2 硬件設(shè)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(yīng)野外長時間工作的特點,系統(tǒng)硬件采用了低功耗設(shè)計,。

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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、運行速度快,、可靠性高等特點,能適應(yīng)工業(yè)級運行環(huán)境,特別適合于電池應(yīng)用的場合或手持設(shè)備,。本系統(tǒng)選擇它作為系統(tǒng)的主控制器,。
??? 同時,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(guān)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(shè)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" title="加速度計">加速度計,具有高精度(0.1%～1.0%),、高分辨率(2‰g～5‰g)、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(yīng)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?熏 輸出環(huán)路將模擬信號轉(zhuǎn)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(guān)模擬信號電壓的采集由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,。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)定時器控制采樣周期,。ADC12的8個可配置的外部信號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
??? ADSP2189程序的引導(dǎo)、數(shù)據(jù)輸入與輸出均通過MSP430F149控制實現(xiàn),。ADSP2189采用IDMA方式與MSP430F149相連,如圖3所示,。IDMA接口是一個并行的I/O接口,帶有16位地址/數(shù)據(jù)總線。該總線支持對16位數(shù)據(jù)存儲器和24位程序存儲器" title="程序存儲器">程序存儲器的訪問,。IDMA接口的讀/寫訪問是完全異步的,。在ADSP2189全速運行時,MSP430F149可以通過IDMA接口直接訪問處理器的內(nèi)部存儲器,硬件連接簡單。

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2.4 電源模塊的設(shè)計
??? 地下傳感發(fā)射探頭體積小,。由結(jié)構(gòu)設(shè)計知,探頭只能靠兩節(jié)二號電池供電,。為滿足地下長時間工作的需要,探頭電源模塊的設(shè)計非常重要。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?？紤]到成本,、效率、輸出紋波,、噪聲及靜態(tài)電流等問題,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,MSP430F149可同時關(guān)斷相關(guān)電源轉(zhuǎn)換模塊,以達(dá)到省電的目的,。通過實驗測試證明,探頭可連續(xù)工作12個小時,電源模塊的轉(zhuǎn)換效率達(dá)80%以上。
3 軟件設(shè)計
??? 本系統(tǒng)中,MSP430F149作為主控制器,完成對傳感器輸出信號的采集,、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主要實現(xiàn)精確數(shù)字調(diào)制,、同步以及相關(guān)的數(shù)字信號處理,。

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3.1 電池電壓檢測
??? 根據(jù)電池的特性曲線,通過ADC12獲取的電池電壓分為3(強)—2(中)—1(弱)三檔,。當(dāng)電池電壓降至1檔時,MSP430F149自動關(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IDMA接口裝載ADSP2189程序。程序執(zhí)行被堵塞,直到程序存儲器的地址0寫PM(0x0000),。ADSP2189響應(yīng)IDMA控制信號并提供確認(rèn)信號,。寫PM(0x0000),開始DSP程序執(zhí)行。
??? DSP存儲器的讀/寫:由4個控制輸入管腳選擇,。IDMA接口選擇和地址鎖存使能(IAL)有效時,ADSP2189將地址總線上的地址寫入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,ADSP2189將IDMA控制寄存器所指的存儲單元" title="存儲單元">存儲單元內(nèi)容輸出到IDMA數(shù)據(jù)總線上。IDMA接口選擇和寫選通有效時,ADSP2189將數(shù)據(jù)總線上的輸入數(shù)據(jù)寫到IDMA控制寄存器所指的存儲單元中,。訪問應(yīng)答確認(rèn)數(shù)據(jù)讀/寫操作的完成,作為IDMA接口忙的指示信號,。
??? DSP狀態(tài)檢測: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)射過程中會引起DSP-FL0—MSP430F149- P4.2的電平變化。在1ms內(nèi)若檢測到變化,DSP工作正常;未檢測到變化,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
??? (1)傾角檢測:在溫度不變的情況下,單軸加速度計輸出值與傾角的正弦值成線性關(guān)系,主要通過查表的方式得到傾角值,并運用最小二乘法進(jìn)行相應(yīng)的溫度補償,。
??? (2)面向角檢測:利用MSP430F149定時器的兩個捕獲/比較模塊實現(xiàn)了對雙軸加速度計的雙脈寬輸出的測量。
??? (3)溫度檢測:通過MSP430F149的I/O引腳直接訪問溫度傳感器,讀取溫度值,并進(jìn)行相應(yīng)的判斷,。
??? 此外,還設(shè)定了看門狗定時器,防止程序跑飛,。
4 系統(tǒng)安裝誤差軟件修正
??? 由于探頭安裝過程中軸線偏移以及相關(guān)基準(zhǔn)線未能對準(zhǔn)等,傾角傳感器和面向角傳感器總會產(chǎn)生一定誤差。也就是說,當(dāng)探頭傾角及面向角處于絕對零位時,對應(yīng)傳感器測量結(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的程序存儲器是Flash型可在線編程的特點,在整個系統(tǒng)裝配完成后第一次上電" title="上電">上電時用軟件實現(xiàn)誤差修正,。誤差修正軟件流程圖如圖5所示。

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??? Flash存儲器由很多相對獨立的段組成,主要分為信息存儲區(qū)(A、B段)和主存儲區(qū),可在一個段中運行程序,而對另一個段進(jìn)行擦除或?qū)懭霐?shù)據(jù)等操作;主要用于保存用戶程序或重要的數(shù)據(jù),、信息等一些掉電后不丟失的數(shù)據(jù),。應(yīng)用程序在主存儲區(qū)中,主要是對信息存儲區(qū)中的A段進(jìn)行擦除和寫數(shù)據(jù)。
??? 第一次上電時探頭放置在特定的標(biāo)定平臺上,使探頭傾角及面向角處于絕對零位,。這時探頭上電,運行主程序,傳感器測得的數(shù)據(jù)即為因安裝而形成的固定偏差,。把測得的數(shù)據(jù)寫入Flash存儲模塊中鎖定,使以后程序不能再對此段程序存儲單元進(jìn)行改寫,掉電后也不會被擦除。探頭以后上電工作通過對特定存儲單元數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷,不再執(zhí)行上述過程,。但將傳感器每次測量所得數(shù)據(jù)減去第一次上電所測偏差值,即得絕對測量值,。在對Flash操作前先要停掉看門狗,防止操作期間看門狗定時器溢出。該子程序流程如圖6所示,。

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