（检测技术与自动化装置专业论文）水平定向钻进跟踪导向仪中导向系统的研究.pdf

摘要 摘要 随着非开挖技术的迅猛发展及其在中国的兴起，水平定向钻进技术在目前城市管道 铺设等方面起着越来越重要的作用，相应地对水平定向钻进中各种参数的测量也要求越 来越高，本设计主要针对水平定向导向仪系统的软件和硬件部分进行了研究与设计。 其中本文的重点是设计非开挖地下钻头，利用超低功耗的主芯片m s p 4 3 0 f 1 4 9 设计， 利用一系列传感器和外围电路，用来检测在地下钻头的具体方位，以及温度。并且由甚 低频技术将数据传到地面本文内容如下： l 、对基于加速度计和磁强计的组合来进行姿态测量的随钻测量方法进行了研究； 并用h m c 2 0 0 3 和a d x l 3 3 0 完成了对地下钻头姿态的测量。 2 、温度测量和电池电量的测量选用了t i 公司的低功耗芯片b q 2 6 2 2 0 ，外围电路简 单，使用非常方便。 3 、涉及到了甚低频无线通信和高频无线通信。十分方便的解决了数据从地下一直 传到地上p c 机的难题。 4 、解决了由于使用电池电源而带来的低功耗的问题，使本系统即充分的利用了电 池电量，又在保证完成工作要求的前提下尽量降低功耗，节省用电。 关键词：水平定向钻进超低功耗单片机h m c 2 0 0 3a d x l 3 3 0c c l1 0 0x e l 2 0 9 东南大学硕上学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y s ，w i t ht h er i s i n go ft r e n c h l e s st e c h n o l o g yf a s td e v e l o p i n gi nc h i n af l e e t l y , h o r i z o n t a ld i r e c t i o n a ld r i l l i n g ( h d d ) t e c h n o l o g yh a sb e c o m ew i d e l yu s e di nav a r i e t yo f u n d e r g r o u n dp i p e l i n e sl a y e di nc i t i e s a c c o r d i n g l yt h en e e df o rt r a c km e a s u r e m e n ti si ng r e a t d e m a n d t h e r e f o r et h ee m p h a s i so ft h i sd i s s e r t a t i o ni st os t u d ya n dd e s i g nt h eh d d s y s t e m i n c l u d i n gh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n 0 fa 1 1 t h em o s ti m p o r t a n tm o d u l ei st os t u d yt h e 仃e n c h l e s su n d e r g r o u n da i g u i l l e 谢t l l h o r i z o n t a ld i r e c t i o n a ld r i l l i n gt e c h n o l o g y i ti sd e s i g n e db yt h ec p um s p 4 3 0w h i c hi sl o w p o w e rm i c r o p r o c e s s o ra n dw i t has e r i e so fs e n s o r sa n dp e r i p h e r a lc i r c u i t st od e t e c tt h e o r i e n t a t i o na n dt e m p e r a t u r eo ft h eu n d e r g r o u n da i g u i l l e ，a l s os e n dt h ed a t ad e t e c t e dt ot h e g r o u n d t h em a i nc o n t e n t so ft h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： 1 、s t u d yt h em e t h o do fa t t i t u d ed e t e r m i n a t i o nf o rt h eh d ds y s t e mb a s e do nm u l t i a x i s a c c e l e r o m e t e ra n dm u l t i a x i sm a g n e t o m e t e r a n dm e a s u r et h ea t t i t u d eo fh d d 晰t l l h m c 2 0 0 3a n da d x l 3 3 0 2 、w i t ht h eh e l po fl o w - p o w e rc h i pb q 2 6 2 2 0m a d ef r o mt ic o m p a n y ，w ec a nm e a s u r e b o t ht h et e m p e r a t u r ea n dt h eb a t t e r yc a p a c i t y ，t h ep e r i p h e r a lc i r c u i ti ss os i m p l ew h i c hi sv e r y e a s yf o rd e s i g n e rt ou s e 3 、t h i sd i s s e r t a t i o ni n v o l v e sb o t hu l t r a l o wf r e q u e n c yc o m m u n i c a t i o na n dh i g h 盘e q u e n c y c o m m u n i c a t i o nw h i c hi sag o o dw a yt or e s o l v et h ep r o b l e mt h a ti ti sh a r df o rt h ed a t au n d e r t h eg r o u n dt ot r a n s m i tt op co nt h eg r o u n d 4 、b e c a u s et h i ss y s t e m sp o w e ri ss u p p l i e db yb a t t e r y , s ot h el o w - p o w e rt e c h n o l o d yi s i m p o r t a n tf o rt h eh d ds y s t e m t h i sd i s s e r t a t i o ns o l v e dt h i sp r o b l e mt h a ti tn o to n l ym a k ef u l l u s eo ft h eb a t t e r yc a p a c i t yb u ta l s od e c r e a s e dt h ep o w e rc o n s u m p t i o n k e y w o r d s ：h d d ，u l t r a l o wp o w e rm i c r o c o n t r o l l e r , h m c 2 0 0 3 ，a d x l 3 3 0 ，c c 110 0 ，x e l2 0 9 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书雨使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：牡日 期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：单导师签名：论垦! 弛日舭坦 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 i i i 非开挖技术概述i l 第一章绪论 非开挖技术( h d d ) 是利用岩土钻掘的各种技术手段，在地表以最少的开挖量或 不需开挖的条件下铺设、更换或修复各种地下管线的一种施工新技术。它将传统的“挖 槽铺管与修复”施工方式改为“钻孔铺管与修复 ，是地下管线施工的一项技术革命， 可用于铺设直径在4 0 r a m 至2 5 0 0 m m 的各种地下管线，一次性铺设距离可达上千米。 非开挖技术已有近百年的历史，但直到2 0 世纪7 0 年代末才在西方发达国家开始形成 真正意义上的现代非开挖技术。现代非开挖技术是以岩土钻凿、隧道掘进、物探等技术 领域为背景，在现代机械工程、自动控制、遥感遥测、导航定位、数据通信等学科相关 技术支撑下，以主要面向地下管线建设而逐步形成的一门多学科交叉的综合技术体系。 该技术体系不仅包括地下管线的铺设、更新和修复等近百种工艺方法，也涵盖众多相关 的设备、机具、仪器和器材等非开挖管线工程装备。 非开挖技术已有近百年的历史，但从7 0 年代末才开始有真正的现代非开挖技术。 与传统的挖槽施工法相比，非开挖技术避免了地面“开膛破肚”和“马路拉锁 现象， 具有不影响交通、不破坏环境、施工周期短、综合成本低、社会效益显著等优点，可广 泛用于穿越公路、铁路、建筑物、河流、湖泊，以及在闹市区、古迹或植被保护区等进 行市政、供水、煤气、电力、电讯、石油、天然气等管线的铺设、更新和修复。此外， 非开挖技术还可用于各种降水工程、隧道工程、基础工程和环境治理工程。 非开挖技术自j 下式进入工程施工市场至今，在短短的2 0 余年时间内，以其独特的技 术优势和广阔的技术前景，日益得到欧美发达国家的重视和提倡，并取得较好的社会和 经济效益。如美国克林顿政府在1 9 9 4 财政年度批准的为期七年，投资2 5 亿美元的“先 进的钻探和掘进技术国家计划”( n a d e t - - n a t i o n a lp r o g r a mf o ra d v a n c e dd r il li n ga n d e x c a v a t i o nt e c h n 0 1 0 9 i e s ) 就把此项技术列入城市基础设施和建筑j i k 发展规划中，以 增强美国在该领域内的技术领先和市场竞争优势。此外，英国曼彻斯特工业大学、美国 刘易斯安娜理工大学、德国波鸿大学等高等院校及时适应产业结构调整的需要，相继设 立了非开挖技术专业和相应的研究机构，以培养该领域的专业技术人才。由于地下管线 的现状和地层条件的不同，各个国家所使用的方法各有侧重。例如，在日本，主要是使 用微型隧道施工法来铺设交通拥挤、道路狭窄的市内污水管道；在美国，由于石油天然 气和通讯工业的发展需要铺设大量的石油和天然气输送管道，其中要穿越一些地表障碍 物( 如河流、铁路、高速公路等) ，因而定向钻进和导向钻进施工法的发展极为迅速， 并得到广泛应用。 伴随着全球经济的持续发展、人口的迅速增长和城市化进程的加快，加之人们对环 保意识的增强和对生活质量的关注，可以说现在以及将来非开挖技术必定在全球发展成 为一项政府支持、社会提倡、企业参与的新技术产业，成为城市现代化进程中的一项关 键技术。 i i 2 非开挖技术的发展及现状1 5 捌 非开挖技术的出现不仅导致了现代非开挖技术的崛起，也一直是非开挖领域中占据 主导地位的技术。从其发展历史来看，其大致可以分为四个不同的阶段： l 、起步阶段( 2 0 世纪7 0 年代) 东南人学硕士学位论文 早在2 0 世纪6 0 年代，贝尔实验室就致力于可控向和可跟踪的水平钻进工具的研制， 集中试验了压缩空气驱动的冲击式钻具，其中包括斜面钻头、钻具后端起导向作用的活 动节以及铰链等工具体，但都没有达到商业化应用的程度。1 9 7 1 年才由m a r t i n c h e r r i n g t o n 第一次成功地实现定向钻进铺设管线，这也标志着h d d 技术的诞生。此 后，利用h d d 铺管技术在美国完成多次穿越施工。 2 、改进阶段( 1 9 8 0 年1 9 8 4 年) 这一时期，由于美国地下电力和天然气产业的蓬勃发展，美国的电力研究所( e p r i e 1 e c t r i cp o w e rr e s e a r c hi n s t i t u t e ) 在液射流技术的地下钻进方法方面投入了大 量的研究，并于1 9 8 3 年研制成功了射流钻掘器。这种钻进工具主要是利用高压水射流 来达到排开土体的目的，目前的定向钻进技术仍然沿用了这种施工工艺。 3 、发展阶段( 1 9 8 5 年1 9 9 4 年) 这期间，美国许多科研机构对定向钻进系统和精确定位系统的结合方式进行了大量 的研究，实现了精确定位系统、斜面钻头和液射流技术的结合，形成目前定向钻进技术 的雏形。其中u t i l x ( f l o w m o l e ) 公司1 9 8 5 年推出的g u i d ed r i l lt u n n e l l i n gs y s t e m 被看作第一台具有现代意义上实际应用价值的定向钻机。 4 、多样化阶段( 1 9 9 5 年现在) 从9 0 年代中期开始，经过前一阶段的实践检验，h d d 技术己成为优选的非开挖 管线施工手段，h d d 系统的生产和应用开始产生飞跃。技术的不断革新，不仅使水平 定向钻机呈现多样化和系列化，可靠性大大提高，而且使施工技术日臻完善，施工成本 大幅度下降。 目前，西方发达国家有几十家著名的生产h d d 系统的公司，如美国的a u g e r s 公 司、d i t c hw i t c h 公司、y e r m e e r 公司，英国的p o w e r m o l e 公司、s t e v ev i c k 公司，德 国的f l o w t e x 公司、t r a c t o t e c h n i k 公司，意大利的t e c n i w e l l 公司，瑞士的t e r r a 公司等，这些公司的产品覆盖从微型到超大型钻机的所有规格，基本上垄断了国际市场。 另外，全球生产的h d d 钻机总数也在稳步增加，全球对h d d 钻机的需求与日俱增，已 进入市场的钻机总数多达2 万多台。水平定向钻进的市场分布也呈多元化趋势。同时， 用水平定向钻进工艺进行管线铺设的工程量也在不断增加。据估计，仅在美国和加拿大， 每年用定向钻进工艺铺设的地下管线总长度就达6 1 0 0 2 2 5 0 0 k m ，占全部地下管线工程 量的1 0 以上。 我国近1 0 年来非开挖设备的国产化速度显著加快，比如杭州海博地基公司与中地 大( 武汉) 联合，己成功研制出新型的导向钻进无线导航仪原理机，部分测试参数如深 度、钻具面角、俯仰角的测试精度已基本满足实用要求。2 0 0 3 年夏季，中铁1 2 局第7 工程处在中国地质大学的技术协作下，在湖南酩阳火电厂灰坝采用带无线导向探测的 “钻顶结合”的非开挖施工工艺，成功实现了四口集水辐射并间的水平导流管对穿，铺 管最深达3 2 m 。水平定导向钻机的研发成绩也十分突出，目前生产水平定向钻机的厂 家除了深圳钻通、北京土行孙、河北廊坊勘探技术研究所、徐工集团、中联重科、上海 隧道股份有限公司、中南冶金等公司外，还有部分高校及科研院所，如清华大学、同济 大学、重庆大学、上海市政工程院、浙江大学等也在研发定向钻机，这对提高非开挖设 备性价比，促进我国非开挖事业的蓬勃发展意义重大。 总体上我们国内钻机普遍系统配置低，技术含量少、品种单一缺少创新和知识产权。 我国的导向设备研究基本还处于空白状态，已进入市场的导向设备全部进口，而且价格 昂贵，以雷迪公司的产品为例，其研制的d r i l l t m c k 非开挖定向钻进导向仪售价2 0 万元， 而且维修不方便。集中国内优势企业力量，研发过江河与长距离穿越工程的大型设备是 一个尖端方向。而微小型和可拆卸性好的轻型非开挖设备更是国内市场看好的研发趋 势，因为许多工程的场地受到严格限制，例如城市拥挤的街巷、陡峭边坡和隐蔽的竖井 等。另外除定导向钻机和微型隧道机以外，其他非开挖工法设备( 如气动矛、夯管锤、 2 第一章绪论 控向螺旋机、管道修复机、管道更换机等) 的国产化进程需要加快，数量需要增多 1 1 3 水平定向钻进技术的麓工原理m 1 1 、水平定向钻进技术的关键部分是导向孔钻进技术，它利用放置在钻头附近的探 头发射信号，定向仪器可随时测量出钻头位置、深度、各个姿态角等参数，与钻机配合 及时调整方向，实现有目标的引导式钻进，即定向钻进。 2 、典型的非开挖定向钻头铺管作业可以分为导向孔施工、分级扩孔以及管线回拖 三个阶段。施工时，首先利用专门的水平定向钻机钻出小口径的导向孔，钻进过程中通 过导向钻头和随钻测量系统( 包括地下随钻测量探头和地面定位仪) 保证钻孔按照设定 轨迹延伸，并从另一。端钻出地表，如图卜i 所示。然后用扩孔钻头换下导i 1 钻头，根 据工作管的要求逐级扩孔达到需要的孔径尺寸。扩孔完成后，在出口处将管线通过旋转 接头和拉管头连接到钻杆上利用钻机一边回转，一边回拖，同时通过钻杆输送钻进液， 直至将待铺管线回拖入孔内，如图卜2 所示 地下探头 圈1 1水平定向钻进中的导向孔施工 图i _ 2水平定向钻进中的扩7 l 及管线回拖 3 、定向钻进技术的一个显著特点是钻孔轨迹不要求必须为直线，可实现弯曲钻进。 正是因为这样，才能根据实际要求绕过各种障碍物，如铁路、房屋、河流等，实现智能 可控定向钻进。钻进系统的导向功能是通过斜面钻头来完成的，其导向原理如图l 一3 所 | 日 一日 东南大学硕i 学位论文 当钻头一边旋转一边给进时，则钻出一个直孔，实现直线钻进；当钻头只给进而不 旋转时，出于斜面钻头受到的阻力，钻空向斜面朝向的方向弯曲，这样，只要事先调整 好斜面方向，就可根据要求实现可控钻进。下面给出现场工人施工图片如图1 - 4 ： 1 i 4 水平定向钻进技术的主要优势及应用 水平定向钻进铺管技术的诞生，导致了铺管领域的一次技术性革命，其主要优势为： l 、不丌挖路面，避免开挖施工对居民正常生活的干扰，以及对交通、环境、周边 建筑的破坏和不良影响，提高了城市建设的文明程度。 2 、不开挖旆工，使得无法开挖( 河流、建筑、重要交通干线) 和不宜开挖( 主干 道、闹市区、古迹、重要场所) 地段的铺管得以实施。 3 、定向钻进可以按最短的合理路径穿越河流、湖泊、铁路、公路、城市建筑物等， 避免了管道绕行，施工效率高，节约材料消耗，降低施工费用，而传统的开挖施工是无 法做到的。 4 、水平定向钻进铀管技术可以高精度地控制地下管线的铺设方向、埋深，实现曲 第一章绪论 线钻进，并可使管线绕过地下障碍。 5 、有较好的经济效益和社会效益，在可比性相同的情况下，非开挖管线铺设的综 合经济效益和社会效益均高于开挖施工，管径越大、埋深越大时越明显。 由于定向钻进日益成熟的技术和突出的优点，其应用范围不断拓宽，如今不仅应用 在非开挖管线铺设领域，而且可用于地矿、冶金、石油等领域，用来实现地下的地质勘 探及资源开采，还可用于其它一些特殊的地下场合。 在军事领域，定向钻进也有广阔的应用前景，它不仅可以实现复杂条件下军用管线 的铺设，而且可以实现地下危险区域的勘探、信息采集等工作，如穿越繁忙高速公路或 河流的军用光缆的铺设，地下核试验后的坑道区域的土壤数据的自动采集，等等。目前 定向钻进是实现上述意图最优的方法。 1 2 水平定向钻进跟踪导向仪概述p - 1 伽 随钻测量是指在钻进的同时连续不断地检测有关钻孔信息的测量技术，它的实现是 靠定位导向仪器来实现的。定位导向仪器是水平定向钻机施工的必备设备。在开钻前， 可用导向仪器对已埋设施进行定点定位，规划设计一条安全优化的轨迹，避开原有地下 管线和电缆。钻进作业中，可随时跟踪钻头的位置和姿态，掌握钻头的运动状态。 图1 5 水平定向跟踪导向仪结构示意图 如图卜5 所示，一个典型的非开挖导向系统由三部分组成：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。( 1 ) 如图卜6 所示，地下探头由传感器部分、 调制与功放部分、天线部分和电池电路部分等组成，主要完成钻头的姿态测量( 倾角、 工具面向角、方位角测量) 和温度、电池电量等参数的检测，测得的数据经过微处理器 进行处理并通过一定的接口给无线发射电路和发射线圈，编码信号被调制在载波上通过 线圈向地表发射电磁波信号。( 2 ) 地面手持式定位跟踪仪在地面上接收发送的电磁波 信号，根据信号的强弱对探头进行定位、定深，并将地下探头发送来的角度等各项参数 在显示面板上显示出来，并将数据通过高频无线发射电路发送给远端监视设备。 ( 3 ) 远端监视设备通过无线的方式接收数据并在p c 机进行处理并显示出来，使钻具信息在 远端可知道钻头具体的行进状态，保证施钻人员顺利操作和控制。 5 东南大学硕上学位论文 图1 - 6h d d 导向孔施工原理图 1 3 论文研究的主要内容 本文针对国内水平定向钻进设备主要依赖进口，而且在引进国外先进技术的过程中 遭遇到强大的技术壁垒的现状，自主地研发了一套非开挖水平定向钻进系统导向仪，并 对水平钻进轨迹的优化进行了研究。具体内容如下： 1 、地下以超低功耗单片机m s p 4 3 0 f 1 4 9 为核心，利用电池供电，并配有电池充电、 电池电压测量和管理模块，设计并研制了能够完成倾角、工具面向角、方位角、温度等 参数的测量并进行无线发送的地下传感器探头样机一台；完成了地下传感器探头的软件 设计，包括倾角测量、工具面向角测量、方位角测量、温度测量、电池电压测量和甚低 频模块x e l 2 0 9 无线发送。 2 、地面上用甚低频无线接收地下传来的数据，并在液晶上显示出来；通过键盘控 制并用高频无线模块c c l l 0 0 将数据发送给远端监控设备。 3 、根据电磁场在土壤中的衰减特性，需要选择适合地下传播的甚低频电磁波，在 此基础上，选择了合适的无线发射芯片，搭建了合适的外围电路，完成了甚低频发送的 设计。 4 、根据加速度计和磁强计测量所得的数据，来进行姿态参数测量理论模型及解算， 得出钻头在地下的具体姿态。 1 4 论文的组织结构 本文共分六章，内容安排如下： 第一章绪论。阐述了论文的选题背景及意义，在分析了水平定向钻进系统的国内 外研究现状的基础上，具体分析了本系统的具体组成及施工原理。并在此基础上阐述了 本文的主要内容。 第二章具体讲解了非开挖水平定向钻进系统的总体设计。介绍了水平定向钻进系 统各模块的组成，并对系统的关键技术进行了阐述。 第三章系统的抗干扰技术及低功耗设计。具体分析了系统设计时所采用的具体抗 干扰措施及硬件和软件方面的低功耗设计。 第四章导向仪的硬件设计。详细论述了系统中各个参数的测量原理及测量方法， 完成了处理器模块、电池模块、测量模块、无线发送模块等各模块的硬件设计。 第五章导向仪的软件设计。首先给出了系统的总体软件设计，然后分别对各个模 块的软件进行了设计，包括姿态测量模块、温度测量模块、电池电压测量模块和无线发 送模块。 第六章总结和展望。总结全文的研究成果，并展望下一步应该进行的研究工作。 6 第二章导向检测系统的总体设计 第二章导向检测系统的总体设计 由第一章可知，整个水平定向钻进跟踪导向仪由地下传感发射探头以及地面上的手 持式定位跟踪仪和远端监视设备三部分组成，如图卜4 。 2 1 地下传感发射探头 地下探头由电池部分( 四节五号镍氢电池) 、天线部分( 带磁芯的线圈) 、调制与功 放部分以及传感器部分组成，完成钻孔倾角、工具面向角、方位角、电池电量和温度等 参数的检测，测得的数据经过微处理器进行处理送给发射电路和发射线圈，编码信号被 调制在载波上通过天线向地面上发射电磁波信号。 由图2 1 可见，整个地下传感发射探头由电池电源模块、温度测量模块、电池电量 测量模块、充电模块、方位角、倾角、工具面向角测量模块以及甚低频无线模块组成。 图2 一l 地下传感发射探头模块 各个模块的使用的原因和具体实现： l 、m c u 模块：由于系统用电池供电，所以我们需要在完成系统功能的前提下，功 耗要得到最大程度的降低。所以我们选用t i 公司的超低功耗芯片m s p 4 3 0 f 1 4 9 。 2 、电池电源模块：4 节镍氢电池的额定电压是4 8 v ，但是由于电池在使用过程中 其电压会随电量的消耗而慢慢减少，所以为了能充分利用电池的使用效率，我们通过 m c 3 4 0 6 3 模块将其电池的电压稳定升压到5 v ，然后通过d c - d c 模块如l m l l1 7 系列将5 v 电压稳压到我们需要的各种电压：3 3 v 、2 5 v 等。 3 、温度、电池电量测量模块：由于钻头在地下钻进过程中，会碰到硬度较大的岩 石甚至于金属块，由于剧烈的摩擦而产生很大的热量，会短时间使钻头内温度升高，所 以需要有温度测量模块来检测这种情况，从而通知施工人员改变钻头钻进方向；又由于 系统是电池供电，为了防止施工过程中电池电量低不足以给系统供电的情况，所以需要 有电池电量测量模块来检测，以通知施工人员充电或更换电池。这两个模块的实现都可 以用一片b q 2 6 2 2 0 芯片来实现，b q 2 6 2 2 0 是t i 公司设计的专门的电池监测：芯片，里面 也集成了温度监测功能，由于本系统对温度的精度不高，所以完全可以利用b q 2 6 2 2 0 7 东南大学硕十学位论文 的温度监测功能，以节约电路，节约成本。 4 、姿态测量模块：该模块用以来检测钻头在地下三维空间里的具体姿态。具体包 括方位角测量、倾角测量、工具面向角的测量。具体实现需要用三个加速度计和三个磁 强计联合使用来测出。其中三个加速度计分别按照垂直正交三个方向放置，主要用来测 量方向和大小已知的地球重力加速度在三个方向的分量；三个磁强计也和加速度计一 样，分别按照垂直正交三个方向放置，主要用来测量方向和大小已知的地磁场在三个方 向的分量，然后根据一定的算法和方位运算，可以得到钻头的具体姿态。加速度计我们 选用a d 公司的低功耗三轴加速度计a d x l 3 3 0 ，该模块集成了三个方向上的三个加速 度计；磁强计我们选用霍尼韦尔公司的低功耗三轴磁强计h m c 2 0 0 3 ，该模块集成了三 个方向上的三个磁强计。这样选择避免了安装上的不便，也节约了体积。 5 、甚低频无线发送模块：由于无线传输的介质是泥土，对于高频波其损耗非常大， 所以，我们选用甚低频模块x e l 2 0 9 来实现地下钻头和地面工作人员之间的通信。 6 、充电模块：由于系统是电池供电，为了提高电池使用效率，也避免产品经常被 取换电池，我们设计了在线充电模块，该模块使用美信公司的m a x 7 1 3 芯片。 2 。2 地面手持式定位跟踪仪 地面手持式定位跟踪仪接收地下钻头发送的电磁波信号，根据信号强弱和相位信息 对探头位置进行定位、定深，并将地下探头发送来的角度等各项参数在显示面板上显示 出来，并通过高频无线模块将有效的数据发送给远端监视设备。具体模块如图2 2 所示。 图2 2 地面手持定位跟踪仪模块 各个模块的使用的原因和具体实现： l 、甚低频无线接收模块：对应地下钻头的设计，我们也采用x e l 2 0 9 甚低频模块 来接收地下传来的电池波信号，并根据信号强弱和相位信息对探头位置进行定位、定深。 2 、远端高频无线发射模块：系统需要将地下钻头传上来的数据，经过处理后发给 8 第二章导向检测系统的总体设计 远端监视器显示，通知施工人员对钻进方向进行控制，所以需要无线通信。由于传输的 介质是空气，所以我们可以选用市场上技术比较成熟的高频无线模块。这里我们选用 t i 公司的c c l l 0 0 无线发射模块，c c l l 0 0 有几种可选频段，根据国际通用协议i s 0 i e c 1 8 0 0 0 6 ，这里我们选择9 1 5 删z 3 、键盘液晶模块：人体输入显示设备。其中液晶选用d g l 2 8 6 4 点阵式l c d 。 4 、电池电源模块、充电模块、电池电量模块设计思路与前面的设计思路相同，这 里不再赘述。 2 3 远端监视设备 远端监视设备通过无线的方式接收地面手持设备发送来的数据并在电脑上显示，以 便顺利操作。并且通过串口方式将无线接收来的数据传给电脑来显示，框图如图2 3 所 刁o 图2 3 远端监视设备 1 、对应地面手持设备的无线通信模块，我们通过高频无线c c l1 0 0 模块进行接收 数据以便实时来控制钻头的钻进方向。 2 、串口部分我们采用m a x 3 2 3 2 芯片。 3 、电源部分我们可以通过采用电脑p c 机上的u s b 电源，u s b 协议规定其电压为 5 v , 最大可输出电流为5 0 0 m a ，完全可以满足本系统的电源要求。 4 、数据的显示以及相关运算在电脑上可以由v i s u a lc h 乇o 软件来实现，由于篇幅 关系，本文没有涉及。 2 4 本章总结 综上所述，本文在设计上有如下特点： 1 、本系统是电池供电，所以如何最大效率的利用电池的电源模块是本人的一大特 点。 2 、低功耗。低功耗不仅需要选择低功耗耗电少的硬件芯片，还有在软件设计上也 要尽量节约系统资源，降低功耗。 3 、抗干扰。系统抗干扰性能是可靠性的重要指标。由于系统工作的环境比较恶劣， 所以在设计上需要充分考虑到抗干扰的因素。 4 、姿态定位。通过两个加速度计和磁强计芯片，加上一定的算法，可以得出一个 物体在空间的具体位置。 9 东南大学硕十学位论文 5 、无线通信。本人设计了甚低频和高频无线通信。其中甚低频模块涉及到军事安 全，所以网上资料非常少，市场上甚低频无线芯片也比较难买到。 1 0 第三章系统抗干扰技术及低功耗 第三章系统抗干扰技术及低功耗设计 3 1 系统低功耗设计 由于本系统由电池供电，电池电量有限，为了使系统能够工作更长的时间，因此系 统的功耗问题成为设计的重点问题。而系统的低功耗设计需要从硬件和软件上入手。 3 1 1 硬件设计上的低功耗 硬件上的低功耗，主要是需要选择具有低功耗的功能芯片。 1 、m c u 的选择：m c u 器件的选择是整个系统低功耗的关键，其功能不光是硬件 上的范畴，还关系到软件的低功耗实现。所以我们选择t i 公司的低功耗芯片 m s p 4 3 0 f 1 4 9 。除了其自身工作时耗电低外，还有5 种节电模式，和多种中断可在节电 模式下发生，方便软件编程时的低功耗选择。 2 、地下钻头的主要外围低功耗器件选择： ( 1 ) 姿态测量上：加速度计选择a d 公司同类产品中功耗最低的a d x l 3 3 0 ，其功 耗电流在2 v 供电的情况下测得仅为2 0 0 u a ，比同类器件的功耗典型值降低了5 0 ，并 且还集成了3 片加速度计；磁强计选择了霍尼韦尔公司的三轴磁强计，其功耗电流最大 为2 0 m a 。这两者都选用了三轴器件，节省了器件数量，间接也达到了降低功耗的目的。 ( 2 ) 电源部分的电池升压芯片选用m c 3 4 0 6 3 ，没有负载时，消耗的电流仅为1 6 m a ， 升压效率可达9 0 。并且此电源模块还有保护电路，防止短路的功能。线性d c d c 芯片 选择l m l1 1 7 系列，其静态电流典型值为5 m a 。 ( 3 ) 电池测量和温度测量模块选择t i 公司的低功耗芯片b q 2 6 2 2 0 ，其芯片集成了 电池电量的测量和管理，以及温度检测的功能，在设计上不需要再加上测温芯片，也间 接的达到了降低功耗的目的。其本身工作模式下电流消耗仅为3 0 u a ，休眠模式下电流 消耗仅为l u a 。 ( 4 ) 甚低频无线发射模块：x e l 2 0 9 等待模式下电流消耗仅为1 u a ，发送模式下电 流消耗1 8 m a 、3 5 m a 、7 5 m a 、3 0 m a 、6 0 m a 、11 0 m a ，可以通过软件选择。 3 、地面手持式定位跟踪仪，由于在地面上可以方便更换电池，所以低功耗的要求 可以稍微低一些，下面给出其主要外围低功耗器件选择： ( 1 ) 液晶模块：选用d g l 2 8 6 4 模块，其工作时典型电流为7 m a 。此液晶模块还具 有软件开关l c d 的功能，方便软件编程在不需要显示时关闭l c d ，节省功耗。 ( 2 ) 高频无线发射模块：选用c c l1 0 0 模块，其能耗非常低，它具有两种低功耗 工作模式：关机模式和空闲模式。在关机模式下，此时的工作电流小于9 0 0 n a ；空闲模式 下只需要1 9 m a ；发送模式下，0 d b m 的输出功率下只需1 6 6 m h 的工作电流( 9 1 5 m 下) 。 ( 3 ) 甚低频无线发射模块：选用x e l 2 0 9 芯片，等待模式下电流消耗仅为1 u a ， 接收模式下电流消耗仅为2 0 0 u a 。 ( 4 ) 电源部分和电池测量部分：与地下钻头设计一样。 4 、远端监视模块：由于使用p c 机的u s b 供电，所以不需要太考虑低功耗的问题。 3 1 2 软件设计上的低功耗1 1 l i 很多人认为：“降低功耗都是硬件人员的事，与软件没关系 ，其实不然，硬件只是 搭个舞台，唱戏的却是软件，总线上几乎每一个芯片的访问、每一个信号的翻转差不多 东南大学硕：t 学位论文 都由软件控制的，如果软件能减少外存的访问次数( 多使用寄存器变量、多使用内部 c a c h e 等) 、及时响应中断( 中断往往是低电平有效并带有上拉电阻) 及其它针对具体 单板的特定措施都将对降低功耗作出很大的贡献。下面给出软件上低功耗设计的要点： l 、用“中断”代替“查询” 一个程序使用中断方式还是查询方式对于一些简单的应用并不那么重要，但在其低 功耗特性上却相去甚远。使用中断方式，c p u 可以什么都不做，甚至可以进入等待模式 或停止模式；而查询方式下，c p u 必须不停地访问i o 寄存器，这会带来很多额外的功 耗，尤其是对本系统而言，在整个钻头的工作时间里，并不需要无时无刻的检测钻头的 姿态，温度等，所以如果选用查询方式，会大大的浪费了c p u 的资源。所以，对于本 系统来说，利用m c u 的中断功能结合m c u 的低功耗睡眠功能来基本完成本系统的设 计，是软件设计的基本思路。其具体实现如下： 对于我们m s p 4 3 0 单片机来说，有5 中低功耗模式。这5 种低功耗模式分别为 l p m o l p m 4 ( l o wp o w e rm o d e 0 - - 4 ) ，c p u 的活动状态称为a m ( a c t v em o d e ) 模 式。其中a m 耗电最大，l p m 4 耗电最省，仅为0 1 u a 左右。 m s p 4 3 0 系列单片机的各个模块都可以独立运行，如定时器、输入输出端口、a d 转换、看门狗、液晶显示器等都可以在c p u 休眠的状态下独立工作。若需要主c p u 工 作，任何一个模块都可以通过中断唤醒c p u ，从而使系统以最低功耗运行。 让c p u 工作于突发状态可以充分利用c p u 的低功耗性能。通常，使用软件将c p u 设定到某一低功耗模式，在需要时使用中断将c p u 从休眠状态中唤醒，完成工作后又 可以进入相应的休眠状态。如：让c p u 工作在l p m 3 状态，通过中断事件转换到a m 活动模式，根据运行需要，又可以从a m 状态进入相应的低功耗模式：l p m 0 l p m 3 或 l p m 4 。所以，系统的这些低功耗特性是靠系统对中断的响应来实现的。系统响应中断 的过程：( 1 ) m c u 进入低功耗睡眠模式( 2 ) 硬件自动中断服务。包括p c 入栈、s r 入 栈；中断向量赋给p c ；g i e 、c p u o f f 、o s c o f f 和s c g l 清除；以及i f g 标志位清除 ( 单源中断标志) 。( 2 ) 执行中断处理子程序，在中断返回之前唤醒m c u ( 如果此次中 断需要唤醒m c u 的话) 。( 3 ) 执行中断返回指令，包括s r 出栈；p c 出栈。 具体的实现：工作模式的选择由状态寄存器s r 中的s c g l 、s c g 0 、o s c o f f 、 c p u o f f 位控制。由于在c p u 的头文件中对c p u 内的各寄存器和模块的各种工作模式 都作了详尽的定义，所以编程时尽可能的利用就是了。如：要进入低功耗模式0 ，可在 程序中直接写：l p m 0 ；l p m 4 。进入低功耗模式4 ，可以写：l m p 4 ；就可以了。退出低功 耗模式如下： l p m 0e x i t ； 退出低功耗模式o l p m 4e x i t ； 退出低功耗模式4 2 、用“宏”代替“子程序” 程序员必须清楚，读r a m 会比读f l a s h 带来更大的功耗。因为c p u 进入子程序时， 会首先将当前c p u 寄存器推入堆栈( r a m ) ，在离开时又将c p u 寄存器弹出堆栈，这 样至少带来两次对r a m 的操作。因此，程序员可以考虑用宏定义来代替子程序调用。 对于程序员，调用一个子程序还是一个宏在程序写法上并没有什么不同，但宏会在编译 时展开，c p u 只是顺序执行指令，避免了调用子程序。唯一的问题似乎是代码量的增加。 目前，单片机的片内f l a s h 越来越大，对于一些不在乎程序代码量大一些的应用，这种 做法无疑会降低系统的功耗。 3 、尽量减少c p u 的运算量 减少c p u 运算的工作可以从很多方面入手：将一些运算的结果预先算好，放在f l a s h 中，用查表的方法替代实时的计算，减少c p u 的运算工作量，可以有效地降低c p u 的 功耗：不可避免的实时计算，算到精度够了就结束，避免“过度”的计算；尽量使用短的 数据类型，例如，尽量使用字符型的8 位数据替代1 6 位的整型数据，尽量使用分数运 1 2 第三章系统抗干扰技术及低功耗 算而避免浮点数运算等。还有，如果多系统工作，尽量将运算量大的程序分给不需要低 功耗的系统来做。例如本系统中，地下钻头的姿态测量模块，加速度计和磁强计将采集 到的数据通过无线传送到远端监视设备的p c 机上由p c 来解析其姿态并显示出来，从 而大大减轻了地下钻头m c u 的负担。 4 、让i o 模块间歇运行 不用的i o 模块或间歇使用的i o 模块要及时关掉，以节省电能。不用的i o 引脚 要设置成输出或设置成输入，用上拉电阻拉高。因为如果引脚没有初始化，可能会增大 单片机的漏电流。特别要注意有些简单封装的单片机没有把个别i o 引脚引出来，对这 些看不见的i o 引脚也不应忘记初始化。 总结：一个成功的低功耗设计应该是硬件设计和软件设计的结合。从硬件设计开始， 就应该充分意识到一个低功耗应用的特性，选择一款合适的单片机，通过对其特性的了 解，设计系统方案；在软件设计上，要考虑到低功耗编程的特殊性，并尽量使用单片机 的低功耗模式。 3 2 系统的抗干扰技术【亿1 4 】 地下传感器探头系统的可靠性是由多种因素决定的，其中系统抗干扰性能是可靠性 的重要指标。抗干扰性能的好坏将决定系统能否在地下复杂的工作环境下稳定可靠地工 作，从而决定了系统的实际使用价值。要本着尽量控制噪声源、减小噪声的传播与耦合、 减小噪声的吸收这三大原则来设计印刷电路板和布线。 3 2 1 印刷电路板整体布局与连线 要使一个系统工作稳定可靠，除了需要选择高质量的元器件之外，还需要设计合理 的电路外，另# i , f 4 j 届u 线路板上元器件的正确布局和合理的电气连线都至关重要。通常一 个系统可分三区，即模拟电路区( 1 0 干扰) 、数字电路区( 既怕干扰又产生干扰) 和功 率驱动区( 干扰源) 。正确的布局和合理的电气连线，即可消除因元件布置和电气布线 不当而产生的噪声干扰。 1 、印刷电路板的布局 首先要确定p c b 板的尺寸。在本系统中，印刷电路板的几何尺寸受到钻腔大小的 限制，大小要适中，又要有利于元件放置和电气连线。一般来说，在允许的几何尺寸范 围内，如果印刷电路板尺寸过大，则印制线条会变长，导致阻抗增加，抗噪声能力下降， 成本也增加；而尺寸过小，也有不利的因素，如电路板散热性能不好，且邻近导线间容 易产生交叉干扰。 接着，根据电路的功能单元，需要对电路的全部元器件进行整体布局，首先将模拟 电路区( 对噪声和干扰敏感的区域) ，功率元件区( 干扰源) ，数字电路区( 既产生干扰 又怕受到干扰) 合理的分开。接着对每一个模块进行布局时，应该以每个功能电路的核 心元件为中心，围绕它来进行布局。元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在p c b 上。应 尽量把相互有关的器件放得靠近些，例如，石英晶体振荡器和m c u 的时钟输入端都易 产生噪声，应尽可能相互靠近，同时，将石英晶体振荡器的外壳接地。i o 驱动器件、 功率放大器件应尽量放置在印刷电路板的边缘部分，尽量靠近引出的接插件的位置。容 易产生噪声的器件、大电流电路等应尽量远离仪表中的逻辑电路。最后，还要考虑电路 板在钻腔中放置的方向，将发热量大的器件放置在上方。 2 、印刷电路板的电气连线 电气连线方面，首先要求尽量缩短各元器件之间的引线。在印制导线拐弯处一般取 1 3 5 度角，避免采用直角拐弯，这样可以减小高频信号的对外发射。此外，时钟信号区 或噪声敏感器件下应尽量避免走线，时钟信号区下尽可能有大面积的地。同时，a d 转 1 3 东南大学硕上学位论文 换器的参考电源输入端尽量远离数字电路的信号线，尤其是高频时钟信号线。模拟电路 和数字电路部分的走线也应避免交叉。最后，应避免在电路板上打太多的过孔，太多的 过孔会对电路板的电气特性和机械性能产生不良的影响。 3 2 2 电源和地线设计 相当