水平定向钻进跟踪/导向仪中地下传感发射探头 - 工业/测控

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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φ32cm×380cm。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。



2．1 控制器的选取

MSP430F149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。

2．2 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(0．1％～1．0％)、高分辨率(2％og～5％og)、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A／D转换模块，具有高速、通用的特点。其最大采样速率为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。

2．3 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I／O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。IDMA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。



2．4 电源模块的设计

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+3．3V、+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-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。


3．1 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。

3．2 MSP430F149与DSP通信

DSP引导：激活RESET，置MMAP=0和BMODE=1(选择IDMA引导)；撤消RESET，通过IDMA接口装载ADSP2189程序。程序执行被堵塞，直到程序存储器的地址0写PM(0x0000)。ADSP2189响应IDMA控制信号并提供确认信号IACK。写PM(0x0000)，开始DSP程序执行。
DSP存储器的读／写：由4个控制输入管脚选择。IDMA接口选择IS和地址锁存使能(IAL)有效时，ADSP2189将地址总线上的地址写入IDMA控制寄存器，被锁存的地址不能由主控制器读回。IDMA接口选择IS和读选通IRD有效时，ADSP2189将IDMA控制寄存器所指的存储单元内容输出到IDMA数据总线上。IDMA接口选择IS和写选通IWR有效时，ADSP2189将数据总线上的输人数据写到IDMA控制寄存器所指的存储单元中。访问应答IACK确认数据读／写操作的完成，作为IDMA接口忙的指示信号。

DSP状态检测：将待发射数据以固定的格式存放在DSP的数据区，然后向DSP发中断；DSP接收到中断后，调制及发射过程中会引起DSP-FL0一MSP430F149-P4．2的电平变化。在1ms内若检测到变化，DSP工作正常；未检测到变化，DSP工作不正常，重新调用DSP程序引导模块。

3．3 传感器检测

(1)倾角检测：在温度不变的情况下，单轴加速度计输出值与倾角的正弦值成线性关系，主要通过查表的方式得到倾角值，并运用最小二乘法进行相应的温度补偿。

(2)面向角检测：利用MSP430F149定时器的两个捕获／比较模块实现了对双轴加速度计的双脉宽输出的测量。

(3)温度检测：通过MSP430F149的I／O引脚直接访问温度传感器，读取温度值，并进行相应的判断。

此外，还设定了看门狗定时器，防止程序跑飞。

4 系统安装误差软件修正

由于探头安装过程中轴线偏移以及相关基准线未能对准等，倾角传感器和面向角传感器总会产生一定误差。也就是说，当探头倾角及面向角处于绝对零位时，对应传感器测量结果并不是零值，存在一定的偏差，且不同探头的初始偏差也不相同。利用MSP430F149的程序存储器是Flash型可在线编程的特点，在整个系统装配完成后第一次上电时用软件实现误差修正。误差修正软件流程图如图5所示。


Flash存储器由很多相对独立的段组成，主要分为信息存储区(A、B段)和主存储区，可在一个段中运行程序，而对另一个段进行擦除或写入数据等操作；主要用于保存用户程序或重要的数据、信息等一些掉电后不丢失的数据。应用程序在主存储区中，主要是对信息存储区中的A段进行擦除和写数据。 第一次上电时探头放置在特定的标定平台上，使探头倾角及面向角处于绝对零位。这时探头上电，运行主程序，传感器测得的数据即为因安装而形成的固定偏差。把测得的数据写入Flash存储模块中锁定，使以后程序不能再对此段程序存储单元进行改写，掉电后也不会被擦除。探头以后上电工作通过对特定存储单元数据进行判断，不再执行上述过程。但将传感器每次测量所得数据减去第一次上电所测偏差值，即得绝对测量值。在对Flash操作前先要停掉看门狗，防止操作期间看门狗定时器溢出。该子程序流程如图6所示。


地下传感发射探头运用单片机MSP430F149方便地实现了对传感器输出信号的采集、DSP的控制与管理、电源模块的管理等。同时，采用先进的DSP技术，实现数字调制、同步以及相关的数字信号处理，为地面接收解调以及定位测深提供了可靠的保障。系统具有：体积小、成本低、可靠性高等一系列优点，并采用低功耗设计，探头在地下可连续工作十余小时，为水平定向钻进穿越更长的施工工程提供了有利的条件。