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?？紤]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。

3．2 MSP430F149與DSP通信

DSP引導：激活RESET，置MMAP=0和BMODE=1(選擇IDMA引導)；撤消RESET，通過IDMA接口裝載ADSP2189程序。程序執行被堵塞，直到程序存儲器的地址0寫PM(0x0000)。ADSP2189響應IDMA控制信號并提供確認信號IACK。寫PM(0x0000)，開始DSP程序執行。

    DSP存儲器的讀／寫：由4個控制輸入管腳選擇。IDMA接口選擇IS和地址鎖存使能(IAL)有效時，ADSP2189將地址總線上的地址寫入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，ADSP2189將IDMA控制寄存器所指的存儲單元內容輸出到IDMA數據總線上。IDMA接口選擇IS和寫選通IWR有效時，ADSP2189將數據總線上的輸人數據寫到IDMA控制寄存器所指的存儲單元中。訪問應答IACK確認數據讀／寫操作的完成，作為IDMA接口忙的指示信號。

DSP狀態檢測：將待發射數據以固定的格式存放在DSP的數據區，然后向DSP發中斷；DSP接收到中斷后，調制及發射過程中會引起DSP-FL0一MSP430F149-P4．2的電平變化。在1ms內若檢測到變化，DSP工作正常；未檢測到變化，DSP工作不正常，重新調用DSP程序引導模塊。

3．3 傳感器檢測

(1)傾角檢測：在溫度不變的情況下，單軸加速度計輸出值與傾角的正弦值成線性關系，主要通過查表的方式得到傾角值，并運用最小二乘法進行相應的溫度補償。

(2)面向角檢測：利用MSP430F149定時器的兩個捕獲／比較模塊實現了對雙軸加速度計的雙脈寬輸出的測量。

(3)溫度檢測：通過MSP430F149的I／O引腳直接訪問溫度傳感器，讀取溫度值，并進行相應的判斷。

此外，還設定了看門狗定時器，防止程序跑飛。

4 系統安裝誤差軟件修正

由于探頭安裝過程中軸線偏移以及相關基準線未能對準等，傾角傳感器和面向角傳感器總會產生一定誤差。也就是說，當探頭傾角及面向角處于絕對零位時，對應傳感器測量結果并不是零值，存在一定的偏差，且不同探頭的初始偏差也不相同。利用MSP430F149的程序存儲器是Flash型可在線編程的特點，在整個系統裝配完成后第一次上電時用軟件實現誤差修正。誤差修正軟件流程圖如圖5所示。

Flash存儲器由很多相對獨立的段組成，主要分為信息存儲區(A、B段)和主存儲區，可在一個段中運行程序，而對另一個段進行擦除或寫入數據等操作；主要用于保存用戶程序或重要的數據、信息等一些掉電后不丟失的數據。應用程序在主存儲區中，主要是對信息存儲區中的A段進行擦除和寫數據。 第一次上電時探頭放置在特定的標定平臺上，使探頭傾角及面向角處于絕對零位。這時探頭上電，運行主程序，傳感器測得的數據即為因安裝而形成的固定偏差。把測得的數據寫入Flash存儲模塊中鎖定，使以后程序不能再對此段程序存儲單元進行改寫，掉電后也不會被擦除。探頭以后上電工作通過對特定存儲單元數據進行判斷，不再執行上述過程。但將傳感器每次測量所得數據減去第一次上電所測偏差值，即得絕對測量值。在對Flash操作前先要停掉看門狗，防止操作期間看門狗定時器溢出。該子程序流程如圖6所示。

地下傳感發射探頭運用單片機MSP430F149方便地實現了對傳感器輸出信號的采集、DSP的控制與管理、電源模塊的管理等。同時，采用先進的DSP技術，實現數字調制、同步以及相關的數字信號處理，為地面接收解調以及定位測深提供了可靠的保障。系統具有：體積小、成本低、可靠性高等一系列優點，并采用低功耗設計，探頭在地下可連續工作十余小時，為水平定向鉆進穿越更長的施工工程提供了有利的條件