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水平定向鉆進跟蹤與導向儀中地下傳感發(fā)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(fā)射探頭基于單片機MSP430F149和數(shù)字信號處理器ADSP2189的設計方案，給出了系統(tǒng)的硬件、軟件實現(xiàn)，并提出了系統(tǒng)安裝誤差軟件修正方法。關鍵詞：水平定向鉆進 地下傳感發(fā)射探頭 MSP430F149 ADSP2189 軟件修正
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(fā)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(zhì)勘探與資源開采。隨鉆測量是指鉆機在鉆進的同時連續(xù)不斷地檢測有關鉆孔或鉆頭的信息，靠跟蹤與導向儀實現(xiàn)。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(fā)射探頭、地面手持式定位跟蹤儀和遠端監(jiān)視設備三部分組成，而地下傳感發(fā)射探頭是整個導向儀設計的關鍵。針對國內(nèi)導向儀全部依賴進口的現(xiàn)狀，筆者對導向系統(tǒng)進行了研制開發(fā)。本文主要介紹基于單片機MSP430F149和數(shù)字信號處理器ADSP2189的地下傳感發(fā)射探頭的設計與實現(xiàn)。
1 結構設計
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，采用與國際上同類產(chǎn)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(jié)二號電池)、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 硬件設計
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。為適應野外長時間工作的特點，系統(tǒng)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(chǎn)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(yè)級運行環(huán)境，特別適合于電池應用的場合或手持設備。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。在本系統(tǒng)中主要是實現(xiàn)精確數(shù)字調(diào)制、同步以及相關的數(shù)字信號處理等。休眠狀態(tài)下，其功耗也較低。
2．2 傳感器設計
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，具有高精度(0．1％～1．0％)、高分辨率(2％og～5％og)、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。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(huán)路將模擬信號轉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(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
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