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(cè)以及甚低頻電磁波信號(hào)的發(fā)送。其硬件組成框圖如圖2所示。為適應(yīng)野外長(zhǎng)時(shí)間工作的特點(diǎn),系統(tǒng)硬件采用了低功耗設(shè)計(jì)。

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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(jí)運(yùn)行環(huán)境,特別適合于電池應(yīng)用的場(chǎng)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(shí),本系統(tǒng)采用了AD公司生產(chǎn)的專(zhuān)用數(shù)字信號(hào)處理器ADSP2189。它具有處理速度快(單周期指令執(zhí)行時(shí)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(hào)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)" title="加速度計(jì)">加速度計(jì),具有高精度(0.1%～1.0%)、高分辨率(2‰g～5‰g)、寬動(dòng)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(guò)配備相應(yīng)的處理電路完成傾角的測(cè)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(hào)轉(zhuǎn)換為脈寬占空比的數(shù)字信號(hào)。這些數(shù)字信號(hào)直接與MSP430F149定時(shí)器輸入相連。
??? 相關(guān)模擬信號(hào)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(shí)器或其它片內(nèi)定時(shí)器控制采樣周期。ADC12的8個(gè)可配置的外部信號(hào)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(guò)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(gè)并行的I/O接口,帶有16位地址/數(shù)據(jù)總線(xiàn)。該總線(xiàn)支持對(duì)16位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和24位程序存儲(chǔ)器" title="程序存儲(chǔ)器">程序存儲(chǔ)器的訪(fǎng)問(wèn)。IDMA接口的讀/寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)是完全異步的。在ADSP2189全速運(yùn)行時(shí),MSP430F149可以通過(guò)IDMA接口直接訪(fǎng)問(wèn)處理器的內(nèi)部存儲(chǔ)器,硬件連接簡(jiǎn)單。

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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?jī)晒?jié)二號(hào)電池供電。為滿(mǎn)足地下長(zhǎng)時(shí)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。考慮到成本、效率、輸出紋波、噪聲及靜態(tài)電流等問(wèn)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(shí),MSP430F149可同時(shí)關(guān)斷相關(guān)電源轉(zhuǎn)換模塊,以達(dá)到省電的目的。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明,探頭可連續(xù)工作12個(gè)小時(shí),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(duì)傳感器輸出信號(hào)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(hào)處理。

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3.1 電池電壓檢測(cè)
??? 根據(jù)電池的特性曲線(xiàn),通過(guò)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(shí),MSP430F149自動(dòng)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(guò)IDMA接口裝載ADSP2189程序。程序執(zhí)行被堵塞,直到程序存儲(chǔ)器的地址0寫(xiě)PM(0x0000)。ADSP2189響應(yīng)IDMA控制信號(hào)并提供確認(rèn)信號(hào)。寫(xiě)PM(0x0000),開(kāi)始DSP程序執(zhí)行。
??? DSP存儲(chǔ)器的讀/寫(xiě):由4個(gè)控制輸入管腳選擇。IDMA接口選擇和地址鎖存使能(IAL)有效時(shí),ADSP2189將地址總線(xiàn)上的地址寫(xiě)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(shí),ADSP2189將IDMA控制寄存器所指的存儲(chǔ)單元" title="存儲(chǔ)單元">存儲(chǔ)單元內(nèi)容輸出到IDMA數(shù)據(jù)總線(xiàn)上。IDMA接口選擇和寫(xiě)選通有效時(shí),ADSP2189將數(shù)據(jù)總線(xiàn)上的輸入數(shù)據(jù)寫(xiě)到IDMA控制寄存器所指的存儲(chǔ)單元中。訪(fǎng)問(wèn)應(yīng)答確認(rèn)數(shù)據(jù)讀/寫(xiě)操作的完成,作為IDMA接口忙的指示信號(hào)。
??? DSP狀態(tài)檢測(cè):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(guò)程中會(huì)引起DSP-FL0—MSP430F149- P4.2的電平變化。在1ms內(nèi)若檢測(cè)到變化,DSP工作正常;未檢測(cè)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(cè)
??? (1)傾角檢測(cè):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(xiàn)性關(guān)系,主要通過(guò)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(cè):利用MSP430F149定時(shí)器的兩個(gè)捕獲/比較模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)雙軸加速度計(jì)的雙脈寬輸出的測(cè)量。
??? (3)溫度檢測(cè):通過(guò)MSP430F149的I/O引腳直接訪(fǎng)問(wèn)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(mén)狗定時(shí)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(guò)程中軸線(xiàn)偏移以及相關(guān)基準(zhǔn)線(xiàn)未能對(duì)準(zhǔn)等,傾角傳感器和面向角傳感器總會(huì)產(chǎn)生一定誤差。也就是說(shuō),當(dāng)探頭傾角及面向角處于絕對(duì)零位時(shí),對(duì)應(yīng)傳感器測(cè)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(chǔ)器是Flash型可在線(xiàn)編程的特點(diǎn),在整個(gè)系統(tǒng)裝配完成后第一次上電" title="上電">上電時(shí)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。

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??? Flash存儲(chǔ)器由很多相對(duì)獨(dú)立的段組成,主要分為信息存儲(chǔ)區(qū)(A、B段)和主存儲(chǔ)區(qū),可在一個(gè)段中運(yùn)行程序,而對(duì)另一個(gè)段進(jìn)行擦除或?qū)懭霐?shù)據(jù)等操作;主要用于保存用戶(hù)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(chǔ)區(qū)中,主要是對(duì)信息存儲(chǔ)區(qū)中的A段進(jìn)行擦除和寫(xiě)數(shù)據(jù)。
??? 第一次上電時(shí)探頭放置在特定的標(biāo)定平臺(tái)上,使探頭傾角及面向角處于絕對(duì)零位。這時(shí)探頭上電,運(yùn)行主程序,傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)即為因安裝而形成的固定偏差。把測(cè)得的數(shù)據(jù)寫(xiě)入Flash存儲(chǔ)模塊中鎖定,使以后程序不能再對(duì)此段程序存儲(chǔ)單元進(jìn)行改寫(xiě),掉電后也不會(huì)被擦除。探頭以后上電工作通過(guò)對(duì)特定存儲(chǔ)單元數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷,不再執(zhí)行上述過(guò)程。但將傳感器每次測(cè)量所得數(shù)據(jù)減去第一次上電所測(cè)偏差值,即得絕對(duì)測(cè)量值。在對(duì)Flash操作前先要停掉看門(mén)狗,防止操作期間看門(mén)狗定時(shí)器溢出。該子程序流程如圖6所示。

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