％og)、寬動態(tài)范圍、低偏置、低靈敏度漂移、低噪聲水平、低功耗等特點。通過配備相應(yīng)的處理電路完成傾角的測量。面向角傳感器采用雙軸加速度計，輸出環(huán)路將模擬信號轉(zhuǎn)換為脈寬占空比的數(shù)字信號。這些數(shù)字信號直接與MSP430F149定時器輸入相連。
相關(guān)模擬信號電壓的采集由MSP430F149完成。MSP430F149的ADCl2是12位精度的A／D轉(zhuǎn)換模塊，具有高速、通用的特點。其最大采樣速率為200kSPS，內(nèi)裝采樣／保持電路，可選擇軟件、采樣定時器或其它片內(nèi)定時器控制采樣周期。ADCl2的8個可配置的外部信號采樣通道具有單通道單次、單通道重復(fù)、序列通道單次等多種轉(zhuǎn)換模式。在此系統(tǒng)中，采用序列通道單次轉(zhuǎn)換模式。
2．3 MSP430F149與ADSP2189接口設(shè)計
ADSP2189程序的引導(dǎo)、數(shù)據(jù)輸入與輸出均通過MSP430F149控制實現(xiàn)。ADSP2189采用IDMA方式與MSP430F149相連，如圖3所示。IDMA接口是一個并行的I／O接口，帶有16位地址／數(shù)據(jù)總線。該總線支持對16位數(shù)據(jù)存儲器和24位程序存儲器的訪問。IDMA接口的讀／寫訪問是完全異步的。在ADSP2189全速運行時，MSP430F149可以通過IDMA接口直接訪問處理器的內(nèi)部存儲器，硬件連接簡單。
2．4 源模塊的設(shè)計
地下傳感發(fā)射探頭體積小。由結(jié)構(gòu)設(shè)計知，探頭只能靠兩節(jié)二號電池供電。為滿足地下長時間工作的需要，探頭電源模塊的設(shè)計非常重要。此電源模塊需要給傳感器部分、微控制器部分和功率放大部分分別提供 3．3V、 2V、±5V和±12V的電壓，并且 5V需提供50mA的輸出電流，±12V的輸出電流需達到80mA�？紤]到成本、效率、輸出紋波、噪聲及靜態(tài)電流等問題，最終選擇MAXIM公司生產(chǎn)的幾款高集成度、高轉(zhuǎn)換效率的可控型DC-DC轉(zhuǎn)換器，將兩節(jié)鋰電池的輸入轉(zhuǎn)換為所需的電壓值。當(dāng)傳感器、功放等單元處于休眠時，MSP430F149可同時關(guān)斷相關(guān)電源轉(zhuǎn)換模塊，以達到省電的目的。通過實驗測試證明，探頭可連續(xù)工作12個小時，電源模塊的轉(zhuǎn)換效率達80％以上。
3 軟件設(shè)計
本系統(tǒng)中，MSP430F149作為主控制器，完成對傳感器輸出信號的采集、DSP的引導(dǎo)、電源模塊的管理等工作，總體軟件流程如圖4所示。ADSP2189主要實現(xiàn)精確數(shù)字調(diào)制、同步以及相關(guān)的數(shù)字信號處理。
3．1 電池電壓檢測
根據(jù)電池的特性曲線，通過ADCl2獲取的電池電壓分為3(強)一2(中)一1(弱)三檔。當(dāng)電池電壓降至1檔時，MSP430F149自動關(guān)斷其它功能模塊的電源，自身進入待機休眠狀態(tài)。
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