水平定向鉆進(jìn)跟蹤與導向儀中地下傳感發(fā)射探頭的設計

摘要：介紹了水平定向鉆進(jìn)跟蹤與導向儀中地下傳感發(fā)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(shí)現，并提出了系統安裝誤差軟件修正方法。

水平定向鉆進(jìn)技術(shù)是非開(kāi)挖技術(shù)領(lǐng)域中占主導地位并且發(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(jìn)并通過(guò)跟蹤與導向儀導向抵達設計位置而鋪設地下管線(xiàn)的施工新方法。主要用來(lái)鋪設、更新、維修各種地下管線(xiàn)，也可用于地質(zhì)勘探與資源開(kāi)采。隨鉆測量是指鉆機在鉆進(jìn)的同時(shí)連續不斷地檢測有關(guān)鉆孔或鉆頭的信息，靠跟蹤與導向儀實(shí)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(fā)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(fā)射探頭是整個(gè)導向儀設計的關(guān)鍵。針對國內導向儀全部依賴(lài)進(jìn)口的現狀，筆者對導向系統進(jìn)行了研制開(kāi)發(fā)。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(fā)射探頭的設計與實(shí)現。

1 結構設計

地下傳感發(fā)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(lèi)產(chǎn)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(xiàn)部分(帶磁芯的線(xiàn)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(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。為適應野外長(cháng)時(shí)間工作的特點(diǎn)，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(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(diǎn)，能適應工業(yè)級運行環(huán)境，特別適合于電池應用的場(chǎng)合或手持設備。本系統選擇它作為系統的主控制器。 DSP存儲器的讀／寫(xiě)：由4個(gè)控制輸入管腳選擇。IDMA接口選擇IS和地址鎖存使能(IAL)有效時(shí)，ADSP2189將地址總線(xiàn)上的地址寫(xiě)入IDMA控制寄存器，被鎖存的地址不能由主控制器讀回。IDMA接口選擇IS和讀選通IRD有效時(shí)，ADSP2189將IDMA控制寄存器所指的存儲單元內容輸出到IDMA數據總線(xiàn)上。IDMA接口選擇IS和寫(xiě)選通IWR有效時(shí)，ADSP2189將數據總線(xiàn)上的輸人數據寫(xiě)到IDMA控制寄存器所指的存儲單元中。訪(fǎng)問(wèn)應答IACK確認數據讀／寫(xiě)操作的完成，作為IDMA接口忙的指示信號。

同時(shí)，本系統采用了AD公司生產(chǎn)的專(zhuān)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(shí)間為16ns)、接口方便、自身資源豐富等特點(diǎn)。在本系統中主要是實(shí)現精確數字調制、同步以及相關(guān)的數字信號處理等。休眠狀態(tài)下，其功耗也較低。

2．2 傳感器設計

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(dòng)態(tài)范圍、低偏置、低靈敏度漂移、低噪聲水平、低功耗等特點(diǎn)。通過(guò)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(huán)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(shí)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轉換模塊，具有高速、通用的特點(diǎn)。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(shí)器或其它片內定時(shí)器控制采樣周期。ADCl2的8個(gè)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(guò)MSP430F149控制實(shí)現。ADSP2189采用IDMA方式與MSP430F149相連，如圖3所示。IDMA接口是一個(gè)并行的I／O接口，帶有16位地址／數據總線(xiàn)。該總線(xiàn)支持對16位數據存儲器和24位程序存儲器的訪(fǎng)問(wèn)。IDMA接口的讀／寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)是完全異步的。在A(yíng)DSP2189全速運行時(shí)，MSP430F149可以通過(guò)IDMA接口直接訪(fǎng)問(wèn)處理器的內部存儲器，硬件連接簡(jiǎn)單。

2．4 源模塊的設計

地下傳感發(fā)射探頭體積小。由結構設計知，探頭只能靠?jì)晒澏栯姵毓╇?。為滿(mǎn)足地下長(cháng)時(shí)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?？紤]到成本、效率、輸出紋波、噪聲及靜態(tài)電流等問(wèn)題，最終選擇MAXIM公司生產(chǎn)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(shí)，MSP430F149可同時(shí)關(guān)斷相關(guān)電源轉換模塊，以達到省電的目的。通過(guò)實(shí)驗測試證明，探頭可連續工作12個(gè)小時(shí)，電源模塊的轉換效率達80％以上。