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水平定向鉆進跟蹤與導向儀中地下傳感發射探頭的設計
摘要：介紹了水平定向鉆進跟蹤與導向儀中地下傳感發射探頭基于單片機MSP430F149和數字信號處理器ADSP2189的設計方案，給出了系統的硬件、軟件實現，并提出了系統安裝誤差軟件修正方法。水平定向鉆進技術是非開挖技術領域中占主導地位并且發展最快的高新技術之一，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向儀導向抵達設計位置而鋪設地下管線的施工新方法。主要用來鋪設、更新、維修各種地下管線，也可用于地質勘探與資源開采。隨鉆測量是指鉆機在鉆進的同時連續不斷地檢測有關鉆孔或鉆頭的信息，靠跟蹤與導向儀實現。因此，跟蹤與導向儀是水平定向鉆機施工的必備測量設備。典型的跟蹤與導向儀由地下傳感發射探頭、地面手持式定位跟蹤儀和遠端監視設備三部分組成，而地下傳感發射探頭是整個導向儀設計的關鍵。針對國內導向儀全部依賴進口的現狀，筆者對導向系統進行了研制開發。本文主要介紹基于單片機MSP430F149和數字信號處理器ADSP2189的地下傳感發射探頭的設計與實現。
1 結構設計
地下傳感發射探頭放置在鉆具的空腔內，受體積限制。為保證通用性，采用與國際上同類產品相一致的尺寸φ32cm×380cm。探頭結構如圖1所示。主要分為電池部分(兩節二號電池)、天線部分(帶磁芯的線圈)、調制與功放部分以及傳感器部分。
2 硬件設計
地下傳感發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的檢測以及甚低頻電磁波信號的發送。其硬件組成框圖如圖2所示。為適應野外長時間工作的特點，系統硬件采用了低功耗設計。
2．1 控制器的選取
MSP430F149是TI公司生產的一種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，能適應工業級運行環境，特別適合于電池應用的場合或手持設備。本系統選擇它作為系統的主控制器。
同時，本系統采用了AD公司生產的專用數字信號處理器ADSP2189。它具有處理速度快(單周期指令執行時間為16ns)、接口方便、自身資源豐富等特點。在本系統中主要是實現精確數字調制、同步以及相關的數字信號處理等。休眠狀態下，其功耗也較低。
2．2 傳感器設計
傳感器均選用低功耗產品。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，輸出環路將模擬信號轉換為脈寬占空比的數字信號。這些數字信號直接與MSP430F149定時器輸入相連。
相關模擬信號電壓的采集由MSP430F149完成。MSP430F149的ADCl2是12位精度的A／D轉換模塊，具有高速、通用的特點。其最大采樣速率為200kSPS，內裝采樣／保持電路，可選擇軟件、采樣定時器或其它片內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、序列通道單次等多種轉換模式。在此系統中，采用序列通道單次轉換模式。
2．3 MSP430F149與ADSP2189接口設計
ADSP2189程序的引導、數據輸入與輸出均通過MSP430F149控制實現。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／數據總線。該總線支持對16位數據存儲器和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部存儲器，硬件連接簡單。
2．4 源模塊的設計
地下傳感發射探頭體積小。由結構設計知，探頭只能靠兩節二號電池供電。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。考慮到成本、效率、輸出紋波、噪聲及靜態電流等問題，最終選擇MAXIM公司生產的幾款高集成度、高轉換效率的可控型DC-DC轉換器，將兩節鋰電池的輸入轉換為所需的電壓值。當傳感器、功放等單元處于休眠時，MSP430F149可同時關斷相關電源轉換模塊，以達到省電的目的。通過實驗測試證明，探頭可連續工作12個小時，電源模塊的轉換效率達80％以上。
3 軟件設計
本系統中，MSP430F149作為主控制器，完成對傳感器輸出信號的采集、DSP的引導、電源模塊的管理等工作，總體軟件流程如圖4所示。ADSP2189主要實現精確數字調制、同步以及相關的數字信號處理。
3．1 電池電壓檢測
根據電池的特性曲線，通過ADCl2獲取的電池電壓分為3(強)一2(中)一1(弱)三檔。當電池電壓降至1檔時，MSP430F149自動關斷其它功能模塊的電源，自身進入待機休眠狀態。
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