水平定向钻进跟踪/导向仪中地下传感发射探头

文章摘要：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，

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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。

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