基于MSP430 單片機(jī)的應(yīng)答器設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王 釵 鐘睿祺 任文靜 樊俊明 唐興虎

(1.東方地球物理公司西安物探裝備分公司 陜西 西安 710077;2.北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院 北京 100191)

0 引 言

海上石油勘探中常用的一種方法就是海底電纜勘探，它是利用投放在海底的檢波器來接收地震信號(hào)。但是在施工過程中，由于受到海流、潮汐等諸多因素的影響，檢波器很難放到預(yù)先設(shè)計(jì)的位置，這種位置誤差會(huì)直接影響海洋勘探采集質(zhì)量。為了有效地測(cè)量和監(jiān)測(cè)檢波器的實(shí)際位置，需要采用定位系統(tǒng)對(duì)檢波器的位置進(jìn)行二次定位。

在海洋勘探和水下定位相結(jié)合方面，英國的Sonardyne 公司和美國的ION 公司走在了世界的前沿。目前東方地球物理公司已自主研發(fā)了能夠滿足海底電纜二次定位的“BPS(Bottom Positioning System)聲學(xué)定位系統(tǒng)”，并且正式投入實(shí)際生產(chǎn)，應(yīng)用效果良好，填補(bǔ)了我國在水下高精度定位導(dǎo)航和水下工程測(cè)量領(lǐng)域的空白。

此系統(tǒng)主要由主控機(jī)、應(yīng)答器、編程器、聲學(xué)換能器及GPS 五部分組成［1］，主控機(jī)發(fā)射電信號(hào)，通過聲學(xué)換能器轉(zhuǎn)化為聲信號(hào)，應(yīng)答器接收來自主控機(jī)的聲信號(hào)并作出相應(yīng)的回應(yīng)。這個(gè)過程也需要聲學(xué)換能器的傳播，主控機(jī)再根據(jù)接收到應(yīng)答器的回應(yīng)信號(hào)以及GPS 的坐標(biāo)值，最終解算出水下應(yīng)答器的具體位置，從而完成定位功能。

它們邏輯連接關(guān)系示意如圖1 所示，本文主要講述MSP430 單片機(jī)在聲學(xué)定位系統(tǒng)應(yīng)答器中的應(yīng)用。

圖1 系統(tǒng)各部分邏輯連接關(guān)系示意圖

1 應(yīng)答器工作原理及系統(tǒng)功能

應(yīng)答器是聲學(xué)定位系統(tǒng)的一個(gè)核心部件，它是布放于海底的全密閉式低功耗系統(tǒng)，每一個(gè)應(yīng)答器的組號(hào)的ID 號(hào)(地址碼)的值可以根據(jù)需求設(shè)定。它主要包含一套聲信號(hào)處理裝置和射頻信號(hào)處理裝置，當(dāng)應(yīng)答器檢測(cè)出是呼叫自己的組信號(hào)時(shí)，會(huì)利用聲納設(shè)備發(fā)出回應(yīng)信號(hào)。

系統(tǒng)框圖如圖2 所示，整個(gè)系統(tǒng)主要由接收電路模塊，發(fā)射電路模塊，電源及復(fù)位電路模塊組成。

圖2 系統(tǒng)框圖

接收電路主要功能是將接收到主控機(jī)及編程器的頻率信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、解調(diào)變成AD 可以采樣的高低電平。發(fā)射電路主要實(shí)現(xiàn)將從單片機(jī)MSP430F149 的P2.3 出來的信號(hào)經(jīng)HC244 得到驅(qū)動(dòng)放大，放大的信號(hào)由JP10 接到磁線圈與電容C26 組成串聯(lián)諧振電路，把特定的頻率信號(hào)發(fā)射出去。電源電路可以為應(yīng)答器提供穩(wěn)定可靠的電源，并且轉(zhuǎn)化為各個(gè)芯片所需要的電壓，一般為5 V 和3.3 V;復(fù)位電路主要實(shí)現(xiàn)應(yīng)答器上電復(fù)位，使CPU 及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)。

2 系統(tǒng)的硬件組成

2.1 主控芯片及外圍電路

主控芯片選用TI 公司的MSP430F149，看重其低功耗模式［2、3］和靈活的時(shí)鐘控制，并且自帶12 位A/D［4］，為應(yīng)答器電量的測(cè)量簡化了硬件設(shè)計(jì)，此外其內(nèi)部60 KB的程序存儲(chǔ)空間，足夠源程序的使用，免去外接E2PRAM;電源部分采用合泰公司的HT7150 和HT7133 芯片實(shí)現(xiàn)，該芯片能很好地滿足系統(tǒng)的要求，另外這兩種芯片的封裝很小，可以節(jié)約PCB 板面積。

復(fù)位電路采用MAX809STR 芯片，復(fù)位電路可以采用R-C 復(fù)位電路，但是使用復(fù)位芯要比使用R-C 復(fù)位電路的可靠性高，因此我們就采用MAX809STR 芯片來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的復(fù)位。

2.2 接收電路

接收電路主要實(shí)現(xiàn)對(duì)主控機(jī)和編程器發(fā)射的兩個(gè)頻率信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、解調(diào)變成單片機(jī)易于處理的負(fù)脈沖信號(hào)。信號(hào)從聲探頭輸入到應(yīng)答器電路板，解調(diào)信號(hào)經(jīng)3702C 分兩路輸出到MSP430F149 的P1. 1 和P1.3 口。

2.3 發(fā)射電路

發(fā)射電路完成信號(hào)的放大發(fā)射功能，單片機(jī)輸出的兩路脈沖經(jīng)門電路增加驅(qū)動(dòng)能力后，由功率場(chǎng)效應(yīng)管推挽放大，再經(jīng)變壓器放大，送到聲探頭。

發(fā)射電路直接采用D 觸發(fā)器［5］實(shí)現(xiàn)由TTL 到CMOS電平轉(zhuǎn)換，或非門增加驅(qū)動(dòng)功率MOS 管的能力;變壓器變比增大到1:20，提高發(fā)射功率，增加有效作用距離;考慮變壓器初級(jí)發(fā)射電壓在12 V 左右，串聯(lián)法拉電容提高電容耐壓，替代大尺寸的大容量電解電容，使得應(yīng)答器板子所占空間減少。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用C 語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，大大提高了開發(fā)調(diào)試的工作效率。整個(gè)系統(tǒng)程序包括主程序，信號(hào)判斷子程序，信號(hào)解碼子程序，發(fā)射子程序，信號(hào)回應(yīng)及系統(tǒng)修復(fù)子程序。軟件組成框架結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。

圖3 軟件組成框架結(jié)構(gòu)圖

主程序主要包括系統(tǒng)的初始化;對(duì)晶振、P1 端口、寄存器、計(jì)數(shù)器等硬件的初始化;計(jì)數(shù)值的讀取、處理、計(jì)算;低功耗等待中斷。

信號(hào)判斷子程序主要對(duì)編程器以及主控機(jī)發(fā)射的編碼進(jìn)行中斷信號(hào)的識(shí)別判斷，防止干擾信號(hào)引起應(yīng)答器誤動(dòng)，提高應(yīng)答器工作的可靠性。

信號(hào)解碼子程序，主控機(jī)發(fā)送到應(yīng)答器的信號(hào)是固定的“010”，因此不需要解碼。而編程器發(fā)送到應(yīng)答器的讀應(yīng)答器信號(hào)亦是固定的“01100110”。整個(gè)通信過程，解碼主要針對(duì)編程器設(shè)置應(yīng)答器時(shí)的操作，軟件要根據(jù)收到的組號(hào)、ID 號(hào)的編碼來確定組號(hào)和ID 號(hào)。

發(fā)射子程序，當(dāng)應(yīng)答器判斷出是主控機(jī)還是編程器發(fā)來的信號(hào)，就要回復(fù)相應(yīng)的編碼信號(hào)。給主控機(jī)回復(fù)的是單頻信號(hào)，給編程器回復(fù)的是24 位頻率信號(hào)。

信號(hào)回應(yīng)及系統(tǒng)修復(fù)子程序主要是對(duì)接收信號(hào)的回復(fù)，完成一次通信。當(dāng)有誤碼存在時(shí)，修正誤碼改變的參量。當(dāng)編程器設(shè)置和讀取應(yīng)答器時(shí)，應(yīng)答器均回復(fù)24 位編碼。當(dāng)DAU 發(fā)送組號(hào)編碼到應(yīng)答器，若等于應(yīng)答器的組號(hào)，則應(yīng)答器回應(yīng)自身ID 所對(duì)應(yīng)的頻率信號(hào);若不等于，則應(yīng)答器退出中斷。當(dāng)應(yīng)答器收到的信號(hào)，在上面三種情況之外，應(yīng)答器不回應(yīng)任何信號(hào)，同時(shí)重新復(fù)位各個(gè)參量，由定時(shí)器B 完成。當(dāng)應(yīng)答器持續(xù)1 s 沒有收到任何信號(hào)，則復(fù)位各參量，等待下一次有效的信號(hào)。

4 應(yīng)答器性能與應(yīng)用效果

4.1 應(yīng)答器性能指標(biāo)

目前研制的應(yīng)答器的性能已經(jīng)達(dá)到甚至超過國外同類產(chǎn)品的指標(biāo)。應(yīng)答器性能指標(biāo)見表1，應(yīng)答器實(shí)物圖如圖4 所示。

4.2 野外試驗(yàn)

將BPS 聲學(xué)定位系統(tǒng)在陜西省禮泉泔河水庫進(jìn)行野外試驗(yàn)驗(yàn)證，在應(yīng)答器按照規(guī)定的測(cè)線放入水中之前，使用編程器為應(yīng)答器預(yù)置組號(hào)ID 號(hào)。再進(jìn)行試驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作，安裝換能器支架，測(cè)試水深、聲速。最后安裝好硬件及軟件系統(tǒng)后，用BPS 聲學(xué)定位系統(tǒng)對(duì)已設(shè)置好的應(yīng)答器進(jìn)行定位測(cè)試。應(yīng)答器定位距離圖如圖5 所示，從定位距離圖可以看出，應(yīng)答器的應(yīng)答率有了明顯提高，系統(tǒng)工作穩(wěn)定性提高，通過這次的試驗(yàn)結(jié)果證明了基于MSP430 技術(shù)的應(yīng)答器的應(yīng)用是成功的。

表1 應(yīng)答器性能指標(biāo)

圖4 應(yīng)答器實(shí)物圖

圖5 應(yīng)答器定位距離圖

5 結(jié)束語

基于MSP430 單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)答器通過野外試驗(yàn)證明技術(shù)性能良好，可以滿足聲學(xué)定位的需求。應(yīng)答器的成功研制及應(yīng)用，可以滿足淺海過渡帶和海底電纜的二次定位高精度的技術(shù)要求，使我國擁有了首個(gè)具有獨(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的海上石油勘探聲學(xué)定位產(chǎn)品，填補(bǔ)了國內(nèi)空白，擺脫了對(duì)進(jìn)口產(chǎn)品的信賴，增強(qiáng)了行業(yè)競(jìng)爭力?；贛SP430 單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)答器應(yīng)用于野外生產(chǎn)作業(yè)，顯著降低了海上勘探的成本投入，大大提高了淺海作業(yè)的核心競(jìng)爭力，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

［1］任文靜，樊俊明.BPS 聲學(xué)二次定位系統(tǒng)在石油勘探中的應(yīng)用［J］.物探裝備，2009，19:54 -57.

［2］胡大可. MSP430 系列超低功耗16 位單片機(jī)原理與應(yīng)用［M］.北京:北京空航天大學(xué)出版社，2000:19 -22.

［3］沈建華，楊艷琴，翟驍曙.MSP430 系列16 位超低功耗單片機(jī)原理與應(yīng)用［M］. 北京:清華大學(xué)出版社，2004:131-137.

［4］魏小龍.單片機(jī)接口技術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2002:227 -273.

［5］閻 石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］. 北京:高等教育出版社，1997:203 -213.