水平定向鉆進(jìn)跟蹤與導(dǎo)向儀中地下傳感發(fā)射探頭的設(shè)計(jì)

摘要：介紹了水平定向鉆進(jìn)跟蹤與導(dǎo)向儀中地下傳感發(fā)射探頭基于單片機(jī)MSP430F149和數(shù)字信號(hào)處理器ADSP2189的設(shè)計(jì)方案，給出了系統(tǒng)的硬件、軟件實(shí)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(jìn)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(jī)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(dǎo)向儀導(dǎo)向抵達(dá)設(shè)計(jì)位置而鋪設(shè)地下管線的施工新方法。主要用來(lái)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(cè)量是指鉆機(jī)在鉆進(jìn)的同時(shí)連續(xù)不斷地檢測(cè)有關(guān)鉆孔或鉆頭的信息，靠跟蹤與導(dǎo)向儀實(shí)現(xiàn)。因此，跟蹤與導(dǎo)向儀是水平定向鉆機(jī)施工的必備測(cè)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(yuǎn)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(gè)導(dǎo)向儀設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。針對(duì)國(guó)內(nèi)導(dǎo)向儀全部依賴進(jìn)口的現(xiàn)狀，筆者對(duì)導(dǎo)向系統(tǒng)進(jìn)行了研制開發(fā)。本文主要介紹基于單片機(jī)MSP430F149和數(shù)字信號(hào)處理器ADSP2189的地下傳感發(fā)射探頭的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(guó)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(hào)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(jì)

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(cè)以及甚低頻電磁波信號(hào)的發(fā)送。其硬件組成框圖如圖2所示。為適應(yīng)野外長(zhǎng)時(shí)間工作的特點(diǎn)，系統(tǒng)硬件采用了低功耗設(shè)計(jì)。

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(jī)，具有處理能力強(qiáng)、運(yùn)行速度快、可靠性高等特點(diǎn)，能適應(yīng)工業(yè)級(jí)運(yùn)行環(huán)境，特別適合于電池應(yīng)用的場(chǎng)合或手持設(shè)備。本系統(tǒng)選擇它作為系統(tǒng)的主控制器。    DSP存儲(chǔ)器的讀／寫：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(shí)，ADSP2189將IDMA控制寄存器所指的存儲(chǔ)單元內(nèi)容輸出到IDMA數(shù)據(jù)總線上。IDMA接口選擇IS和寫選通IWR有效時(shí)，ADSP2189將數(shù)據(jù)總線上的輸人數(shù)據(jù)寫到IDMA控制寄存器所指的存儲(chǔ)單元中。訪問(wèn)應(yīng)答IACK確認(rèn)數(shù)據(jù)讀／寫操作的完成，作為IDMA接口忙的指示信號(hào)。

同時(shí)，本系統(tǒng)采用了AD公司生產(chǎn)的專用數(shù)字信號(hào)處理器ADSP2189。它具有處理速度快(單周期指令執(zhí)行時(shí)間為16ns)、接口方便、自身資源豐富等特點(diǎn)。在本系統(tǒng)中主要是實(shí)現(xiàn)精確數(shù)字調(diào)制、同步以及相關(guān)的數(shù)字信號(hào)處理等。休眠狀態(tài)下，其功耗也較低。

2．2 傳感器設(shè)計(jì)

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(jì)，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(yīng)的處理電路完成傾角的測(cè)量。面向角傳感器采用雙軸加速度計(jì)，輸出環(huán)路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈寬占空比的數(shù)字信號(hào)。這些數(shù)字信號(hào)直接與MSP430F149定時(shí)器輸入相連。

相關(guān)模擬信號(hào)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(diǎn)。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(shí)器或其它片內(nèi)定時(shí)器控制采樣周期。ADCl2的8個(gè)可配置的外部信號(hào)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(jì)

ADSP2189程序的引導(dǎo)、數(shù)據(jù)輸入與輸出均通過(guò)MSP430F149控制實(shí)現(xiàn)。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(shù)據(jù)總線。該總線支持對(duì)16位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和24位程序存儲(chǔ)器的訪問(wèn)。IDMA接口的讀／寫訪問(wèn)是完全異步的。在ADSP2189全速運(yùn)行時(shí)，MSP430F149可以通過(guò)IDMA接口直接訪問(wèn)處理器的內(nèi)部存儲(chǔ)器，硬件連接簡(jiǎn)單。

2．4 源模塊的設(shè)計(jì)

地下傳感發(fā)射探頭體積小。由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知，探頭只能靠?jī)晒?jié)二號(hào)電池供電。為滿足地下長(zhǎng)時(shí)間工作的需要，探頭電源模塊的設(shè)計(jì)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(dá)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(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(shí)，MSP430F149可同時(shí)關(guān)斷相關(guān)電源轉(zhuǎn)換模塊，以達(dá)到省電的目的。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明，探頭可連續(xù)工作12個(gè)小時(shí)，電源模塊的轉(zhuǎn)換效率達(dá)80％以上。

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中，MSP430F149作為主控制器，完成對(duì)傳感器輸出信號(hào)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(shí)現(xiàn)精確數(shù)字調(diào)制、同步以及相關(guān)的數(shù)字信號(hào)處理。

3．1 電池電壓檢測(cè)

根據(jù)電池的特性曲線，通過(guò)ADCl2獲取的電池電壓分為3(強(qiáng))一2(中)一1(弱)三檔。當(dāng)電池電壓降至1檔時(shí)，MSP430F149自動(dòng)關(guān)斷其它功能模塊的電源，自身進(jìn)入待機(jī)休眠狀態(tài)。

3．2 MSP430F149與DSP通信

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

 

DSP狀態(tài)檢測(cè)：將待發(fā)射數(shù)據(jù)以固定的格式存放在DSP的數(shù)據(jù)區(qū)，然后向DSP發(fā)中斷；DSP接收到中斷后，調(diào)制及發(fā)射過(guò)程中會(huì)引起DSP-FL0一MSP430F149-P4．2的電平變化。在1ms內(nèi)若檢測(cè)到變化，DSP工作正常；未檢測(cè)到變化，DSP工作不正常，重新調(diào)用DSP程序引導(dǎo)模塊。

3．3 傳感器檢測(cè)

(1)傾角檢測(cè)：在溫度不變的情況下，單軸加速度計(jì)輸出值與傾角的正弦值成線性關(guān)系，主要通過(guò)查表的方式得到傾角值，并運(yùn)用最小二乘法進(jìn)行相應(yīng)的溫度補(bǔ)償。

(2)面向角檢測(cè)：利用MSP430F149定時(shí)器的兩個(gè)捕獲／比較模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)雙軸加速度計(jì)的雙脈寬輸出的測(cè)量。

(3)溫度檢測(cè)：通過(guò)MSP430F149的I／O引腳直接訪問(wèn)溫度傳感器，讀取溫度值，并進(jìn)行相應(yīng)的判斷。

此外，還設(shè)定了看門狗定時(shí)器，防止程序跑飛。

4 系統(tǒng)安裝誤差軟件修正

由于探頭安裝過(guò)程中軸線偏移以及相關(guān)基準(zhǔn)線未能對(duì)準(zhǔn)等，傾角傳感器和面向角傳感器總會(huì)產(chǎn)生一定誤差。也就是說(shuō)，當(dāng)探頭傾角及面向角處于絕對(duì)零位時(shí)，對(duì)應(yīng)傳感器測(cè)量結(jié)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(chǔ)器是Flash型可在線編程的特點(diǎn)，在整個(gè)系統(tǒng)裝配完成后第一次上電時(shí)用軟件實(shí)現(xiàn)誤差修正。誤差修正軟件流程圖如圖5所示。

Flash存儲(chǔ)器由很多相對(duì)獨(dú)立的段組成，主要分為信息存儲(chǔ)區(qū)(A、B段)和主存儲(chǔ)區(qū)，可在一個(gè)段中運(yùn)行程序，而對(duì)另一個(gè)段進(jìn)行擦除或?qū)懭霐?shù)據(jù)等操作；主要用于保存用戶程序或重要的數(shù)據(jù)、信息等一些掉電后不丟失的數(shù)據(jù)。應(yīng)用程序在主存儲(chǔ)區(qū)中，主要是對(duì)信息存儲(chǔ)區(qū)中的A段進(jìn)行擦除和寫數(shù)據(jù)。 第一次上電時(shí)探頭放置在特定的標(biāo)定平臺(tái)上，使探頭傾角及面向角處于絕對(duì)零位。這時(shí)探頭上電，運(yùn)行主程序，傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)即為因安裝而形成的固定偏差。把測(cè)得的數(shù)據(jù)寫入Flash存儲(chǔ)模塊中鎖定，使以后程序不能再對(duì)此段程序存儲(chǔ)單元進(jìn)行改寫，掉電后也不會(huì)被擦除。探頭以后上電工作通過(guò)對(duì)特定存儲(chǔ)單元數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，不再執(zhí)行上述過(guò)程。但將傳感器每次測(cè)量所得數(shù)據(jù)減去第一次上電所測(cè)偏差值，即得絕對(duì)測(cè)量值。在對(duì)Flash操作前先要停掉看門狗，防止操作期間看門狗定時(shí)器溢出。該子程序流程如圖6所示。

地下傳感發(fā)射探頭運(yùn)用單片機(jī)MSP430F149方便地實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳感器輸出信號(hào)的采集、DSP的控制與管理、電源模塊的管理等。同時(shí)，采用先進(jìn)的DSP技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)制、同步以及相關(guān)的數(shù)字信號(hào)處理，為地面接收解調(diào)以及定位測(cè)深提供了可靠的保障。系統(tǒng)具有：體積小、成本低、可靠性高等一系列優(yōu)點(diǎn)，并采用低功耗設(shè)計(jì)，探頭在地下可連續(xù)工作十余小時(shí)，為水平定向鉆進(jìn)穿越更長(zhǎng)的施工工程提供了有利的條件