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)

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(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)級運(yùn)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(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‰g～5‰g)、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(diǎn)。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(jì)?熏 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ADC12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、采樣定時器或其它片內(nèi)定時器控制采樣周期。ADC12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(jì)
    ADSP2189程序的引導(dǎo)、數(shù)據(jù)輸入與輸出均通過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(yùn)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 電源模塊的設(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(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(dá)到省電的目的。通過實(shí)驗(yàn)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(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(shí)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ADC12獲取的電池電壓分為3(強(qiáng))—2(中)—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(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IDMA接口裝載ADSP2189程序。程序執(zhí)行被堵塞,直到程序存儲器的地址0寫PM(0x0000)。ADSP2189響應(yīng)IDMA控制信號并提供確認(rèn)信號。寫PM(0x0000),開始DSP程序執(zhí)行。
    DSP存儲器的讀/寫:由4個控制輸入管腳選擇。IDMA接口選擇和地址鎖存使能(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接口選擇和讀選通有效時,ADSP2189將IDMA控制寄存器所指的存儲單元內(nèi)容輸出到IDMA數(shù)據(jù)總線上。IDMA接口選擇和寫選通有效時,ADSP2189將數(shù)據(jù)總線上的輸入數(shù)據(jù)寫到IDMA控制寄存器所指的存儲單元中。訪問應(yīng)答確認(rèn)數(shù)據(jù)讀/寫操作的完成,作為IDMA接口忙的指示信號。
    DSP狀態(tài)檢測: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)射過程中會引起DSP-FL0—MSP430F149- P4.2的電平變化。在1ms內(nèi)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(diào)用DSP程序引導(dǎo)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(jì)輸出值與傾角的正弦值成線性關(guān)系,主要通過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:利用MSP430F149定時器的兩個捕獲/比較模塊實(shí)現(xiàn)了對雙軸加速度計(jì)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(jìn)行相應(yīng)的判斷。
    此外,還設(shè)定了看門狗定時器,防止程序跑飛。
4 系統(tǒng)安裝誤差軟件修正
    由于探頭安裝過程中軸線偏移以及相關(guān)基準(zhǔn)線未能對準(zhǔn)等,傾角傳感器和面向角傳感器總會產(chǎn)生一定誤差。也就是說,當(dāng)探頭傾角及面向角處于絕對零位時,對應(yīng)傳感器測量結(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的程序存儲器是Flash型可在線編程的特點(diǎn),在整個系統(tǒng)裝配完成后第一次上電時用軟件實(shí)現(xiàn)誤差修正。誤差修正軟件流程圖如圖5所示。

    Flash存儲器由很多相對獨(dú)立的段組成,主要分為信息存儲區(qū)(A、B段)和主存儲區(qū),可在一個段中運(yùn)行程序,而對另一個段進(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)用程序在主存儲區(qū)中,主要是對信息存儲區(qū)中的A段進(jìn)行擦除和寫數(shù)據(jù)。
    第一次上電時探頭放置在特定的標(biāo)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(yùn)行主程序,傳感器測得的數(shù)據(jù)即為因安裝而形成的固定偏差。把測得的數(shù)據(jù)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(jìn)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(shù)據(jù)進(jìn)行判斷,不再執(zhí)行上述過程。但將傳感器每次測量所得數(shù)據(jù)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。