1、 水平定向钻进跟踪与导向仪中地下传感发射探头摘要：介绍了水平定向钻进跟踪与导向仪中地下传感发射探头基于单片机 MSP430F149 和数字信号处理器 ADSP2189 的设计方案，给出了系统的硬件、软件实现，并提出了系统安装误差软件修正方法。水平定向钻进技术是非开挖技术领域中占主导地位并且发展最快的高新技术之一，它是利用水平定向钻机以可控钻孔轨迹的方式，在不同地层和深度钻进并通过跟踪与导向仪导向抵达设计位置而铺设地下管线的施工新方法。主要用来铺设、更新、维修各种地下管线，也可用于地质勘探与资源开采。随钻测量是指钻机在钻进的同时连续不断地检测有关钻孔或钻头的信息，靠跟踪与导向仪实现。因此，跟踪与
2、导向仪是水平定向钻机施工的必备测量设备。典型的跟踪与导向仪由地下传感发射探头、地面手持式定位跟踪仪和远端监视设备三部分组成，而地下传感发射探头是整个导向仪设计的关键。针对国内导向仪全部依赖进口的现状，笔者对导向系统进行了研制开发。本文主要介绍基于单片机 MSP430F149 和数字信号处理器ADSP2189 的地下传感发射探头的设计与实现。1 结构设计地下传感发射探头放置在钻具的空腔内，受体积限制。为保证通用性，采用与国际上同类产品相一致的尺寸 32cm380cm。探头结构如图 1 所示。主要分为电池部分(两节二号电池) 、天线部分(带磁芯的线圈)、调制与功放部分以及传感器部分。2 硬件设计地
3、下传感发射探头主要完成钻头倾角、工具面向角、温度和电池电量等参数的检测以及甚低频电磁波信号的发送。其硬件组成框图如图 2 所示。为适应野外长时间工作的特点，系统硬件采用了低功耗设计。21 控制器的选取 （作文网 zSP430F149 是 TI 公司生产的一种Flash 型超低功耗 16 位单片机，具有处理能力强、运行速度快、可靠性高等特点，能适应工业级运行环境，特别适合于电池应用的场合或手持设备。本系统选择它作为系统的主控制器。同时，本系统采用了 AD 公司生产的专用数字信号处理器ADSP2189。它具有处理速度快(单周期指令执行时间为 16ns)、接口方便、自身资源丰富等特点。在本系统中主要
4、是实现精确数字调制、同步以及相关的数字信号处理等。休眠状态下，其功耗也较低。22 传感器设计传感器均选用低功耗产品。倾角传感器采用新型 MEMS 微硅单轴加速度计，具有高精度(0110)、高分辨率(2og5og) 、宽动态范围、低偏置、低灵敏度漂移、低噪声水平、低功耗等特点。通过配备相应的处理电路完成倾角的测量。面向角传感器采用双轴加速度计，输出环路将模拟信号转换为脉宽占空比的数字信号。这些数字信号直接与 MSP430F149 定时器输入相连。相关模拟信号电压的采集由 MSP430F149 完成。MSP430F149 的ADCl2 是 12 位精度的 AD 转换模块，具有高速、通用的特点。其最
5、大采样速率为 200kSPS，内装采样保持电路，可选择软件、采样定时器或其它片内定时器控制采样周期。ADCl2 的 8 个可配置的外部信号采样通道具有单通道单次、单通道重复、序列通道单次等多种转换模式。在此系统中，采用序列通道单次转换模式。23 MSP430F149 与 ADSP2189 接口设计ADSP2189 程序的引导、数据输入与输出均通过 MSP430F149 控制实现。ADSP2189 采用 IDMA 方式与 MSP430F149 相连，如图 3 所示。IDMA 接口是一个并行的 IO 接口，带有 16 位地址数据总线。该总线支持对 16 位数据存储器和 24 位程序存储器的访问。I
6、DMA 接口的读写访问是完全异步的。在 ADSP2189 全速运行时，MSP430F149 可以通过 IDMA 接口直接访问处理器的内部存储器，硬件连接简单。24 源模块的设计地下传感发射探头体积小。由结构设计知，探头只能靠两节二号电池供电。为满足地下长时间工作的需要，探头电源模块的设计非常重要。此电源模块需要给传感器部分、微控制器部分和功率放大部分分别提供 33V、 2V、5V 和12V 的电压，并且 5V 需提供50mA 的输出电流，12V 的输出电流需达到 80mA。考虑到成本、效率、输出纹波、噪声及静态电流等问题，最终选择 MAXIM 公司生产的几款高集成度、高转换效率的可控型 DC-
7、DC 转换器，将两节锂电池的输入转换为所需的电压值。当传感器、功放等单元处于休眠时，MSP430F149 可同时关断相关电源转换模块，以达到省电的目的。通过实验测试证明，探头可连续工作 12 个小时，电源模块的转换效率达 80以上。3 软件设计本系统中，MSP430F149 作为主控制器，完成对传感器输出信号的采集、DSP 的引导、电源模块的管理等工作，总体软件流程如图 4所示。ADSP2189 主要实现精确数字调制、同步以及相关的数字信号处理。31 电池电压检测根据电池的特性曲线，通过 ADCl2 获取的电池电压分为 3(强) 一2(中 )一 1(弱)三档。当电池电压降至 1 档时，MSP430F149 自动关断其它功能模块的电源，自身进入待机休眠状态。
