非开挖水平定向钻进系统地下传感器探头的设计与钻进轨迹的研究

东南大学硕Ｌ学位论文ＡＢＳＴＲＡＣＴＮｏｗａｄａｙｓ．ｗｉｔｌＩｔｈｅｒｉｓｉｎｇＨｏｒｉｚｏｎｔａｌＤｉｒｅｃｔｉｏｎａｌＤｒｉｌｌｉｎｇａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＴｒｅｎｃｈｌｅｓｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｂｅｅｎｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎａｉｎｃｈｉｎａ，Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＨＤＤ）ｈａｓｖａｒｉｅｔｙｏｆｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｐｉｐｅｌｉｎｅｓｌａｙｅｄｉｎｃｉｔｉｅｓ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｌｙｔｈｅｎｅｅｄｆｏｒｔｒａｃｋｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｉｓｉｎｇｒｅａｔｄｅｍａｎｄ．ＴｈｅｒｅｆｏｒｅｔｈｅｅｍｐｈａｓｉｓｏｆｔｈｉｓｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎｉｓｐｕｔｏｎｔｈｅｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎｄｅｔｅｃｔｅｄｓｙｓｔｅｍａｒｅａｎｄｄｒｉｌｌｉｎｇｔｒａｉｌｏｆＨＤＤ．Ｔｈｅｍａｉｎｃｏｎｔｅｎｔｓｏｆｔｈｉｓｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎａｓｆｏｌｌｏｗｓ：ｏｎｌ、ｎｅｍｅｔｈｏｄｓｉｎｔｈｅｏｒｙａｎｄｗａｙｏｆｍｅａｓｕｒｉｎｇａｉｇｕｉｌｌｅｐｏｓｅｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄ．Ｂａｓｅｄａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅｓｅｎｓｏｒｅｘｉｓｔｅｎｃｅ．Ｍｉｃｒｏ．ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ（ＭＥＭＳ）ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒｗａｓｕｓｅｄｔｏｍｅａｓｕｒｅｔｈｅｐｉｔｃｈａｎｄｒｏｌｌｏｆｔｈｅａｉｇｕｉｌｌｅ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ａｎｄｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆａｚｉｍｕｔｈｍｏｄｕｌｅｏｆｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｂｙｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｗａｖｅｓｉｓｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．２、ＢａｔｔｅｒｙｖｏｌｔａｇｅＷａｓｍｅａｓｕｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｍａｎａｇｅｍｅｎｔＣａｎｍａｎａｇｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｍｏｄｕｌｅａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙｉｎｃｌｕｄｉｎｇｃｈａｒｇｉｎｇａｎｄｄｉｓｃｈａｒｇｉｎｇ，ｂａｔｔｅｒｉｅｓ’ｖｏｌｔａｇｅａｎｄｑｕａｎｔｉｔｙｍｅａｓｕｒｉｎｇ，ａｎｄｅｓｔａｂｌｉｓｈｓｔｈｅｂａｓｉｓｆｏｒｒｅａｌｉｚｉｎｇｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅｏｆｔｈｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｆｕｒｔｈｅｒａｎｄｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｗｏｒｋｉｎｇｔｉｍｅｓｏｆｓｏｎｄｅ．ＢＱ２６２２０．１１１ｅｃｈｉｐ３、ＯｎａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅａＲｅｎｕａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｏｆｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｗａｖｅｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ，ｔｈｅｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇｃｈｉｐＸＥｌ２０９ｗａｓｃｈｏｓｅｎｔｏｄｅｓｉｇｎｗｉｒｅｌｅｓｓｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇｍｏｄｕｌｅ．ｎ坨ｓｕｉｔａｂｌｅＲＦａｎｔｅｎｎａｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ，ａｎｄｗｉｒｅｌｅｓｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｕｌｔｒａｌｏｗｆｒｅｑｕｅｎｃｙｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｃａｎｌｅｔｒｕｅｔｒｉｕｍｐｈａｎｔｌｙ．４、Ｗｉｔｈｔｈｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔｏｆｇｌｏｂａｌａｎｄｌｏｃａｌｔｈｒｅｅ．ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓｙｓｔｅｍｓ，ｇｅｏｍｅｔｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｓｔｈａｔｅｘｐｒｅｓｓｔｈｅｓｐａｔｉａｌｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆａｎｙｐｏｉｎｔｏｆａｂｏｒｅｐａｔｈｗｉｔｈｒｅｓｐｅｃｔｔｏａｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓｙｓｔｅｍｗｅｒｅｄｅｆｉｎｅｄ．Ｔｈｅｎ．ｔｈｅｍａｉｎｃｏｎｔｅｎｔｏｆｄｒｉｌｌｉｎｇｔｒａｉｌｗｅｒｅｅｘｐｒｅｓｓｅｄ．Ｗｉｔｌｌｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄ．ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｓｅａｒｃｈｉｎｇｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｄｒｌｌｉｎｇｔｒａｉｌａｎｄｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓｏｎｍｏｄｅｌｓｗｅｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．ｔｏｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｅｄＨＤＤｓｙｓｔｅｍｓｅｎｓｏｒｓｏｎｄｅ，ａｌｏｔｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｈａｄｂｅｅｎｄｏｎｅｖｅｒｉｆｙｔｈｅｍｅｔｈｏｄｓａｂｏｖｅ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｄｔｈａｔｔｈｅｖｅｒｙｌｏｗｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｉｇｎａｌｏｗｎｅｄＢａｓｅｄｖｅｒｙｓｔｒｏｎｇａｂｉｌｉｔｙｏｆｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇｔｒａｎｓｍｉｔｉｏｎｃｏｍｍｅｎｄａｂｌｙｓｏｎｄｅｉｎｔｈｅｃｏｕｎｔｒｙ。ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ，ｗｈｉｃｈｓｏｌｖｅｄｔｈｅｋｅｙｐｒｏｂｌｅｍｏｆｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒａｎｄｗａｓｓｉｇｎｉｆｉｅｄｉｎｓｕｐｐｌｙｉｎｇｔｈｅｇａｐｉｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎｉｎｇｏｆＫｅｙｗｏｒｄｓ：ＨＤＤＡｉｇｕｉｌｌｅＰｏｓｅＢＱ２６２２０ＸＥｌ２０９ＤｒｉｌｌｉｎｇＴｒａｉｌＯｐｔｉｍｕｍＤｅｓｉｇｎⅡ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而使用过的材料。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：丝耄盘二日期；盟：！：！！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：』啦导师签名：／刍∑丛扛日第一章绪论第一章绪论１．１研究背景及课题意义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，在各种地下工程建设中非开挖技术悄然兴起并得到快速发展。非开挖施工技术（ＴｒｅｎｃｈｌｅｓｓＮｏ．Ｄｉｇ）是指利用各种岩土钻掘的技术手段，在不开挖地表的条件下探测、检查、修复、更换和铺设各种地下公用设施的施Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｒ工新技术【Ｈ】，即将传统的“挖槽铺管与修复”的施工方式改为“钻孔铺管与修复”。非开挖技术不仅能完成开挖施工无法进行的地下管线工程而且有利于环境保护，把对周围环境、交通、居民的生活影响减少到较小，做到便民、利民、不扰民。非开挖技术是二十世纪八十年代后期在西方发达国家兴起的一项管道施工新技术，是地下管线施工的一项技术革命。为了推动这项技术的普及和发展，１９８６年在伦敦成立了国际非开挖技术协会（ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｏｃｉｅｔｙｆｏｒＴｒｅｎｃｈｌｅｓｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＩＳＴＴ），我国非开挖技术协会（ｃｓｌＴ）正式成立于１９９８年，同年签约加盟ＩＳＴＴ，使我国成为２６个国际会员国之一。ＩｓＴＴ协会的宗旨是在世界范围内宣传和组织交流非开挖技术，包括地下管线的铺设、修复和置换。非开挖技术自正式进入工程施工市场至今，在短短二十余年的时间内，以其独特的技术优势和广阔的技术前景，同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。如美国克林顿在１９９４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（ＮＡＤＥＴ—ＮａｔｉｏｎａｌｐｒｏｇｒａｍｆｏｒＥｘｃａｖａｔｉｏｎＡｄｖａｎｃｅｄＤｒｉｌｌｉｎｇａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）”就把此项技术列入城市基础设施和建筑业发展规划中，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、美国路易斯安娜理工大学、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。可以说目前非开挖技术已在西方发达国家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。我国的非开挖定向钻进铺管技术起步较晚，对非开挖技术设备的研制开发还未形成较大规模，二十世纪９０年代初非开挖技术刚刚引进国内，在一段时间内并未引起企业及政府的重视，直到二十世纪９０年代末，随着我国信息产业的迅猛发展和地下管线建设的规模不断扩大，非开挖定向钻进铺管技术才引起各界的重视，特别在我国大中城市的闹市区，开挖所带来的影响及干扰已越来越引起社会和政府的重视，非开挖定向钻进铺管技术的优越性得到了很好的体现，从而使得这一技术在短短几年内得到了迅猛发展。国家和地方行业协会的建立，各地政府的大力提倡和政策引导，使得这一技术得到迅速的普及推广，非挖施工企业以几何倍数急剧膨胀，仅以上海地区来说，９９年仅有一家企业引进一台非开挖定向钻机，由于市场意识及社会环境等的原因，至０２年只在很小范围内完成了几段非开挖工程，自０２年开始，随着非开挖技术在上海信息港建设中的使用和推广，仅仅在五年的时间内，上海现有的专业从事非开挖水平定向钻进铺管技术的企业已达１００多家，各类定向钻进铺管设备２００多台套。上海市区内的主要交通路段及过河的地下管线铺设已基本实现非开挖，非开挖工程在市区内地下管线施工的约占有量已达到整个管线铺设量的１０％，随着非开挖定向钻进铺管技术的发展和推广应用，非开挖施工技术也得到了长足的进步和提高。垄塑查兰堡：！：兰竺堡塞据统计，全世界每年有１００万千米的地下管线需要新建，总投资超过３００亿美元；而发达国家现有各类地下管线的总长约２０００万千米，为更新、修复这些地下管线，每年还需投资３００－３５０亿美元。我国每年需铺设的管线长度上水管５０００千米，下水管３０００千米，电讯管线２６０００千米，此外还有３００００千米的管道急需更新和修复（尚未计天然气管道和煤气管道）。日本每年施工下水管道１７０００千米，其中１０％用非开挖技术施工，北美现有水平定向钻进（ＨＤＤ）钻机达１７００台，用于施工各类管线。未来２０年美国估算为更换旧管道（主要是污水管道）就要花费１万亿美元，现已有１５万千米管道用胀管法修复，可再用１００年。我国香港地区计划在未来２０年内每年用５亿港元进行修缮和更换管道。其它国家都有类似情况存在１５】。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、井下煤矿、通信工程等领域［６－ｇ］，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的最优方法。城市管线目趋复杂，水平定向钻进技术凭借其独特的优势成为铺地下管线的主要方法。然而，作为一种新兴的技术，水平定向钻进技术还存在着很大的局限性，还没有成熟的施工技术规范和条例，对复杂地下条件的多变情况，尚存在技术上的不足和弱点。采用水平定向钻进技术进行地下钻进时，其安全隐患危险程度较开挖作业大，如坍塌、进水、强电泄漏等。而且一旦作业失败，重新施工的成本更大，风险较高。所以，钻进轨迹的监控是水平定向钻进施工中最重要的技术环节。随着中国加入ＷＴＯ，进口关税大幅度降低以及贸易壁垒的解禁，非开挖施工设备行业首当其冲受到国外先进产品的冲击，主要体现在大型非开挖设备，如水平定向钻进设备、隧道掘进机等主要产品依赖进口，一直处于贸易逆差状态。一方面市场竞争优胜劣汰，国内非开挖设备行业的发展，若跟不上国际发展的潮流，不能踏准国际市场的节拍，将面临退出市场的可能；另一方面国内公司在引进国外先进技术的过程中遭遇到强大的技术壁垒，只通过引进并不能得到最先进的技术，必须通过自主开发才可能取得在国际市场上竞争的资格。本课题在这样个背景下，充分借鉴前人研究成果，着重研究了水平定向钻进系统中传感器探头的设计及水平定向钻进轨迹的最优化问题，并实现这两方面的突破。在跟踪和借鉴国外先进技术的基础上，发挥我们自己的优势，实现跨越式发展，打破国外技术的封锁和垄断，改变国外产品一通天下的局面，对我国非开挖技术的发展有极大的推动作用。一旦国产高性能的导向系统研制成功，不但可以填补国内空白，还将产生巨大的经济效益，对企业乃至国民经济的发展有巨大的推进作用。１．２国内外研究现状１．２．１水平定向钻进系统的国内外发展现状典型的水平定向钻进系统由三部分组成：地下传感器发射探头、地面手持式定位跟踪仪和远端监视设备（地面随钻显示仪）。而地下传感器发射探头是整个导向仪设计的关键。地下传感器发射探头完成钻孔倾角、工具面向角、电池电压和温度等参数的测量，测量的数据经过微处理器进行处理后送到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。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２第一荦绪论在显示面板上显示出来，远端监视设备通过无线的方式接收数据并显示，使钻具信息在远端就可观察到，保证施钻人员顺利操作【９１。导向测试与控制是现代非开挖工程的核心技术。由国外少数公司研制生产的一系列专用于非开挖工程的测控仪器（如无线导向钻进仪、有线导向钻进仪、螺旋钻控向仪、微型隧道可控向装置等）是最近十几年来非开挖技术水平提高、非开挖工程量显著增加的关键所在。国外的一些专门生产导向仪的公司，他们生产的导向设备基本垄断了定向钻进市场。著名产品入美国的ＤＣＩ（ＤｉｇｉｔａｌＣｏｎｔｒｏｌＩｎｅ．）生产的ＤｉｄｉＴｒａｋＭａｒｋ、Ｅｃｌｉｐｓｅ系列；美国雷迪（Ｒａｄｉｏｄｅｔｅｃｔｉｏｎ）的ＲＤ３８５、ＤｒｉｌｌＴｒａｅｋ系列，这两个公司占领了世界的大多数市场，这些产品经过多年的发展和改进已实现系列化，产品性能较好，测量精度高，测量深度范围大，具有较高的自动化程度。我国近ｌＯ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，已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。２００３年夏季，中铁１２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井『自Ｊ的水平导流管对穿，铺管最深达３２ｍ。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【ｌ州。但总体来说，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【ｌ”。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ＤｆｉｌｌＴｒａｅｋ非开挖定向钻进导向仪售价２０万元，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、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。１．２．２水平定向钻进轨迹设计的发展状况水平钻进技术的发展趋势是钻进设备的自动控制，目前这一趋势除了表现在自动锢锚、自动换杆、自动钻进、自动回拖外，还表现在智能规划钻进轨迹，美国威猛公司推出了ＡｔｌａｓＢｏｒｅＰｌａｎｎｅｒ钻进规划软件，该软件实现钻进整个过程的可视化。在钻进过程中，施工人员通过远程显示器把实际钻进轨迹的测量数据下载到软件进行处理和绘图，通过与实际轨迹与测量轨迹的对比，调整钻头的状态，达到控制的目的。安装最新的ＡｔｌａｓＢｏｒｅＰｌａｎｎｅｒ２．４Ｐｒｏ软件可以下载ＤＣＩ公司、ＭｃＬａｎｇｈｌｉｎ公司和Ｒａｄｉｏｄｅｔｅｃｔｉｏｎ公司的三家公司生产的远程监视器测量的数据，是现在国外水平定向钻进施工主要的钻进Ｓｙｓｔｅｍ规划软软件。美国的ＤｉｔｃｈＷｉｔｃｈ公司也推出的一套规划软件ＴｒａｃＭａｎａｇｅｍｅｎｔＰｌｕｓ与他本公司生产的Ｓｕｂｓｉｔｅ导向仪配套使用，近几年来，随着我国水平定向钻进施工量的迅猛发展和大量施工设备的引进，美国十方国际公司在美国凯斯公司的协助下开发了一套中文水平定向钻进规划软件。国内在水平轨迹研究方面起步较晚，而且发展缓慢。直到２０００年，蒋国盛等人对水平定向钻进轨迹进行了总结，提出了“斜直线一曲线一水平直线一曲线一斜直线”钻东南大学硕ｉ：学位论文进轨迹的一般设计公式，该公式虽然简单，但得到了广泛的应用。２００１年，杨春等针对单个地下障碍物的情况给出了基本优化设计方法，２００４年中南大学和成都理工大学也先后采用最优化理论进行了水平定向钻进轨迹的设计。欣慰的是国内已成功开发了部分非开挖专用设计软件，例如江苏十方工程设备有限公司自主开发的地下水平定向钻进规划软件Ｄｒｉｌｌｓｍａｔ，以其界面友好，使用简单，运算速度快等优点受到用户好评：中国地质大学则在非开挖导向力学分析、导向轨迹三维模拟、铺管阻力计算、水平孔孔壁稳定性分析等方面展开了探索和研究工作，形成了一些对现场施工有一定指导意义的模型、公式和程序软件。１．３水平定向钻进技术的主要优势非开挖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，其主要优势如下【１２，１３ｌ：１、不开挖路面，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、不开挖施工，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、水平定向钻进铺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低于开挖旅工，管径越大、埋深越大时越明显。１．４本文的研究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的地下传感器探头，并对水平钻进轨迹的优化进行了研究。具体内容如下：ｌ、以超低功耗单片机ＭＳＰ４３０Ｆ４４９为核心，设计并研制了能够完成倾角、工具面向角、温度和电池电压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、温度测量、电池电压测量和无线发送。２、研究了特定发射源电磁场在土壤中的衰减规律，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，对无线发射中的天线进行了设计。３、深入研究了水平定向钻进系统中钻进轨迹的最优化问题。建立了水平定向钻进钻孔轨迹整体和局部空间坐标系，分析了表征钻孔轨迹空间位置的几何参数和其形状的描述方法，阐述了钻进轨迹设计的主要内容。根据优化设计原理，提出了寻找最优的钻孔轨迹方程的优化设计方法，设计了相应的数学模型。４第一章绪论１．５论文的组织结构本文共分七章，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，阐述了本文的主要内容。第二章非开挖水平定向钻进系统的总体概述。介绍了水平定向钻进系统的组成，并对系统的关键技术进行了阐述。第三章地下传感器探头的硬件设计。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、测量模块、无线发送模块等各模块的硬件设计。第四章地下传感器探头的软件设计。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，包括倾角和工具面向角测量模块、温度测量模块、电池电压测量模块和无线发送模块。第五章水平定向钻进轨迹最优化设计的研究。建立了水平定向钻进钻孔轨迹整体和局部空间坐标系，根据优化设计原理，提出了寻找最优的钻孔轨迹方程的优化设计方法，设计了相应的数学模型。第六章系统的抗干扰技术及低功耗设计。介绍了系统设计时所采用的具体抗干扰措施及低功耗设计。第七章总结和展望。总结全文的研究成果，并展望下一步应该进行的研究工作。东南人学硕士学位论文第二章非开挖水平定向钻进系统概述２．１非开挖水平定向钻进系统的工作原理２．１．１定向钻进的工作原理水平定向钻进（ＨｏｒｉｚｏｎｔａｌＤｉｒｅｃｔｉｏｎａｌＤｒｉｌｌｉｎｇ，ＨＤＤ）技术是利用水平定向钻机以可控钻孔轨迹的方式，在不同地层和深度进行钻进并通过定位仪导向抵达设计位置而铺设地下管线的施工方法Ｉ悼１７１。施工时，首先利用专门的定向钻机钻出一个小口径的导向孔，钻进过程中通过监测和控制手段使钻孔按设计轨迹延伸，并从另一端钻出地表，如图２—１所示。然后用扩孔钻头将钻孔扩大至所需的口径，最后将待铺设的管线回拖入孔内，如图２－２所示。图２．１ＨＤＤ导向孔施工原理图图２．２ＨＤＤ扩孔及管线回拖施工原理图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、顶角、工具面向角等参数，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。对于定向钻进来说，根据地层条件的不同，在松软地层中，一般选用的是一个弯接头和一带喷嘴的切削钻头组成，在硬岩或者卵砾石地层中，孑Ｌ底钻具由弯接头、泥浆马达、刮刀钻头和牙轮钻头或者会刚石钻头组成。泥浆马达（即螺杆钻）属于正排量容积式液压马达，其作用是将钻进泥浆的液压能转换为驱动钻头的机械能。需要说明的是：目前在岩石（特别是可钻性比较差的基岩）中的非开挖定向钻进技术还不够成熟，国内外许６第二苹非开挖水平定向钻进系统概述多科研机构和企业在不断地尝试其它方法：比如采用弯接组合钻杆配合牙轮钻头以及采用螺杆钻等方法来解决基岩中的钻进和钻孔弯曲问题。长距离水平定向钻进时，钻杆柱和孔壁之间的摩擦阻力比较大，给施工带来比较大的困难。这时一般采用套洗钻进，即在钻杆柱外加一层套管，其前端的钻头由钻机驱动，进行套洗钻进。套洗钻头钻到离导向钻头２５ｍｍ．８０ｍｍ后，停止钻进，由导向钻杆钻进。这样，导向钻进和套洗钻交替进行，完成导向孔的施工。２．１．２传感器探头的造斜原理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２．３所示。图２．３ＨＤＤ导向孔施工原理图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；当钻头只给进而不窿转时，由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ｌ子斜面方向，就可根据要求实现可控钻进。２．２非开挖水平定向钻进系统总体结构典型的非开挖水平定向钻进系统由地下传感器探头、地面手持式跟踪仪和远端监视设备（地面施钻显示仪）三部分组成，如图２－４所示。地下传感器探头负责检测钻孔的倾角、工具面向角、温度和电池电压四个参数的值，然后将测得的数据无线发送给地面手持式跟踪仪，由其显示并定位，最后远端监视设备根据接收到的数据控制地下传感器探头的运动方向。７东南大学硕十学位论文图２．４非开挖水平定向钻进系统结构图２．２．１地下传感器探头地下传感器探头由处理器模块、测量模块、无线发射模块及电源模块四部分组成１１８】。测量模块负责完成钻孔倾角、工具面向角、温度和电池电压四个参数的测量，处理器模块负责控制整个探头的操作，存储和处理本身采集到的数据；无线发射模块负责将经处理器处理的数据发送到地面手持式定位跟踪仪；电源模块为地下传感器探头提供运行所需的能量，由于传感器探头在地下运动，因此电源模块一般采用两节五号电池供电。图２．５地下传感发射探头组成框图地下传感器探头通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，通过携带能量有限的电池供电。要维持一定的工作时间（通常是８．１０小时），发射功率就不可能做得很大，接收到的信号也就比较微弱，如何将实时数据从地下准确地发送给地面是地下传感器探头设计的关键。２．２．２地面手持式定位跟踪仪地面手持式定位跟踪仪组成框图如图２－６所示。该单元一方面根据接收信号的电场强度及相位信息由ＭＣＵ来进行定位与测深；另一方面由ＭＣＵ对接收调制信号进行解调，最终获得各种角度、温度及电池电压等参数。钻头的位置和状态信息及其它参数确定后，由地上高频无线发射模块将各种信息发送给远端监视器。该单元的核心是地下传感器探头的定位与测深技术。第二章非开挖水平定向钻进系统概述图２－６地面手持式定位跟踪仪组成框图定位显示画面如下图２．７所示，每个箭头分别代表向其它所指方向前进。当四个箭头同时出现时，表示此时地面手持式跟踪仪正在地下发射探头的正上方。－４０。Ｃ图２．７定位画面ｉ轨迹参数显示画面如图２－８所示，分别表示信号强弱、环境温度、电池电压、探头深度、倾角、方位角和工具面向角等参数。图２－８轨迹参数显示画面２．２．３远端监视器远端监视器组成框图【１９１如图２－９所示。该单元的作用是接收手持式定位跟踪仪所获查堕盔兰堡！：兰堡垒塞得的当前轨迹信息并直观显示，以供施钻人员控制钻机用。系统硬件设计具有低功耗以及地面高频无线通信可靠和稳定等特点。另外，液晶显示美观大方，应用非常广泛。图２－９远端监视器组成框图２．３水平定向钻进的关键技术水平定向钻进系统的设计涉及到无线电通信技术、嵌入式计算技术、传感器技术及集成电路技术，是一个多学科交叉的研究领域，有非常多的关键技术有待发现和研究，下面仅列出部分关键技术。１、钻孔轨迹设计¨“副对于水平定向钻进系统而言，钻孔轨迹的设计是水平定向钻进技术的基础。在非开挖水平定向钻进工程中，地下管线及设施越复杂，轨迹设计方案就可能越多。合理的钻孔轨迹设计不仅可以减小施工难度、加快进度，并且还能降低工程造价。轨迹设计是钻进的关键，有时直接关系到施工的成败。水平定向钻进系统的钻孔轨迹包括设计钻孔轨迹、实际钻孔轨迹和与实际近似的绘制钻孔轨迹。其中，实际钻孔轨迹是指按设计钻孔轨迹控制施工时，钻具沿孔底破碎面中心移动时形成的点的实际几何轨迹。实际钻孔轨迹是十分复杂的，绝不可能与设计钻孔轨迹完全吻合。但在施工中应尽可能使实际钻孔轨迹与设计钻孔轨迹接近。由于实际钻孔轨迹是由无穷多个点连续组成，轨迹点空间位置的连续测定极为困难，因而实际钻孔轨迹是无法完整地绘制出来的，它仅具有抽象意义。实际绘制的实际轨迹是以施工中对钻孔轨迹的某些点进行测量计算得到的数据为依据得到的。因为不可能对钻孔轨迹的每个点进行测量计算，所以绘制的钻孔轨迹仅与实际钻孔轨迹近似，但却具有实际意义。２、无线通信技术无线通信技术是水平定向钻进技术中最核心的内容，地下传感器探头需要将采集到的数据无线发送给地面手持式定位跟踪仪，由于地下环境复杂以及大地对电磁波信号衰减严重，如何使信号正确的传输是本系统成败的关键，这也是本课题进行研究的内容之一。穿透地层的通信属无线通信范畴，但与常见的电视、广播、手持移动电话等无线通信形式有所不同。在地面，信号的传播是以空气为通信媒质，它几乎没有损耗，信号频率可选取高频、超高频，因此，其辐射效率高，天线物理尺寸短，体积小。而穿透地层通信电磁波是在损耗较大的煤层和岩石层中传播，工作频率必须降到低频段（ＶＬＦ）乃至甚低频段（ＵＬＦ），才能有较强的穿透能力。天线装置是无线通信的重要环节，正确地选择地下通信中的天线是保证无线通信的重要措施之一。３、定位与测深技术１２３，２４１定位测深技术是水平定向钻进系统中的核心技术内容。运用定位与测深技术实时跟ｌｎ第二苹非开挖水平定向钻进系统概述踪钻头在地下的深度和位置分布，才能准确获取钻头轨迹，并与事先设计好的轨迹进行对比，出现偏差后，旌钻人员进行控制，纠正偏差。定位测深的基本原理就是利用螺线管天线发射的电磁场的分布特征，采用一个或多个天线对电磁场进行接收，判断结算出关于发射螺线管天线的位置和深度信息。国外定位测深的技术已比较成熟。早期的定位方法比较简单，如ＲＤ．３８５采用单线圈定位，施工人员要手持定位仪器，利用专业知识通过来回走动，去搜索发射天线的位置。ＤＩＣ公司的ＭＡＲＫＩＩＩ也需要施工人员根据信号的大小和正负提示去搜索发射天线的位置。随着技术的发展，现在国外水平定向钻导向仪定位的智能化水平比较高。例如ＲＤ－３８６，在其面板上有四个箭头，当定位仪至于发射天线附近时，这四个箭头就会显示出发射天线在定位仪的什么方位上。ＤＩＣ公司的最新产品ＭａｒｋＶ，面板上有一个方块，用来指示发射天线的相对位置。国外导向仪在测深技术上距离不断增大，例如ＭａｒｋＶ能可靠测量的最大深度是１３．７ｍ，ＲＤ．３８６配备长距离探棒，最大可测深度可达１５ｍ。这些产品都采用双频模式。在低频噪声比较大的场合使用较高频率进行定位测深；而当低频噪声不大的场合就使用衰减较小的西品工作，频率切换非常简单，大大提高了定位测深的可靠性。４、钻进规划软件［２５，２６］钻进规划软件可以使钻进路线的设计变得简单容易，同时大大提高了水平定向钻进施工的安全性和效率。当用户了解了地下管线分布状况后，利用钻进规划软件对钻进工程预先选择一条最理想的路径，即通过输人用户要求的管线进出口位置、深度、钻杆的规格、新管允许的弯曲半径等信息，在工程开始之前，预先规划一些模拟的钻进路线。操作人员在屏幕上可直接地观察整个钻进过程，预先了解钻进的时间，每根钻杆的具体位置，以及超出钻杆弯曲限制的位置等。２．４本章小结本章首先简要说明了非开挖水平定向钻进系统的工作原理及造斜原理；然后给出了系统的整体结构，从整体上介绍了水平定向钻进系统的组成；最后介绍了非开挖水平定向钻进系统设计中的几项关键技术。东南大学硕｛二学位论文第三章地下传感器探头的硬件设计地下传感器探头以处理器ＭＳＰ４３０Ｆ４４９为核心，由倾角测量模块、工具面向角测量模块、温度测量模块和电池电压测量模块测量各种参数，经处理器处理，通过发射芯片调制、放大，直接由天线发射。该单元的特点是体积小、低功耗、高可靠性和高稳定性。探头整体结构框图如图３．１所示。图３－１探头硬件结构框图３．１处理器模块设计３．１．１处理器的选择处理器模块是地下传感器探头的核心，所有的数据采集、任务调度、能量计算、无线发送将在这个模块的支持下完成，所以处理器的选择在探头设计中至关重要。地下传感器探头使用的处理器应该满足如下要求：（１）集成度尽量高。一般都选片上系统（ｓｙｓｔｅｍｏｎｃｈｉｐ，ＳＯＣ）作为传感器探头的处理器，或者选择集成程序存储器外形尽量小。处理器的尺寸往往决定了整个系统的尺寸。（２）集静态存储器、ＡＤＣ转换器、定时器和计数器等多种功能于一身的处理器。选择这样的处理器，会使整个系统的处理器外围电路简单整洁，基本上不需要扩展任何额外的器件。（３）功耗低而且支持睡眠模式。处理器功耗主要由工作电压、运行时钟、内部逻辑复杂度以及制作工艺决定。工作电压越高、运行时钟越快，其功耗也越大。（４）运行速度要尽量快。这样系统能够在最短的时间内完成必须完成的工作，从而快速进入睡眠状态，节省系统资源。但同时速度快的处理器功耗也大，所以在考察处理器运行速度时需要细致权衡。（５）要有足够的外部通用ＩＯ端口和通信接口。目前选择的处理器虽然集成度很高，但是仍然不可能包含传感器探头所需要的全部功能，处理器还必须和其他功能模块进行连接通信，如通信模块、传感器模块或者扩展的外部存储器模块。另外，各种模块的能量控制电路也需要大量的ＩＯ端口来完成。根据以上要求，本课题中选用ＴＩ公司的一种超低功耗的混合信号控制器ＭＳＰ４３０Ｆ４４９…“Ｊ，其具体特点如下：（１）低电压、超低功耗１２第三章蝉Ｆ传感器探头的硬件设计ＭＳＰ４３０Ｆ４４９单片机的电源电压屎用的是１．８～３．６Ｖ电压。因而可使其在１ＭＨｚ的时钟条件下运行时，耗电电流（在归．１ｕＡ～４００ｕＡ之间）因工作模式的不同而不同；具有１６个中断源，并且可以任意嵌套，使用灵活方便：使用中断请求将ＣＰＵ唤醒只需要６ｕｓ，可以编制出实时性很强的源代码；可将ＣＰＵ置于省电模式，以中断方式唤醒程序。ｆ２）独特的时钟系统设计。在ＭＳＰ４３０Ｆ４４９中有三个不同的系统时钟系统：基本时钟系统、锁频环（ＦＬＬ＋）时钟系统和ＤＣＯ数字振荡器时钟系统。使用一个低速晶体振荡器（３２．７６８ｋｎｚ）和高速晶体振荡器（４ＭＨｚ），由系统时钟系统产生ＣＰＵ和各功能所需的时钟。并且这些时钟可以在指令的控制下，打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制。ｆ３１强大的处理能力ＭＳＰ４３０Ｆ４４９是１６位的单片机，采用了精简指令集（ＲＩＳＯ结构，具有丰富的寻址方式（７种源操作数寻址、４种目的操作数寻址）、简洁的２７条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令；有较高的处理速度，在４ＭＨｚ晶体驱动下指令周期为２５０ｎｓ。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。另外，一个时钟周期执行一条指令（传统的ＭＣＳ５１需要１２个时钟周期），采用１６位多功能硬件乘法器体系结构，大大增强数据处理和运算能力。（４１丰富的片上外围模块看门狗（ＷＤＴ）、模拟比较器Ａ、定时器Ａ（Ｔｉｍｅｒ＿Ａ）、定时器Ｂ（ＴｉｍｅｒＢ）、串口０、串口１ⅢＳＡＲＴ０、ＵＳＡＲＴｌ）、硬件乘法器、液晶驱动器、１２位ＡＤＣ、１２Ｃ总线直接数据存取（ＤＭＡ）、端口１～６（Ｐ１～Ｐ６）、基本定时器（ＢａｓｉｃＴｉｍｅｒ）等的一些外围模块的不同组合。其中，看门狗可以使程序失控时迅速复位；模拟比较器进行模拟电压的比较，配合定时器，可设计出Ａ／Ｄ转换器；１６位定时器（ＴｉｍｅｒＡ和ＴｉｍｅｒＢ）具有捕获／比较功能，大量的捕获／比较寄存器，可用于事件计数、发生、ＰＷＭ等；有的器件更具有可实现异步、同步及多址访问串行通信接口可方便的实现多机通信等应用；具有较多的Ｉ／Ｏ端口，最多达６ｘ８条Ｉ／Ｏ口线：Ｐ０、Ｐ１、Ｐ２端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入；１２位硬件Ａ／Ｄ转换器有较高的转换速率，最高可达２００ｋｂｐｓ，能够满足大多数数据采集应用；能直接驱动液晶多达１６０段；实现两路的１２位Ｄ／Ａ转换；硬件１２Ｃ串行总线接口实现存储器串行扩展；以及为了增加数据传输速度，而采用直接数据传输（ＤＭＡ）模块。（５）系统工作稳定上电复位后，首先由ＤＣＯＣＬＫ启动ＣＰＵ，保证程序正确的位置运行，保证晶体振荡器有足够的起振和稳定时间。然后软件可设置适当的寄存器的控制位来确定最后的系统时钟频率。如果晶体振荡器在用作ＣＰＵ时钟ＭＣＬＫ时发生故障，ＤＣＯ会自动启动，以保证系统正常工作；如果程序跑飞，可用看门狗将其复位。（６）方便高效的开发环境ＭＳＰ４３０Ｆ４４９是ＦＬＡＳＨ型器件，有ＪＴＡＧ调试接口，具备可擦写的ＦＬＡＳＨ存储器，且ＦＬＡＳＨ存储器多达６０ＫＢ，ＲＡＭ多达２ＫＢ，整个开发在同一个软件集成环境中进行。东南大学硕Ｌ学位论文３．１．２ＭＳＰ４３０Ｆ４４９最小系统的接口电路图３－２ＭＳＰ４３０Ｆ４４９最小系统接口电路图在系统中，复位电路主要完成系统的上电复位和系统在运行时用户的按键复位，复位电路可由简单的ＲＣ电路构成，也可使用其他的相对较复杂，但功能更完善的电路。在这旱采用简单的由电阻、电容、二极管构成的ＲＣ复位电路。经使用证明，其复位逻辑是可靠的。该复位电路的工作原理如下：在系统上屯对，通过电阻Ｒ１０向电容Ｃ３１充电，当Ｃ３１两端的电压未达到高电平的门限电压时，ＲＳＴ端输出为低电平，系统处于复位状态当Ｃ３ｌ两端的电压达到高电平的门限电压时，ＲＳＴ端输出为高电平，系统进入正常工作状态。当用户按下按钮ｓｌ时，Ｃ３１两端的电荷被放掉，ＲＳＴ端输出为低电平，系统进入复位状态，再重复以上的充电过程，系统进入正常工作状态。ＭＳＰ４３０系列单片机时钟模块有高速晶体振荡器、低速晶体振荡器和数字控制振荡器ＤＣＯ等３个时钟源。这是为了解决系统的快速处理数据要求和低功耗要求的矛盾，通过设计多个时钟源或为时钟设计各种不同工作模式，才能解决某些外围部件实时应用的时钟要求，如低频通信、定时器、计数器等。数字控制振荡器ＤＣＯ已经集成在ＭＳＰ４３０Ｆ４４９内部，在系统中只需设计高速晶体振荡器和低速晶体振荡器两部分路。３．２溯量模块电路设计传感器是实现测量与控制的首要环节，是测控系统的关键部件。选择传感器的总的原则是：在满足对传感器所有技术要求情况下，成本低廉，工作可靠和容易维修，即所谓性能价格比要大。其中，在选择传感器时，最重要的是要满足其功能要求，传感器的性能指标主要包括：（１）线性度：线性度又称非线性，是表征传感器输入一输出校准曲线与所选定的拟合直线（作为工作直线）之间的吻合（或偏离）程度的指标。通常用相对误差来表示线性第三章地下传感器探头的硬件设计度或非线性误差。（２）灵敏度：灵敏度是指传感器输出量与输入量增量之比。线性传感器的灵敏度就是拟合直线的斜率。（３）分辨力：分辨力是传感器在规定范围内所能检测出的被测输入量的最小变化量，有时用该值相对量程输入值百分数表示，则称为分辨率。（４）重复性：重复性是衡量传感器在同一温度条件下。输入量按同一方向全量程连续多次变动时所得特性曲线间一致程度的指标。各条特性曲线越靠近，重复性越好。（５）漂移：漂移是指在一定的时间『自Ｊ隔内，传感器输出量存在着与被测输入量无关的、不需要的变化。漂移包括零点漂移和灵敏度漂移。漂移包括零点漂移和灵敏度漂移。零点漂移或灵敏度漂移又可分为时间漂移（时漂）和温度漂移（温漂）。时漂是指在规定条件下，零点或灵敏度随着时间的缓慢变化；温漂为周围温度变化引起的零点或灵敏度漂移。本课题中需要监测的环境参量主要包括倾角、工具面向角、温度和电池电压，在本设计中倾角和工具面向角测量选用ＡＤＩ公司生产的ＡＤＸＬ２０２，选用ＤＡＬＬＡＳ公司的温度传感器ＤＳｌ８８２０来检测探头工作区域的温度，电池电压测量选用ＴＩ公司生产的ＢＱ２６２２０，方位角的测量依靠接收线圈完成。３．２．Ｉ姿态参数的测量模块设计ｌ、姿态参数的测量原理（１）钻头坐标系统及其姿态参数定义地下定向钻进中，实时姿态测量是保证地下钻具按照设定钻进轨迹运动的基础。地下钻进中钻具的姿态测量用方位角、倾角和工具面向角来表示。方位角是钻孔当Ｉｊｉ『点的切线在水平面的投影与正北方向之间的夹角，它反映了水平面内钻具运动的方向。倾角是钻孔当前点的切线与水平面之间的夹角，它反映了钻具前进方向相对水平面的倾斜程度。工具面向角为钻具的造斜方向与某一参考方向间的夹角，它反映了下一步钻进的造斜方向，工具面向角通常采用时钟盘面上的刻度来表示。我们在传感器探头所在位置的地理坐标系北一东一地坐标系（即Ｎ．Ｅ．Ｄ）中，建立探头坐标系Ｘ．Ｙ－Ｚ，如图３．３所示。其中，Ｘ轴沿钻具轴线指向探头运动前向，Ｙ轴位于探头横截平面内指向右方，Ｚ轴在探头横截平面内指向下方。根据前述角度的定义，方位角为Ｘ轴在水平面的投影与正北之间的夹角，图中用ａ表示。倾角为ｘ轴与水平面问的夹角，图中用０表示。面向角为探头横截面内Ｚ轴与６点钟方向的夹角（即Ｙ轴与水平面的夹角），图中用币表示。角度的定义均参照右手规则，满足右手规则为正，反之为负。Ｅ适１５≈√：图３．３参考坐标系统及姿态角度定义（２）姿态参数测量理论模型及解算姿态参数解算要在一定的坐标系下进行，我们按照图３．３的方式在Ｎ．Ｅ．Ｄ坐标系中建立探头坐标系Ｘ．Ｙ－Ｚ。根据导航学中的欧拉定理，载体在空间中的姿态可用载体坐标查堕盔兰堡！：兰垡丝苎系相对于地理坐标系有限次的转动来表示，每次转动的角度即为欧拉角，常用航向角、俯仰角和滚动角来表示。同样，地下定向钻进中，探头在空间的任一姿态也可用相对于地理坐标系的一系列旋转来表示，只不过旋转的角度被定义为方位角、倾角和面向角。这样，起始时地理坐标系于探头坐标系重合（Ｎ与Ｘ轴、Ｅ与Ｙ轴、Ｄ与Ｚ轴相对应），随后载体绕Ｄ轴旋转Ⅱ角，绕Ｅ轴旋转０角，绕Ｎ轴旋转母角，就得到探头当前的坐标系【ｊｕＪ，如图３．４所示。叫Ｘ（Ｎ”）图３．４欧拉旋转变换次旋转相当于一次坐标变换，可以用相应的变换矩阵Ｒｏ（ａ），ＲＥ（Ｏ），Ｒｓ（币）来表示，它们具有如下的标准形式：嘶产涟：刻ＲＥ（毋产［。。０３三。１ＣＯＳ：］毋产ｌＩｎ曰ｉｓｏ０ｎｌｓ（３·１）Ｊ（３－２）口ｌ蛐户『孟哪ｓｉｎ·妒。纠ｌ００（３—３）１ｊ这样，就得到地理坐标系到探头坐标系间的变换矩阵Ｐ－Ｎ＠）ＲＥ（ｅ）ＲＤ（ａ），此矩阵由各转动角度和次序唯一地确定，如下式所示ｓｉｎ口ＣＯＳ口＋ＣＯＳ口ｓｉｎ口ｓｉｎ口一ｓｉｎＯｃｏｓｑ，ｓｉｎａＣＯＳ口ＣＯＳ口一ｓｉｎ口ｃｏｓ口ｃｏｓ口Ｓｉｌｌ口ＣＯＳ∞＋ＲＮ（ｆａ）ＲＥ（口）ＲＤ（口）。－ｓｉｎｑ，ｃｏｓ口ｓｉｎａｓｉｎｃｓｉｎＯｓｉｎ口—ＣＯＳ８ｓｉｎ口ｓｉｎ．９０ｓｉｎＳｃｏｓａＣＯＳＯｃｏｓ岱（３－４）倾角测量可以根据沿探头坐标系安装的三轴加速度计并结合重力场的特性来完成的。在地理坐标系中，重力场有非常简单的形式，它始终朝向Ｄ轴，大小为ｇ（ｇ为当地重力加速度的值），而在其它轴向上的分量为零。如图３－５所示，设当前姿态下加速度计的输出为歌，ｇｙ，＆。面向角以及方位角的测量可以根据沿探头坐标系安装的三轴磁强１６釜三兰望！堡堡鲨堡苎塑竺堡垒生计并结合地磁场的特性来完成的。地球本身是一个带有Ｎ、Ｓ两个磁极的大球体，其表面的直流磁场大体上是比较均匀的，在地球表面的任意一点都可将磁场的强度分解为水平和垂直两个分量。在地理坐标系中，在北坐标轴为磁北的情况下，地磁场矢量可由图３·５来表示，其中Ｄ为磁倾角，表示地磁场与水平面的夹角，其大小视不同地点而异。＼加：／／气碰场５’＼图３·５地理坐标系中的重力场和地磁场设当前姿态下三轴磁强计的输出为Ｈｘ，Ｈ，，Ｈｚ，根据地理坐标系到钻头坐标系的巨ｇｙ］＝Ｒｕ（·ｏ）Ｒｒ（Ｏ）Ｒｏ（ａ）［９１＝［一ｇｅ詈ｏｓ三‘ｐ：ｃ芗ｏｓ０曰］ｅ＝州魄蠢专驴＝一ａｒｃｔｇｇＹｃ，．ｓ，（３·７）豳Ｈ，＝Ｒ，Ａｑ，）ＲＡＯ）ＲＤ（ａ）豳Ｉｔｇａｏ（３－８）２盂历ｊ面ｉ巧ｉ蒜面ｉ忑瓦Ｈｓｉｎ妒＋秘，ＣＯＳ爷弘一［丽ｇ（Ｈｙ罴Ｙ赫Ｉ其中ｇ＝０孑干孺为重力场矢量。由此，我们就可以得到任意姿态参数测量的理论ｌ：＋月：ｇ，）＋致（ｇ：＋ｇ；）Ｊｐ奶（３－９）公式。２、倾角和和工具面向角测量电路的设计（１）ＡＤＸＬ２０２加速度传感器测量原理１７东南人学硕十学位论文电容式微硅加速度传感器一般采用悬臂梁、固支梁或挠性轴结构，支撑一个当作电容动板电极的质量块。质量块与固定极板构成平板电容。加速度作用在质量块上，产生的力使质量块发生位移，导致电容极板『日Ｊ距发生变化，使电容大小改变，通过检测电容的变化量，就可以得到输入加速度的情况．１３１，３２］。图３．６是电容式微硅加速度计结构示意图。由于电容与极板间距成反比，因此电容的变化与输入加速度是非线性关系，为了测量的简便性和易实现性，需要将其转化成线性关系，而只有在极板间距变化量远小于极板间距时，才可以近似成线性关系，这就大大限制了加速度的测量范围。为改良这一不利因素，采用再平衡力反馈技术，设立反馈电极，将输出电容信号转化为电压信号加载在反馈电极上，产生一个与加速度力矩相反方向的力矩，使质量块重新恢复到平衡状态，此时加载的反馈电压与输入加速度成正比【３３，３４ｌ，通过测试电压即可以得到加速度的情况。Ｃｓｌ＝ＣｓｚＣｓｌ＜Ｃｓｚ图３－６加速度计传感器原理图图３．７加速度计传感器信号调理电路图３—７表示测量电路和信号调理电路。它由１ＭＨｚ方波振荡器、差动电容分压电路、跟随器、同步解调器、前置放大器、内部参考源、输出放大器和自检电路等组成。在加速度作用之下，中问极板向左或向右偏移，其输出的幅值随加速度增加而增大，其相位则决取于加速度的方向。此输出电压经跟随器和同步解调器后，变成模拟电压再送到前置放大器的输入端。此电压一方面通过３ＭＱ隔离电阻反馈到跟随器的输入端，另一方面它将产生一个静电力驱使中间极板移向中间平衡位置。此回路的带宽可由外接解调电容的大小来决定，能足够快地响应加速度的变化，最高可达１０ｋＨｚ，可以保持敏感组件实际上不运动。由于采用静电力伺服闭环测量技术，其中心可动极板在测量过程中始终保持在原始中间位置。因此，中心可动极板与固定极板之间的间隙可以做得很小，这样不仅缩小了传感器的外形和重量，也大大提高了传感器的精度和频响特性【３５，３６Ｊ。电容式微硅加速度计精确的直流特性，使它特别适合于倾角的测量。它能直接测量重力加速度，并由此确定倾斜度。如图３－６所示，加速度的敏感轴应与倾斜体的轴向一致，在水平状态下应平行地球表面。若加速度水平位置输出为ｖｏ，倾角为ｐ时为ｖＢ，且１个ｇ使用时加速度计输出为Ｖ。，则１ｆｌ第三章地下传感器探头的碗件设计％＝％ｘｓｉｎｆｌｘｌｇ＋Ｖｏ即：（３－１１），／／＝ｓｉｎ。［（％－ｖｏ）／Ｏｇ×％）］（３—１２）与电容式单轴微硅加速度计相比，ＡＤＸＬ２０２有两个电容式单轴且两轴垂直，两轴再分别通过一级低通滤波，然后再经过占空比调制器，最终使输出环路将模拟信号转换为脉宽占空比的数字信号，这些数字信号直接与微处理器接口相连接。此时，加速度值与脉宽占空比数字信号成线性关系，其计算公式如（３—１３）所示．口：圣！圣二纽Ⅳｌｇ（３－１３）而垂直向下的加速度为ｌｇ，则倾角ｆｌ＝ｓｉｎ。１【ａ／ｇ】（３－１４）面向角测量时，可在坐标系中将双轴加速度计平贴于与钻头垂直的平面上，与加速度成正比的方波可以直接送到处理器进行处理。将Ｔｌ、Ｔ２代入式（３·１３），用微处理器分别测出加速度计的ｇｘ和ｇｙ，于是可以根据公式妒＝一ａｇｃｔ９６ｙｇ。（３－１５）计算出面向角Ｑ。（２）倾角测量电路的设计本设计采用ＡＤＩ公司生产的采用了双轴加速度传感器ＡＤＸＬ２０２测量倾角，利用ＡＤＸＬ２０２的Ｘ轴来完成，利用Ｐ１．０管脚的捕获功能完成Ｔｌ和Ｔ２的采集，然后根据公式（３．１３）和（３．１４）得出倾角。测量电路如图３·８所示。图３－８倾角的测量原理图（３）工具面向角测量电路设计本设计采用ＡＤＩ公司生产的采用了双轴加速度传感器ＡＤＸＬ２０２测量工具面向角，利用Ｐ１．２和Ｐ２．０管脚的捕获功能，分别测量Ｔｌ和Ｔ２，然后利用公式（３－１３）和（３—１５）得出面向角，测量电路如图３－９所示。东南大学硕ｉ：学位论文图３－９工具面向角的测量原理图（４）方位角的测量原理地下钻头的方位角测量是建立在对钻头的精确定位基础上的，如图所示（３—１０），当接收螺线管在地下钻头的正上方并与之平行时，接收螺线管接收到的信号最大设为Ｓ。。，而当接收螺线管与正北方向平行时，接收螺线管接收到的信号为Ｓ。。ｘＣＯＳＯＬ。于是可以通过手持式接收仪在定位点上转动来测得最大值，然后通过后续处理测得方位角。图３．１０方位角测量原理图３．２．２温度测量１、ＤＳｌ８８２０温度传感器［３７，３８１特性ＤＳｌ８８２０是美国ＤＡＬＬＡＳ半导体公司推出的一种“单总线”温度传感器，它采用独特的单线接口方式，仅需要一个端口引脚来发送或接收信息，用于读写和温度转换的电源可以从数据线本身获得，无需外部电源。每个ＤＳｌ８８２０都有一个唯一的ＲＯＭ序列号，所以可以将多个ＤＳｌ８８２０同时连在一根单总线上，进行简单的多点分布应用，包括温度控制、工业系统、消费品、温度计或任何热感测系统。ＤＳｌ８８２０测温范围为．５５℃～＋１２５℃，在．１０℃～＋８５℃内的测温精度可达士ｏ．５℃。用户可在９位～１２位中自选测温分辨率。用户可自设定温度报警上下限，报警查找命令能够识别并自动定位温度越限的传感器。ＤＳｌ８８２０系列采用了三种不同的封装方式，以适合不同的场合使用，如图３．１ｌ所示。各引脚功能如下：ＧＮＤ：地ＤＯ：数据输入／输出引脚ＶＤＤ：外部供电电源引脚ＮＣ：空脚２０第三章地下传感器探头的硬件设计图３．１１ＤＳｌ８８２０封装形式ＤＳｌ８８２０内部结构如图３．１２所示，有三个主要数字部件：６４位ＲＯＭ，温度传感器，非易失性温度报警触发器Ｔｈ和ＴＬ。６４位ＲＯＭ中存储ＤＳｌ８８２０的全球唯一的序列码。暂存器中有２字节的温度寄存器以存储温度传感器的数字量输出。此外，暂存器提供了访问单字节的高低温限触发寄存器（ＴＨ、ＴＤ以及ｌ字节配置寄存器的途径。用户通过自己设定配置寄存器，可以将ＤＳｌ８８２０的分辨率设为９，１０，１ｌ或１２位。图３．１２ＤＳｌ８８２０内部结构ＤＳｌ８８２０的电源工作方式有两种：一种是寄生电源方式，一种是外部供电方式。当ＤＳｌ８８２０工作在寄生电源方式下时，将从单总线上汲取能量，在信号处于高电平期问把能量存储在内部电容里，在信号线处于低电平期间消耗电容上的电能工作，直到高电平到来再给寄生电源（电容）充电。ＤＳｌ８８２０也可以用外部３Ｖ～５．５Ｖ电源供电。本系统中，采用了外部电源供电的方式，如图３．１３所示。图３．１３ＤＳｌ８８２０连接电路图２、ＤＳｌ８８２０温度传感器工作原理ＤＳｌ８８２０温度传感器的主要功能是可直接输出数字信号，测温分辨率可由用户从９，１０，１１和１２中自由配置，对应的测温精度分别为０．５℃，０．２５℃，０．１２５℃和０．０６２５℃。上电缺省值为１２位。ＤＳｌ８８２０温度传感器上电时为低功耗空闲状态，主机必须发出一个转换命令（４４ｈ）来开始测温和Ａ／Ｄ转换，转换后，结果存在２字节的临时存储器内，然后ＤＳｌ８８２０回到空闲状态。ＤＳｌ８８２０输出的温度数据以摄氏度表示。温度数据存储２ｌ东南大学硕十学位论文在温度寄存器中，格式见图３．１４，标志位表明温度的正负，若为正温度则Ｓ＝０，若为负温度则Ｓ＝ｌ。ＬＳＢＳＳＳＳＳ２６２’２４图３．１４ＤＳｌ８８２０温度寄存器格式当选择１２位分辨率时，温度寄存器的所有位都是有效的；当选ｌｌ位分辨率时，０位未定义；当选１０位分辨率时，０位和ｌ位未定义：当选９位分辨率时，０位、ｌ位和２位未定义。表３．３给出了分辨率为１２位时的温度和数字输出之间的转换关系。表３－１温度／数字转换关系温度＋１２５℃＋８５℃●＋２５．０６２５℃＋１０．１２５℃＋０．５℃Ｏ℃－０．５℃．１０．１２５℃－２５．０６２５℃．５５℃数字输出（二进制）０００００ｌｌｌｌｌＯｌ０００００００００１０ｌ０１０ｌ０００００００００００１１００ｌ０００ｌ００００００００１０１０００１０００００００００００００１０００００００００００００００００００ｌｌｌｌ１１１ｌ１１１ｌ１０００１ｌｌｌｌｌｌｌ０１０ｌ“１０１１１ｌ１１１００１１０ｌｌｌｌ１１１１１１００１００ｌ００００数字输出（十六进制）０７Ｄｏｈ０５５０ｈ０１９ｌｈ００Ａ２ｈ０００８ｈ００００ｈＦＦＦ８ｈＦＦ５ＥｈＦＥ６ＦｈＦＣ９０ｈ上电复位时，温度寄存器初始温度为＋８５℃３、存储器结构ＤＳｌ８８２０内部存储器映像及其上电缺省值如图３．１５所示。存储器由一个高速暂存器（ｓｃｒａｔｃｈｐａｄｍｅｍｏｒｙ）、一个存储高低温限报警触发值ＴＨ和ＴＬ的非易失性ＥＥＰＲＯＭ和配置寄存器组成。当没有使用ＤＳｌ８８２０的自动报警功能时，ＴＨ和ＴＬ寄存器可以用作通用寄存器使用。ＥＥＰ’ＲＯＭＯ：温／２Ａ：限值或用户字节ｌｌ：温度下限值或用户自己２２：配置寄存器然一一一中的存储值·上电后的劝始值取决于ＥＥＰＲＯＭ图３—１５ＤＳｌ８８２０的存储器映像暂存器的第０字节和第１字节为只读属性，分别存储温度寄存器的低字节和高字节。通过第２字节和第３字节可以访问ＴＨ与ＴＬ寄存器。第４字节保存配置寄存器的内容。２２第三荦地Ｆ传感器探头的硬件设计第５～７字节为保留字节，用户不能写入数据；读数时，这几个字节返回全ｌ。暂存器的第８字节也为只读字节，其存储值为０～７字节数据的循环冗余校验码（ｃＲｃｌ。通过写暂存器命令（４Ｅｈ），可以将数据写入高速暂存器的第２、３、４字节；向ＤＳｌ８８２０传送的数据要从第２字节的最低位开始。为保证数据的正确传送，在写命令结束后，可以用读暂存器命令（ＢＥｈ）将写入的数据读出，和希望被写入的数据进行比较。读暂存器时，数据以最低有效位在前的方式从第０字节开始通过单总线传送。主机向ＤＳｌ８８２０发送复制暂存器命令（４８ｈ）即可将暂存器中的ＴＨ、ＴＬ与配置寄存器内容写入ＥＥＰＲＯＭ中。掉电时，ＥＥＰＲＯＭ中的数据保持不变；上电时，ＥＥＰＲＯＭ中的数据被自动加载到高速暂存器的相应字节。也可以在任何时间，通过重读ＥＥＰＲＯＭ命令（ａＳｈ）将数据从ＥＥＰＲＯＭ中重新读入暂存器。主机在重读指令发出后发出读时间隙，则ＤＳｌ８８２０会返回重读状态标志：“０”—忙，“ｌ”一完成。４、配置寄存器及分辨率设定高速暂存器的第４字节为配置寄存器，其结构如图３．１６所示。图３．１６ＤＳｌ８８２０配置寄存器用户可以通过设置此字节的Ｒ０与Ｒｌ位来改变ＤＳｌ８８２０的分辨率（见表３．４）。除Ｒ１、Ｒ０外，其它位均为内部使用保留位，用户不得写入数据，读命令时均返回ｌ。表３－２ＤＳｌ８８２０温度分辨率设雹Ｒ１００ｌ１ＲｏＯ１Ｏ１分辨率９位１０位１１位１２位最大转换时间９３．７５ｍｓ１８７．５ｍｓ３７５ｍｓ７５０ｍ５（ｔｃｏＮｖ／８）（ｔｃＯＮＶｌ４）（ｔｃｏＮｖ／２）（ｔＣＯＮＶ）３．２．３电池电压测量ｌ、ＢｔＱ２６２２０电压测量模块的特性ＢＱ２６２２０芯片ｐ９，４０１是先进的电池设备监控模块，它可精确地测量充电和放电电流，并支持所有管理电池的必要功能。ＢＱ２６２２０芯片和主控制器一起执行电池的管理功能，主控制器负责将：ＢＱ２６２２０的数据传送到终端用户电源管理系统中和接收相应的数据。这个模块提供６４比特通用闲存，８比特的ＲＯＭ，和３２Ｉ：ｔ特的ＲＡＭ存储空间。这些非易失的存储空间能够保存电池的监控信息或关键的电池参数。ＢＱ２６２２０ｉ采用ＴＳＳＯＰ封＝＝装，其１４脚封装如图３．１７所示。ＲＢＩＶＣＣＶｓｓＧＰＩｏＳＲＰＳＲＮＢＡＴ｝∞Ｑ图３－１７ＢＱ２６２２０的封装形式各引脚功能如下：ＲＢＩ：备用寄存器信号输入端，当Ｖｃｃ＜Ｖ（嗽）时，这个引脚可以加一个存储电容或外部电压来支持内部ＲＡＭ和寄存器。东南大学硕ｔ：学位论文Ｖｃｃ：电源输入Ｖｓｓ：地ＨＤＱ：单线ＨＤＱ串行接口，ＨＤＱ是一个单线串行通信接口，与主机实现双向输入输出通信。ＧＰＩＯ：通用输入输出接口，ＧＰＩＯ是一个由ＨＤＱ串行接口控制的可编程的通用接口。ＳＲＰ：电池充电、放电电流检测输入端（负）。ＳＲＮ：电池充电、放电电流检测输入端（正）。ＢＡＴ：电池电压检测信号输入端，这个端口用来检测和测量电池电压。２、ＢＱ２６２２０的结构原理和寄存器分布ＢＱ２６２２０的内部原理框图如图３．１８所示。ＢＱ２６２２０可将所有计算得到的电池充电、放电、电池电压及电池电量等有关数据存储于ＲＡＭ中，这些数据可以通过管脚ＲＢＩ上的电压来保持，而ｆｌａｓｈ贝，ｔＪ用来保存的用户数据，ＢＱ２６２２０的存储空间分配如表３．３所示。ＯＰｌＯＨＤＱ图３·１８ＢＱ２６２２０结构框图表３－３ＢＱ２６２２０的内部寄存器ＨＤＱ地址０ｘ７８－０ｘ７Ｆ０ｘ７３．０ｘ７７０ｘ７２０ｘ７１Ｏｘ７００ｘ６Ｆ０ｘ６Ｅ０ｘ６Ｄ０ｘ６Ｃ０ｘ６Ｂ０ｘ６Ａ０ｘ６９０ｘ６８０ｘ６７０ｘ６６０ｘ６５ＢＡＴＨＢＡＴＬ名称ＩＤＲｏＭＢＩＴ７ＢＩＴ６ＢＩＴ５ＢＩＴ４Ｂｎ３ＢＩＴ２ＢＩＴＩＢ１Ｔ０８位制造商编程的ＲＯＭ，从ＢＡＴＨ和ＢＡＴＬ可以获得止确的冈数保留Ｂ、，－ＳＩＧＮＢＶｏＳ３ＢＶｏＳ２ＢＶｏＳｌＢＶＯＳＯ电池电压（第８剑１０位）电池电压（第０剑７位）Ｆｌａｓｈ编程地址字节Ｆｌａｓｈ编程数据字节放电计数寄存器高字节放电计数寄存器低字节充电计数寄存器高字节充电计数寄存器低字节口放电计数奇存器向子彳ｉ白放电计数寄存器低字节放电定时计数寄存器高字节放电定时计数寄存器低字恬充电定时计数寄存器高字符充电定时计数寄存器低字爷Ｆ队ＦＰＤＤＣＲＨＤＣＲＬＣＣＲＨＣＣＲＬＳＣＲＨＳＣＲＬＤＴＣＨＤＴＣＬＣＴＣＨＣＴＣＬ第三章地下传感器掐ｊ又的硬件设计０ｘ６４０ｘ６３０ｘ６２Ｏｘ６ｌ０ｘ６００ｘ４０．Ｏｘ５ＦＯｘ２０．Ｏｘ３ＦＯｘＯＯ．ＯｘｌＦＭＯＤＥＣＬＲＧＰＩＥＮＲＳＶＤＳ１ＩＡ，ｒＲＳＶＤＳＴＣＲＳＶＤＳＴＤＣＴＣＷＯＤ２ＤＴＣＷｏＤｌＳＣＲＷＯＤＯＣＣＲＰｏＲＤＣＲＦＣＭＤＴＥＭＰＨＴＥＭＰＬＦｌａｓｈＦｌａｓｈＦｌａｓｈＦＩａｓＩｌ，控伟命令寄存器温度高字节（位０到位２，其它位保留）温度低字常３２字霄ｆｌａｓｈ的第２页３２字节ｆｌａｓｈ的第１页３２字节ｆｌａｓｈ的第０页３、电池电量测量电路设计ＢＱ２６２２０与ＭＳＰ４３０Ｆ４４９之间的连接比较简单，主要通过ＨＤＱ接Ｉ＝１与单片机连接，通过ＨＤＱ单片机可以访ＩｈＪＢＱ２６２２０内部的各个寄存器，用来实现电池电压和电量的测量。本系统中，ＢＱ２６２２０与ＭＳＰ４３０Ｆ４４９的连接如图３－１９所示。图３．１９电池电量测量电路图电池监控芯片ＢＱ２６２２０的ＨＤＱ端口接于ＭＳＰ４３０处理器的Ｐ１．１端口，使用定时器来模拟ＨＤＱ单总线时序，实现数据传输功能。ＢＡＴ管脚为电池电压检测输入端口，这个引脚被用于检测和测量电池的电压值，实现对电池电压的测量。３．３无线发射模块设计３．３．１无线发射频率的选择１、电磁波在土壤中的传播特性［４１，４２】本系统使用螺线管发射天线，分析土壤中螺线管产生电磁场的特性是研究无线发射理论的基础，螺线管天线可以看成由载流小圆环组成，下面分析载流小圆环在土壤中的电磁场特性。当载流小圆环中通一交变电流时，所产生的磁场将是交变的。根据麦克斯韦电磁理论，交变的磁场将产生交变的电场，交变的电场产生交变的磁场，磁场和电场相互转化，从而在小圆环的周围形成电磁波。如图３．２０所示，小圆环中电流密度用Ｊｏ表示。假设土壤是均匀、线性、各向同性的，其电导率为ｏ，介电系数为ｅ，磁导率为“，且在天线附近没有其它电磁干扰的情况下，列出麦克斯韦方程组：东南人学硕上学位论文ｉ、、、、弋ｊｒ。ｏＩ、！，，，，’，，一，’’’一一＝ｉ～一’、、、、、＼、，，一ｆ／，锄＿＿－－Ｉ－－～、·７发射天线、ｊ？、、～／图３．２０电磁波在土壤中的传播ＶｘＥ＝－ｇ塑研Ｖ×Ⅳ聃鲁＋厶Ｖ－Ｄ：口（３－１６）Ｖ·日＝０Ｄ＝ｆＥＪ＝ｄＥ其中，Ｊ是媒质中的传导电流函数，对ＶｘＨ＝Ｊ＋ａＤ／西＋山两边取旋度，（Ｖｘ（ＶｘⅣ）＝ｖ（ｖ｝日）一Ｖ２Ｈ），则有：Ｖ２日一肛等一掣詈＝－Ｖｘ厶对于时谐场，用ｊ∞代替ａ／ａｔ，于是上式变为Ｖ２日＋（∞２，侣一ｊｍｔｒｇ）Ｈ＝一ｖ×Ｊｏ（３－１７）（３．１８）引入磁矢位Ａ，令Ｈ＝ＶＸＡ和利用洛仑兹条件，可推得４＝肌筹咖其中后２＝∞２馏一ｊｍｅｒｇ㈨，，当圆环Ｋ奴，可以将小圆环看作磁偶极子，设小圆环中通一电流Ｉ＝Ｉｏｓｉｎｔｎｔ，则半径为口的小圆环的磁偶极矩ｍ＝万口２厶，则由（３－１９）可计算在球坐标系Ｃ２（ｒ＇０，ｍ）中的表达式为何＝警ｃ。ｓ目（了１ｒｋｊ７＂ｔ２万）ｅ．归，。（３．２０）～Ｊ’‘”，峨＝等ｓ血口ｃ吉＋笋一等矿归ｃ，圳，第三章地下传感器探头的硬件设计也＝０ｒ３－２２）设ｋ＝口一∥，，则口＝（３—２３）夕＝将ｋ＝口一历代入式（３—２０）、（３—２１），则有露珥＝笔｝ｃ。ｓ口ｃ专＋等＋等矿一ｅ咿ｃｓ．ｚ４，％：罂ｓｉｎ口（丢＋粤＋曼一生竺＋２ａ＃ｊ）ｅ－ｊａｒｅ－＃ｒ（３－２５）ｑ耳ｒｒｒｒｒ选取某一典型土壤参数“＝ｏ．９９９×４ｎｘｌ０‘７Ｈ／ｍ，ｏ＝０．０１Ｓ／ｍ，ｅ＝２×８．８５４×１００２Ｆ／ｍ。在式（３．２４）和式（３．２５）都有一项衰减因子ｅ一，为了清楚地看出频率和磁场强度的关系，设ｒ＝１０ｍ，利用ＭＡＴＬＡＢ进行仿真，得到仿真曲线，横坐标是频率的对数对标，纵坐标是归一化值，如图３．２１所示。图３．２１磁场在某土壤里的衰减示意图从图中可以看出，随着频率的增大，电磁波的Ｈ分量衰减就越厉害。在这种发射和接收之间要通过土壤层，频率就不能选得太高，一般处于低频段，对ａ，Ｂ作一些处理，则有口：浮厩∥：厚雁（３·２６）２、电磁波频率的选择【４３Ｉ对式（３·２０）、式（３—２１）做一变形如下：东南』＝学硕士学位论文耳＝等ｃ。ｓ印＋例ｅ４珥＝等ｓｉｎ＂弦搿一ｅ曲当Ｉｋｒｌ＜＜ｌ时，ｌＶｄ时１＋ｊｋｒ＝－Ｉ，１＋ｊｋｒ－ｋ２ｒＺ≈ｌ，ｅ－Ｊｈ＝ｌ，则有（３．２７）（３－２８）珥＝等ｃ。ｓ口（３—２９）ｎ０＝等ｓ枷（３－３０）式（３．２９）和式（３．３０）与载流小圆环的静态场形式相近，只是Ｉ电流是交变的，因此可以看出，在满足Ｉｋｒｌ＜＜ｌ的条件下，任何一点的磁场强度和电磁场场源的电流瞬时对应，这就是磁准静态场的特征，在磁准静态场里，磁场局域主要地位，而电场较小，可以忽略电磁波的辐射作用。在发射探头的设计中，可以考虑产品设计时最大的深度，探头主要工作区域的土壤系数等各个因素，就可以大体估算探头需要的发射频率，例如以第一节土壤系数为例，本系统最大深度为１５ｍ，经计算可知√∞＋ｒ＜＜ｒｉ三ｉ而了，所以、ｖ＜＜３５４．０２５ｋＨｚ，所以本系统可以取发射频率为３６．８６ｋＨｚ的无线发射芯片ＸＥｌ２０９。３．３．２ＸＥｌ２０９的工作原理ＸＥｌ２０９［４４１是一种发射频率为３６．８６ｋＨｚ的甚低频低功耗ＣＭＯＳ无线发射芯片，该芯片包括接收器、发送器、峰值检测器、时钟生成器、服务模块和数字部分六个功能模块，接收器由前置放大器、降频转换器、通道滤波器、调制解调器和在输出端发送同步数据的位同步器组成，接收通道将一个２段的ＣＰＦＳＫ调制信号转换成一个位流：发送器调制输入位流，其主要部分是在一个调制周期内产生一个数字信号的直接数字频率合成器（ＤｉｒｅｃｔＤｉｇｉｍｌＳｙｎｔｈｅｓｉｚｅｒ，ＤＤＳ）和产生一个方波输出电流的功率放大器组成：峰值检测器的功能是检测当前通道是否有与载波频率相同的信号存在；时钟生成器由一个产生３２．７６８ｋＨｚ的晶振和一个锁相环（ＰｈａｓｅＬｏｃｋｅｄＬｏｏｐ，ＰＬＬ）组成。服务模块为整个电路提供所需要电压和电流源。数字部分主要有通过３线接口与主控制器进行通信和通过配置寄存器确定操作模式两个功能。ＸＥｌ２０９采用ＳＯＰ２０封装，如图３—２２所示。焉吾ｌ＝罢呀图３．２２ＸＥｌ２０９封装形式２８嚣砚裟量薹≯姒第三章地下传感器探头的硬件设计ｌ、芯片引脚功能其引脚功能如下：ＴＥＳＴ．．测试引脚ＶＳＳ：数字地ＱＩＮ：晶振引脚或外部时钟输入端ＶＤＤＡ：模拟电源输入端ＱＯＵＴ：晶振引脚ＩＲＥＦ：外部电阻参考点ＶＲＥＦ：外部电容参考点ＳＵＰＴＥＳＴ：测试引脚ＲＥ：接收使能端ＩＮＡ：ＲＦ输入信号ＩＮＢ：ＲＦ输入信号ＶＳＳＰＡ：ＲＦ功率放大器地ＰＡＯＵＴ：ＲＦ功率放大器输出ＶＤＤ：数字电源输入端ＤＣＬＫ：接收数据时的时钟输出ＤＡＩ：Ａ：数据输入输出位流ＤＥ：３线通信数据使能端ＳＤ：３线通信数据输入ＳＣ：３线编程时钟输入２、甚低频发射芯片ＸＥｌ２０９的性能特点ＸＥｌ２０９用于甚低频无线数据通信，它有两段连续相位频移键控，调制的信号有一个载波频率￡和一个偏移频率△ｆｏｆ．ＲＦｉ。＝ｆ寸Ａｆ＝－“１”ｆＲＲ。＝ｅ－Ａｆ＝－…０’芯片有四种操作模式：标准模式（Ｍ１）、峰值检测模式（Ｍ２）、发送模式（Ｍ３）和接收模式（Ｍ４）。工作模式由ＲＥ输入和一个位配置器决定。●发送模式由直接数字频率合成和功率放大器组成，直接数字频率合成是一个当当输入数据为１时２５６＋１３增加，为０时２５６—１３增加的１２位计数器，这样频率偏移公式：△厂：—１３—ｘ—ＮＦｘＦ—Ｍｒ（３．３１）２“其中Ｎ是ＰＬＬ的一个因数，ＦＲＥＦ是一个参考时钟频率。例如当Ｎ＝１８，Ｆ肛Ｆ＝３２．７６８ｋＨｚ时，偏移频率Ａｆ＝１８７２Ｈｚ。功率放大器发送一个电流大小可以编程实现的方波电流，图３．２３是在ＩＳＩＮＫ＝１１０ｍＡ的情况下，信号的图形，发送模块没有采样和滤波实时处理输入数据，这就意味着数据速率不依赖于ＸＥｌ２０９。嘟输出厂］厂］Ｍ电流二：：厂—［：至Ｆ—［：：１馏图３．２３ＸＥｌ２０９的输出示意图·在接收端，数据在ＤＣＬＫ的上升沿之后数据周期的２０％蛰Ｊ６０％之间有效，接收到的数据速率是１８２０ｂｉｔ／ｓ，允许有Ｏ．２％的偏差。东南大学硕０学位论文６０％ｏｆｌ／ＤＲＤ＾ＴＡ吼。厂］厂］厂］广图３－２４ＸＥｌ２０９接收示意图３．３．３射频天线的设计射频天线需要考虑如下一些问题：天线形状、输出方向、天线长度、天线的材料【４５却ｌ。天线的形状有很多种，有杆状天线、环形天线和螺旋型天线。输出方向上分为全向天线和定向天线，全向天线在水平面上各个方向都有信号输出；而定向天线通常只在某些方向上有输出。对于地下传感器探头来说，因为地面定位跟踪仪需要实时地跟踪探头的位置并准确定位，所以本设计中选择全向天线。一般杆状天线、螺旋型天线和环形天线都可以在水平平面上实现全向收发，所以都可以考虑使用，只是在体积上有所区分。本设计中选择螺旋型天线，实物如图３．２５所示。图３－２５射频天线实物图发射螺线管中的铁氧体软磁材料式工作在比较大的电流条件下，因此要求材料具有较大的磁导率，较小的矫顽力，比较大的最大饱和磁通密度和尽量迪的损耗。能够在低频段使用的可选功率型锰锌铁氧体软磁材料。发射线圈包括磁芯和绕圈线组。在选定磁芯以后，就要进行线圈绕组的设计。线圈绕组的设计主要包括绕组的匝数、导线的直径和种类、绕制方式等。绕组的设计中很多参数要依靠经验，设计中要经过反复试验才能设计出性能优良的天线。带磁芯的螺线管可以等效为如图所示的模型。Ｌｏ是带磁芯螺线管的电感量，ｃ。为等效电容，‰是其直流电阻，ｒ是其等效损耗电阻。电感量是表征一个电感元件将电流转换成磁通能力的量。电感Ｌ和该元件中磁芯的磁导率ｕ之间的关系为：Ｌ∞Ｎ２风∥（３－３２）式中Ｎ为线圈匝数，其比例因数与磁芯的尺寸有关。对于周长为Ｌ，截面积为Ａ的极薄的高磁导率环形磁芯，有：第三章地下传感器探头的硬件设计Ｌ＝，‰Ⅳ２Ａ／Ｉ（３．３３）只有均匀闭路磁芯才能测出材料真实磁导率，因此也称环磁导率，如有限长度的棒形磁芯和不是同一种磁性材料组成的磁芯，所测的是有效磁导率，它与磁芯的几何形状有关，而且比环磁导率小，在极小的空气隙时，最多与环磁导率相等，在电工学理论中，对于棒形磁芯有近似公式：工：型笙垦丝丝，（３．３４）其中Ｎ为线圈匝数Ｓ．是磁棒横截面积‰是起始相对磁导率ｌ是磁棒的长度Ｋｕ是相对磁导率和起始相对磁导率的比值。Ｋ随着ｌ／ｓ．的增大而增大，随着起始磁导率的增大而减小。分布电容Ｃｏ是用来描述绕组之间的分布电容与磁芯的等效电容之和。一般情况下，对于给定的磁芯上绕制线圈，线圈匝数越多，分布电容Ｃｏ越大；相同匝数的粗导线绕制的线圈比细导线绕制的线圈分布电容要小。对于已经绕制好的带磁芯的螺线管在频率变化范围不大的情况下，分布电容Ｃｏ变化范围不大，可以近似认为是一个恒值。直流电阻硒就是绕组在直流条件下测定的值。等效电阻ｒ包括绕组的交流损耗，磁芯的各种损耗。天线的品质因数Ｑ定义为单位时间内存储能量和消耗能量之比，是反映无线性能的一个最主要参数。在本天线设计中，Ｑ＝ｗＬ／Ｒ，Ｒ是等效电阻，主要包括各种因数引起的损耗，在某个固定的频点处，要提高天线的Ｑ值，可以从以下几个方面进行改进：（１）选择性能优良的磁芯，包括较高的磁导率，较低的损耗和一定大小的最大饱和磁通密度。（２）使用较粗的或多鼓较细的漆包线绕制线圈。（３）采用间绕的方法减小分布电容。３．３．４无线发射模块的电路设计ＸＥｌ２０９连接如图３．２６所示。Ｐ呈－量＿豆－图３．２６ＸＥｌ２０９的连接电路图Ｈ东南大学硕士学位论文图中Ｌ２为发射天线，ＳＣ、ＳＤ、ＤＥ为三线编程接口，本系统中配置输出电流为１１０ｍＡ，发射天线选择了３０ｕＨ的螺线管天线。３．４电源模块作为一个系统的原动力，电源常常被认为是整个系统的心脏。电源配置时应充分考虑到干扰的隔离与抑制。因此，应根据电路配置状况很好地解决电源供给问题。ＤＣ．ＤＣ变换器是信号拾取通道中的理想化固体电源，它们可以为信号拾取通道的各种模拟电路提供隔离电源，并可以将电路浮置起来而与其它地线无关。ＤＣ．ＤＣ变换器的输入回路与输出回路是隔离的，这样通过选用ＤＣ．ＤＣ变换器就切断了系统主电源与信号拾取通道电源间的干扰渠道，有效地实现了电源隔离。对于用电池供电的系统来说，最大的问题是随着电池的使用，其储存的能量逐渐消耗，将产生电压不稳的问题，不但会引起系统工作不正常，严重时甚至可能导致元器件的损坏。本系统中的电压要求是２．５Ｖ、３．３Ｖ和５Ｖ电压，而电池额定电压为３Ｖ，不能满足电压的要求，因此必须通过ＤＣ．ＤＣ转换电路来完成电压的需求。为充分的利用电池电量，因此选用ＤＣ．ＤＣ电源转换芯片时，考虑ＤＣ．ＤＣ输入电压可以为尽量小的芯片，以便最大限度应用电池电量；鉴于的省电的思想，要保证在不需要转换的时候，关闭ＤＣ．ＤＣ转换电路，以达到省电的目的，因又此该转换芯片应有可控功能。图３．２７电源电路连接电路图ＤＣ－ＤＣ电路图中选择的是ＭＡＸＩＭ公司的ＭＡＸ６０８芯片，ＭＡＸ６０８是一个低功耗的升压转换芯片，在没有外部负载时，电流仅为８５ｕＡ，另外一种典型的关闭模式还可以减少２ｕＡ的电流；其输入最低电压为１．８Ｖ，可以最大限度的利用电池，输出电压为５Ｖ或者在３Ｖ－１６．５Ｖ可调。它的贴片封装非常小，很适合应用于对体积有要求的场合。ＭＡＸ６０８的重要引脚功能如下：丽历矿：允许或关闭ＤＣ．ＤＣ转换引脚，高电平时允许转换，低电平时关闭转换，但此时芯片提供的参考电压和输入低电压检测设备保持工作状态。ＯＵＴ：转换电压输出端。提供各种器件工作电压，并判断电压是否达到预定值。ＦＢ：输出模式调整引脚，接地时输出固定的电压，用一个配置寄存器可以调整输出电压。ＲＥＦ：１．５Ｖ的参考电压输出可以为负载提供１００ｕＡ的电流，通过０．１ｕＦ与地连接在关闭模式下将不起作用。ＡＧＮＤ：模拟地。第三章地下传感器探头的硬件设计ＣＳ：电流敏感放大器的正极输入。不像传统的ＰＦＭ转换器，ＭＡＸ６０８通过一个敏感电阻来控制峰值电流，当面历万位为高时，ＭＡＸ６０８进入关闭模式。在这种模式下，内部偏置电路被关闭（包括参考端），ＶＯＵＴ降到ＶＩＮ减去二极管压降（由于输入和输出之间接有一个二极管）。将否砀习Ｆ接她可以使芯片正常工作。ＳＰＸｌｌｌ７为一个低功耗正向电压调节器，其可以用在一些高效率，小封装的低功耗设计中。这款器件非常适合便携式电脑及电池供电的应用。ＳＰＸｌｌｌ７有很低的静态电流，在满负载时其低压差仅为１．ＩＶ。当输出电流减少时，静态电流随负载变化，并提高效率。ＳＰｘｌｌｌ７可调节，以选择１．５Ｖ，１．８Ｖ，２．５Ｖ，２．８５Ｖ，３．０Ｖ，３．３Ｖ及５Ｖ的输出电压。为了确保ＳＰＸｌｌｌ７的稳定性，输出端至少需要一个２．２ｕＦ的钽／陶瓷电容或１０ｕＦ铝电容。其值可以根据输出负载／温度范围的要求变动。ＥＳＲ的值取决于用来保持稳定的电容类型。建议ＥＳＲ选取０．５Ｑ或更小的值。也可以选用一个更大的输出电容值（１００ｕＦ）以增长负载瞬态响应。可以在ＧＮＤ引脚与地之间接一个电容增强纹波抑制比。如果ＣＮＤ引脚旁路，输出电容需要达到最大值。本系统中的ＸＥｌ２０９需要在２．５Ｖ下工作，ＭＳＰ４３０Ｆ４４９的ＩＯ输出为３．３Ｖ，因此必须进行电平转换。我们使用了ＴＩ公司生产的７４ＬＶＣｌ６４２４５双向电压转换芯片。这款芯片是一款高效，低功耗，适合２．５Ｖ，３．３Ｖ，５Ｖ三种不同电平双向转换。内部原理比较简单：以其中一路转换为例，如图３．２８所示。图３－２８电平转换内部原理图１Ａ１和ＩＢｌ分别为两种电平，ＩＯＥ为芯片使能端，低电平有效，１ＤＩＲ为选向端，当其为高电平时，左侧三态门选通，右侧不通，则方向为从左至右：反之，当１ＤＩＲ为低电平时，方向为从右至左。这样就起到了电平双向转换的功能。３．５本章小结本章首先介绍了传感器探头的参数测量原理及测量方法，结合实际设计的硬件测量电路，通过这些电路的设计，能够使系统完成检测钻头的倾角、工具面向角、温度以及电池电压的测量。在分析电磁波在土壤中传播特性的基础上，选择了甚低频无线发射芯片，完成了发射电路的设计，并对本系统使用的天线进行了设计。本章中使用了１１公司ＭＳＰ４３０Ｆ４４９单片机，该芯片有丰富的资源，更有非常低的功耗，能够使系统的体积非常小，因此非常适合用在手持设备和用电池供电的场合。通过ＭＳＰ４３０Ｆ４４９的芯片的应用，我们可以触类旁通，了解ＭＳＰ４３０系列单片机的性能特点，为其他手持设备的应用设计提供一个先例。东南大学硕｛：学位论文第四章地下传感器探头的软件设计４．１软件设计思想和组成本文在进行地下传感器探头的软件设计时，首先考虑了以下几个问题：（１）程序承担的任务：任何一个程序的设计，都有其具体的应用场合和明确的工艺要求，程序设计的首要任务就是确定程序承担的任务；（２）程序的时序性：单片机是按时序运行的，所以程序设计要考虑到探头任务的执行顺序和时间要求；（３）程序的适应性：所谓适应性，就是要求设计出来的程序具有灵活性，主要考虑将来系统扩展时必要的修改，增加通用性；（４）程序的设计模式：程序的设计模式直接影响着程序的编制、纠错及测试的难易程度。本文采用模块化设计思想，将一个完整的程序分成若干个可以独立完成某些任务的功能模块，各模块又分为若干子模块，各子模块之间相互独立，又受主程序模块的控制。使整个系统层次分明，逻辑清楚，便于程序的编制、调试、修改和查错。利用模块化技术。可以将错误局限在各个模块内部而不影响整体，提高了系统的可靠性灵活性和可维护性。低功耗是本系统的一个重要的性能指标，在进行程序设计时，把低功耗的设计方法考虑进去，在本次设计过程中，ＣＰｕ平时处于低功耗模式，当有中断发生时，唤醒ＣＰＵ进行中断处理，处理完成后又进入低功耗模式。当系统时钟发生器基本功能建立后，ＣＰＵ内状态寄存器ＳＲ中的ＳＣＧｌ、ＳＣＧ２、ＯＳＣＯ硐铂ＣＰＵＯｆＦ位是重要的低功耗控制位。这四个控制位可以由软件配置成６种工作模式：其中１种活动模式和５种低功耗模式。通过设置控制位ＭＳＰ４３０可以从活动模式进入相应的低功耗模式，只要任意中断被响应，上述中断控制位就被压入堆栈保存，中断处理后，又可以恢复先前的工作方式。根据传感器探头所要实现的功能，软件组成主要包括：主程序设计、中断服务程序、参数采集程序和无线发射程序等组成。４．２主程序设计主程序主要是主控芯片初始化、系统时钟设置、中断设置等，平时ＭＳＰ４３０处于ＬＰＭ３低功耗模式。主程序的流程图如图４．１所示。图４－１主程序流程图第四章地下传感器探又的软件设计４．３中断服务程序在ＭＳＰ４３０系列单片机软件设计中，采用中断方式是降低功耗的重要手段。由于平时传感器探头处于低功耗模式，当探头进行采集数据、无线发射等工作时，进入中断程序进行处理。当中断处理完成后，重新进入到低功耗模式。在本次设计中，中断服务程序包括倾角测量中断、工具面向角测量中断、温度测量中断、电池电压测量中断、无线发送中断等。中断服务程序的流程图如图４．２所示。开外部中断≮竺：！多驯＿Ｉ｜币碡自≯＞查＼／Ｉ兰无线艇送叶１斯主读取发送数据主发送主ＦＬ＾Ｇ＝０卫ＦＬ＾Ｇ＝１皇中断返同ｂ－－－－－－图４－２中断服务程序流程图４．４倾角和工具面向角测量模块的程序设计本系统主控制器选用ＴＩ公司超低功耗微处理器ＭＳＰ４３０Ｆ４４９。它内含两个定时器Ｔｉｍｅｒ－Ａ和Ｔｉｍｅｒ－Ｂ。Ｔｉｍｅｒ－Ａ可支持同时进行的多种时序控制、多个捕获／比较功能、多种输出波形，也可以是上述功能的组合。每个定时器有３个捕获／比较模块为实时处理提供了灵活的控制手段。每个模块都可以用于捕获事件发生时间或产生定时间隔。每发生一次捕获或一次定时『自Ｊ隔，捕获／比较模块寄存器将产生中断。每个捕获／比较模块可以独立编程，由比较或捕获外部信号来产生中断。外部信号可以是信号的上升沿、下降沿或所有跳变。在双轴加速度计测倾角和面向角的实现中，我们利用了ＭＳＰ４３０定时器的两个捕获／比较模块来实现对双轴加速度计的双脉宽输出的测量。具体子程序流程图如图４．３，图４．４所示：东南大学硕｛：学位论文倾角测量ｆ程序入口’夺娼出倾角测量ｆ程序图４．３倾角测量程序流程图图４－４面向角测量程序流程图４．５ＤＳｌ８８２０接口模块程序设计ＤＳＩＳＢ２０命令４．５．１系统中采用单总线器件ＤＳｌ８８２０作为环境温度传感器。通过单总线端口访问ＤＳｌ８８２０的过程如下：●初始化●ＲＯＭ操作命令●存储器操作命令除ＲＯＭ搜索指令［Ｆ０ｈ］与报警搜索指令［Ｅｃｈ】外，其它指令必须严格按照上述步骤执行，其中任一步的丢失或操作顺序的改变，都无法使ＤＳｌ８８２０正常工作。执行这两条ＲＯＭ指令后，必须从初始化开始重新启动对ＤＳｌ８８２０的操作过程。ＤＳｌ８８２０的操作指令见表４．１。第四章地下传感器探头的软件设计表４－１ＲＯＭ操作指令代码Ｆ０ｈ３３ｈ５５ｈＤＳｌ８８２０指令存储器操作指令代码４４ｈ４ＥｈＢＥｈ功能搜索ＲＯＭ，确定总线上的结点数以及所有节点的序列号读“位激光ＲＯＭ代码匹配ＲＯＭ，Ｊ【ｌｊ于辨识（或选中）某一特定的ＤＳｌ８８２０进行操作跳过ＲＯＭ，命令发出后系统将对所有ＤＳｌ８８２０进行操作，通常用于启动所有ＤＳｌ８８２０转换之前，或系统中仅有一个ＤＳｌ８８２０时。报警搜索，主要用于鉴别和定位系统中温度报警节点功能启动ＤＳｌ８８２０进行温度转换，命令执行后ＤＳｌ８８２０保持等待状态写暂存器（ＴＨ、ＴＬ、配置寄存器）读暂存器ＣＣｈ４８ｈ将暂存器的内容（Ｔｉ、ＴＬ、配置寄存器）复制到ＥＥＰＲＯＭ中将存储在ＥＥＰＲＯＭ中的内容重新读入到暂存器中读电源模式，将ＤＳｌ８８２０的供电方式发送剑主机ＥＣｈＥ８ｈＢ４ｈ４．５．２单总线时序ＤＳｌ８８２０采用严格的单总线协议以确保数据的完整性。协议包括几种单总线信号类型：复位脉冲、存在脉冲、写Ｏ、写ｌ、读０和读１。所有这些信号，除存在脉冲外，都是由主机发出的。由于单总线协议对时序要求较高，因此在编写接口模块程序时，要严格按照ＤＳｌ８８２０所提供的时序标准进行操作。主机与ＤＳｌ８８２０之间的任何通讯都需要以初始化开始，初始化包括一个由主机发出的复位脉冲和一个紧跟其后由从机发出的存在脉冲，其时序要求如图４．５所示。主机发蔫复位ｔ冲主机描收存在奠冲图４．５单总线仞始化时序图单总线与ＤＳｌ８８２０通过读写时间隙完成数据的读写操作，每一时间隙完成一位数据的传输。１、写时间隙写时『自Ｊ隙有两种：写１时间隙和写０时『自Ｊ隙。所有时『日Ｊ隙必须至少持续６０１－ｔｓ，两个写周期间至少１１．ｔｓ的恢复时间。时序如图４－６所示。３７东南大学硕｝学位论文图４．６单总线写时间隙２、读时间隙只有当主机发出读时间隙后，ＤＳｌ８８２０才能向主机传送数据。所有读时间隙最少必须为６０１ｘｓ，两个读周期之间至少有ｌｐ．ｓ的恢复时间。图４．７单总线读时间隙４．５．３软件设计本系统中只使用了一个ＤＳｌ８８２０进行单节点温度测量，与多节点的情况相比，无需进行ＲＯＭ匹配。而且未使用芯片提供的温度报警功能，因此操作流程更为简单，如图４．８所示。图４－８ＤＳｌ８８２０接口模块流程图３８第州章地下传感器探火的软件设计ＤＳｌ８８２０的操作主要就是按照上面的介绍操作相应的ＲＯＭ和ＲＡＭ，主要包括单总线协议的实现和温度的读取两个程序。１、单总线协议的实现单总线协议主要包括总线复位、读写字节操作，下面给出具体程序：ｃｈａｒＤＳｌ８８２０＿Ｒｅｓｅｔｔ（ｖｏｉｄ）｛ｃｈａｒｐｒｅｓｅｎｃｅ；Ｉ＿ＤＱ；Ｐ１０ＵＴ＆；一ＤＱ；Ｐ１ＤＩＲ／／设定管脚为输出方向／／将ＤＱ管脚拉低Ｄｅｌａｙ＿ｕｓ（４８０）；／／延时４８０ｕｓＰ１０ＵＴ｜＝ＤＱ；／／将ＤＱ引脚拉高／／延时６０ｕｓＤｅｌａｙ＿ｕｓ（６０）；Ｐ１ＤＩＲ＆＝一ＤＱ；／／设置管脚为输入方向ｐｒｅｓｅｎｃｅ＝（ｃｈａｒ）（ＰＩＩＮ＆ＤＱ）；／／读数据／／延时２５ｕｓＤｅｌａｙ＿ｕｓ（２５）；ｒｅｔｕｒｎ（ｐｒｅｓｅｎｃｅ）；｝ｃｈａｒＤＳｌ８８２０＿ＲｅａｄＢｙｔｅ（ｖｏｉｄ）｛ｃｈａｒｉ：ｃｈａｒｃｈａｒｖａｌｕｅ＝０；ｐｒｅｓｅｎｃｅ；ｆｏｒ（ｉ＝８；ｉ＞０；ｉ一）｛Ｐ１ＤＩＲＩ＝ＤＱ；／／设定管脚为输出方向／／将ＤＱ管脚拉低／／延时ｌｕｓＰ１０ＵＴ＆～ＤＱ；Ｄｅｌａｙ＿ｕｓ（１）；Ｐ１０ＵＴ卜ＤＱ；Ｄｅｌａｙ＿ｕｓ（１）；Ｐ１ＤＩＲ＆—ＤＱ；／／将ＤＱ引脚拉高／／延时ｌｕｓ／／设置管脚为输入方向ｐｒｅｓｅｎｃｅ＝（ｃｈａｒ）（Ｐ１ＩＮ＆ＤＱ）；／／读数据ｉｆ（ｐｒｅｓｅｎｃｅ）ｖａｌｕｅ户０ｘ８０；Ｄｅｌａｙ＿ｕｓ（６０）；＞ｒｅｔｕｒｎｖａｌｕｅ；／／延时６０ｕｓ，ｖｏｉｄＤＳｌ８８２０＿ＷｒｉｔｅＢｙｔｅ（ｅｈａｒⅥｍ｛ｃｈａｒｉ：ｃｈａｒ｛ｎＢｉｔ；ｆｏｒ（ｉ＝８；ｉ＞０；ｉ一）Ｐ１ＤＩＲＩ－ＤＱ；／／设定管脚为输出方向∥将ＤＱ管脚拉低ｎＢｉｔ＝ｖａｌ＆０ｘ０１；／／输出数据Ｐ１０ＵＴ＆～ＤＱ；东南人学硕｛：学位论文ｉｆ（ｎＢｉ０｛ＰＩＯＵＴＩ＝ＤＱ；／／将ＤＱ引脚拉高｝ｅｌｓｅ｛ＰＩＯＵＴ＆—ＤＱ；＞Ｄｅｌａｙ＿ｕｓ（５０）；／／ｊ延时５０ｕｓＰＩＯＵＴＦＤＱ；／／将ＤＱ引脚拉高ｖａｌ＞＞ｌ；／／将ＤＱ管脚拉低｝Ｄｅｌａｙ＿ｕｓ（５）；）／／延时５ｕｓ２、ＤＳｌ８８２０温度数据的读取由前面分析知道，操作ＤＳｌ８８２０的特定存储器就可以得到温度，下面给出具体程序：ｃｈａｒＲｅａｄ＿Ｔｅｍｐｒａｔｕｒｅ０｛ｕｎｉｏｎ（ｂｙｔｅｃ［２１；ｉｎｔｘ；）ｔｅｍｐ；ＤＳｌ８８２０＿Ｒｅｓｅｔ（）／／复位ＤＳｌ８８２０＿ＷｒｉｔｅＢｙｔｅ（０ｘＣＣ）；／／跳过ＲＯＭＤＳ１８８２０＿ＷｒｉｔｅＢｙｔｅ（０ｘ４４）；／／开始转换ＤＳＩ８８２０＿ＷｒｉｔｅＢｙｔｅ（０ｘＢＥ）；／／读暂存器ｔｅｍｐ．ｃ［１】－ＤＳ１８８２０—ＲｅａｄＢｙｔｅＯ；／／读取温度ｔｅｍｐ．ｃ【２】＝ＤＳｌ８８２０＿ＲｅａｄＢｙｔｅ０；ｒｅｔｕｒｎｔｅｍｐ．ｘ；｝４．６电池电压模块程序设计４．６．１ＨＤＱ单总线时序标准的串行通信（ＨＤＱ）时间分类如表４－２所示：第网章施下传感器探头的软件设计表４－２ＨＤＱ的时间分类参数Ｔ（Ｂ）Ｔ（ＢＲ）Ｔ（ｃｖｃ．）最小值结束时间结束恢复时间主机位操作时间主机发送ｌ主机发送０ＢＱ２６２２０响应时间ＢＱ２６２２０位操作开始时间ＢＱ２６２２０发送１ＢＱ２６２２０发送０１９０ｕｓ４０ＵＳ１９０ｕｓ３２ＵＳ１００ｕｓ１９０ｕｓ１９０ｕｓ５ｎｓ３２ｕｓ８０ｕｓ最大值ＴｆＨＷＩ｝Ｔ（｝１ｗ０）ＴｆＲｓＰｓｌＴｔｃｖｃａ）５０ＵＳ１４５ｕｓ３２０ｍ２５０吣Ｔ（‰ｔ．ＤｍＩｅｄ）Ｔｆｎｖｌ）Ｔ（ｒｗｏ）５０ｕｓ１４５ｕｓＢＱ２６２２０采用严格的单总线协议以确保数据的完整性，工作时，主控制器必须向ＢＱ２６２２０的ＨＤＱ端口发送一个５ｎｓ或更长的脉冲作为一个开始标志，一个大于５ｎｓ或更长的干扰脉冲可能会引起向ＢＱ２６２２０中写入错误数据，所以在ＨＤＱ端要进行适当的抗干扰。ＨＤＱ总线在传输数据时，从最低位开始传输，每８位为一组，逐位进行传输。每一位的传输都是以下降沿开始，“０”和“ｌ”是通过低电平保持时间的不同来区分的，如果经过时间Ｔ（ＨＷｌ）后电平变为高电平，则代表“ｌ”；如果经过时间Ｔ（ＨＷ０）后电平变为高电平，则代表“０”。图４．９所示为ＨＤＱ总线的“ｌ”和“０”的表示。图４－９ＨＤＱ总线１和０的表示ＨＤＱ总线包括两个部分：Ｂｒｅａｋ及Ｂｒｅａｋ恢复和数据传输。在传输数据前，都需要Ｂｒｅａｋ总线。图４．１０所示。图４－１０ＨＤＱ总线的Ｂｒｅａｋ及Ｂｒｅａｋ恢复时序图从图４·ｌＯ可以看出，当电平由高电平变为低电平，并且低电平保持ｔ（Ｂ）时间时为Ｂｒｅａｋ：然后由低电平变为高电平，并且高电平持续时间为ｔ（ＢＲ）时，为Ｂｒｅａｋ恢复，在这以后ＨＤＱ总线就可以开始传输数据。ＨＤＱ接口采用基于命令的传输协议，主机发送命令给ＢＱ２６２２０。该命令指示芯片将接收到的下一字节数据存放到由命令指定的寄存器中，或者将由命令指定的寄存器中内容在下一字节中输出。传输数据一般传输两个字节，４ｌ东南大学硕十学位论文第１个字节为命令字节，由７个地址位和１－１－读写位组成，读写位主要用来指示是读出数据还是写入数据；第２个字节为纯粹的数据字节。图４－９所示为ＨＤＱ总线数据传输的时序图，图中ｔ（ＲＳＰＳ）为ＢＱ２６５００响应单片机的时间。图４．１１ＨＤＱ总线数据传输时序图４．６．２ＢＱ２６２２０命令主控制器和ＢＱ２６２２０之间的信息交换是通过数据寄存器接１５：１来实现的，寄存器设置可以分为以下部分：·一个标识ＲＯＭ序列号●３２位的ＲＡＭ●６４位的ｆｌａｓｈ●１８个特殊功能寄存器制造商编程的标识ＲＡＭ序列号位于０ｘ７Ｆ和Ｏｘ７８之间，可以通过电压的模数转换得到正确的参数：表４－３ＲＡＭ字节分配字节７６５４３２１０ＲＡＭ地址０ｘ７Ｆ０ｘ７Ｅ０ｘ７Ｄ０ｘ７Ｃ０ｘ７Ｂ０ｘ７Ａ０ｘ７９０ｘ７８设备编号０ｘ２２０ｘ００随机的随机的随机的随机的随机的获得土Ｅ确的因数随机的主控制器可以直接读和修改３２字节的ＲＡＭ，这３２个字节被在电池供电条件下非易失存储的３２位ｆｌａｓｈ保护，存储在ＲＡＭ里的数据转移到ｆｌａｓｈ，可以通过向ｆｌａｓｈ命令寄存器（ＦｃＭＤ）写入命令将存储在ｆｌａｓｈ的数据转移到ＲＡＭ，当发生硬件复位时，ｆｌａｓｈ的第０页数据转移到ＲＡＭ。Ｆｌａｓｈ的控制命令如表所示：表４－４ＢＱ２６２２０命令命令代码０ｘＯＦ０ｘ４００ｘ４１０ｘ４２０ｘ４５０ｘ４８０ｘＦ６描述编程字节擦除ｆｌａｓｈ的第０页擦除ｆｌａｓｈ的第１页擦除ｆｌａｓｈ的第２页将ＲＡＭ第０页数据传送剑ｆｌａｓｈ的第０页将ｆｌａｓｈ第０页数据传送剑ＲＡＭ的第０页关闭电源４２第网章地下传感器探头的软件设计４．６．３ＨＤＱ协议的实现ＨＤＱ协议的实现主要包括时钟和端口管脚的初始化、Ｂｒｅａｋ的实现、数据读写操作等。使用Ｐ１．１管脚时除了将其作为普通Ｉ／Ｏ管脚使用之外，主要使用其定时器的功能，控制高、低电平的持续时间来模拟总线时序以及信号“０”和“１”的表示。软件部分主要功能就是控制单片机和ＢＱ２６２２０之『耳Ｊ按照ＨＤＱ协议进行读写操作。总线Ｂｒｅａｋ之后，紧跟着发送的便是命令字节，先检测其读写控制位，判断要读出数据还是写入数据，然后根据命令字节中给出的地址发送数据到对应寄存器或接收ＢＱ２６２２０发送过来的相应寄存器内容。数据字节为８位逐位进行传输，根据传输方向的不同，单片机发送的“１”和“Ｏ”的时序与ＢＱ２６２２０发送的“ｌ”和“Ｏ”的时序在时间和周期上有所不同，对定时器编程设置相关时间和周期参数时参考表４．２。１、初始化设置初始化设置这部分代码主要完成时钟的初始化和端口管脚的初始化，下面为具体的程序代码。ｖｏｉｄＩｎｉｔ＿ＣＬＫ（ｖｏｉｄ）ｕｎｓｉｇｎｅｄｉｍｉ；｛ＢＣＳＣＴＬＩ＝０Ｘ００；／／将寄存器内容清０，ＸＴ２振荡器开启，ＬＦＴＸｌ工作在低频模式，ＡＣＬＫ的分频因子为ｌｄｏ｛ＩＦＧｌ＆＝－－ＯＦＩＦＧ；／／清除ＯＳＣＦａｕｌｔ标志ｆｏｒ（ｉ＝０ｘ２０；ｉ＞０；ｉ＋＋）｝ｗｈｉｌｅ（（ＩＦＧｌ＆ＯＦＩＦＧ）＝＝ＯＦＩＦＧｌＢＣＳＣＴＬ２＝０ｘ００；ＢｃｓｃＴＬ２＋＝ＳＥＬＭｌ＋ＤＩＶＭ２：／／ＭＣＬＫ的时钟源为ＴＸ２ＣＬＫ，分频因子为４ＢＣＳＣＴＬ２＋＝ＳＥＬＳ＋ＤＩＶＭ２；／／ＳＭＣＬＫ的时钟源为ＴＸ２ＣＬＫ，分频因子为４）ｖｏｉｄＨＤＱＳｅｔｕｐ（ｖｏｉｍＰ１ＤＩＲＰ１ＳＥＬ｛ｌ＝ＢＩＴｌ：／／Ｐ１．１为输出ｆ＝０ｘ０２；／，链择ＴＡ０功能）在初始化程序中，将ＳＭＣＬＫ的频率设为２ＭＨｚ，将Ｐ１．１管脚设置为ＴＡ０功能。２、ＢＲＥＡＫ的实现ｓｔａｔｉｃｖｏｉｄＢＲＥＡＫ的实现主要是按照图４．８的时序来实现，具体代码如下：ＨＤＱＢｒｅａｋ（ｖｏｉｄ），，设置Ｂｒｅａｋ的时间／／复位ＯＵＴＯ，使能中断｛１ＡＣＣＲ０＝ＴＡＲ＋ｔＢｒｅａｋ＋２：ＴＡＣＣＴＬ０＝ＯＵＴＭＯＤ０＋ＣＣＩＥ；ＢＩＳＩＳＲＭｏｄｅ＝ｉｍＤｅｌａｙ；／／设置中断服务为延时模式ＳＲ（ＬＰＭ３／／设置Ｂｒｅａｋ的恢复时间ＴＡＣＣＲＯ＋＝１ｈ：ＴＡＣＣＴＬ０＝ＯＵＴＭＯＤ０＋ＣＣＩＥ＋ＯＵＴ；／／设置ＯＵＴ０，使能中断４３ＢＩＳ查查查堂堡！：兰竺丝苎ＳＲ（ＬＰＭ３ｂｉｔｓ）；／／进入低功耗模式）在上面的程序中，设置好Ｂｒｅａｋ的时间后就进入中断服务程序，进入低功耗状态；在低电平延时的时间后，设置Ｂｒｅａｋ的恢复时间，进入低功耗状态。３、数据的读写ＨＤＱ数据的读写按照图４．９来实现，下面是具体程序代码：ｓｔａｔｉｃｖｏｉｄＨＤＱＢ疵Ｗｒｉｔｅ（ｕｎｓｉｇｎｅｄｃｈａｒＤａｔａ）｛ｘｆｅｒ＝Ｄａｔａ；ＴＡＣＣＴＬ０＝ＯＵＴＭＯＤＯ：／／复位ＯＵＴ０ＴＡＣＣＲＯ可ＡＲ：Ｔｉｃｋｓ－ＴＡＣＣＲｏ－／／位开始时间戳ｉｆ（ｘｆｅｒ＆０ｘ０１）ｅｌｓｅＴＡＣＣＲ恫ＨＷｌ：ＴＡＣＣＲ㈣ＨＷ０：∥设黄低电平时间／／＇…１／／＇…０ＴＡＣＣＬ０＝ＯＵＴＭＯＤ＿４＋ＣＣＩＥ；／／ｔｏｇｇｌｅＯＵＴ０，使能中断Ｂｉｔｅｎｔ＝８；／／设置传输位数为８ＩＳＲＭｏｄｅ＝ｉｍＷｒｉｔｅ；／／中断服务为写模式ＢＩＳＳＲ（ＬＭＰ３黟进入的功耗模式＿ｂｉｔｓ）；｝上述代码主要完成代码一位一位进行发送的处理，主要完成数据的读写。在获取电池参数的程序设计中，主要设计了三个函数：ＨＤＱＷｒｉｔｅ０，ＨＤＱＲｅａｄ０，和中断服务程序。如果需要测量电池电量、电压等参数，只需要调用ＨＤＱＲｅａｄ（ｕｎｓｉｇｎｅｄｃｈａｒＡｄｄｒ）函数就可以了，在调用的时候，需要转入相应的寄存器地址，寄存器的地址参考表３．３。４．７无线发射模块程序设计４．７．１ＸＥｌ２０９的工作时序及寄存器配置ＸＥｌ２０９通过３线接口ＳＣ、ＳＤ、ＤＥ进行编程，使能信号ＤＥ在ＳＣ的第８个下降沿置低（两者之间的最大时间延迟为１００ｎｓ），从ＤＥ的上升沿开始ＳＤ会在ＳＣ的下降沿采样８个数据。要使数据正确采集，ＳＤ必须在ＳＣ下降沿前后５ｓ保持稳定。ＳＣ厂］厂｜厂］ｒ］厂］ｒ］厂］几厂ｓ。－＜≥Ｅ延Ｘ×≥Ｅ，＠姬＞ＤＥ厂—————————～图４．１２ＸＥｌ２０９的时序电路配置寄存器对应的各位如图４．１ｌ所示。ｂｉｔ７ｂｌｔ６ｂｌｔ５ｂｉｔ４ｂｉｔ３ｂｉｔ２ｂｌｔｌｂｉｔＯ图４．１３ＸＥｌ２０９的配置寄存器第四章地下传感器探头的软件设计各个位的作用如表４－５所示。表４－５ＸＥｌ２０９配置寄存器名称描述０ＦｃＴＲ关系ｌ４５．０５ｌ【ＨＺ载波频率传输标志位３６．８６ｋＨｚＭｏｄｅＭｌ（ＲＥ＝０）ＭｏｄｅＭ２（ＲＥ＝１）ＭｏｄｅＭ３（ＲＥ＝Ｏ）ＭｏｄｅＭ４（ＲＥ＝１）Ｐ０ＰｌＰ２ＳＥＮＳＴＥＳＴＯＳＣ参考表“峰值检测值测试标志晶振标志２００ｕｖ５００ｕｖ正常模式外部晶振测试模式内部晶振功率配置如表４．６所示。表４－６ＸＥｌ２０９功率配置Ｐ２ＯＯ０ＯｌｌＰｌＯＯｌｌＯ０Ｐ００１Ｏｌ０ｌ功率放人电流１．８ｍＡ３．５ｍＡ７．５ｍＡ３０ｍＡ６０ｍＡ１１０ｍＡ模式配置如表４．７所示。表４．７ＸＥｌ２０９工作模式配置ＴＲ（寄存器）Ｏ０１１ＲＦ（寄存器）０ｌＯ１模式ＭＩ沉睡模式Ｍ２载波检测模式Ｍ３发送模式Ｍ４接收模式４．７．２ＸＥｌ２０９程序设计ＸＥｌ２０９的程序设计主要包括初始化程序、管脚模拟程序和数据发送程序组成。具体流程见图４—１４所示：４５东南大学硕Ｌ学位论文开始０关ｆＩｊ看门拘●系统时钟设置，韧始化０发送数据‘ＸＥｌ２０９复位事进＾ｕｌＰ３低功耗模式图４－１ＸＥｌ２０９程序流程图无线发射模块测试程序：１、初始化程序初始化程序主要对管脚进行初始化，设置相应的状态。具体程序如下：ｖｏｉｄＰｏｒｔ＿Ｉｎｉｔ（ｖｏｉｄ）｛Ｐ２ＤＩＲＰ２ＤＩＲＩ＝ＢＩＴｌ；／／设置ＳＣ为输出ｌ＝ＢＩＴ３；／／设置ＤＥ为输出Ｐ２ＤＩＲ＆＝－－ＢＩＴ２；／／设置ＳＤ为输入Ｐ２ＤＩＲ＆；～ＢＩＴ４：／／设置ＤＡＴＡ为输入Ｐ２ＤＩＲ＆＝＇－ＢＩＴ６；／／设置ＲＥ为输入，２、管脚模拟初始化管脚模拟时序主要是对某个管脚产生高电平或低电平。具体代码如下：ｖｏｉｄＳＣ＿ＨＩ（ｖｏｉｄ）｛Ｐ２０ＵＴＦＢＩＴｌ；ｒｅｔｕｒｎ；）ｖｏｉｄｓｃＬＯ（ｖｏｉｄ）｛Ｐ２０ＵＴ＆＝～ＢＩＴｌ；ｒｅｔｕｒｎ；）ｖｏｉｄＤＥ＿ＨＩ（ｖｏｉｄ）｛Ｐ２０ｕＴＦＢＩＴ３；ｒｅｔｕｒｎ；）ｖｏｉｄＤＥ＿ＬＯ（ｖｏｉｄ）｝｛Ｐ２０ＵＴ＆～ＢＩＴｌ；ｒｅｔｕｒｎ；ｖｏｉｄＲＥ＿ＨＩ（ｖｏｉｄ）｛Ｐ２ＩＮ户ＢＩＴ６；ｒｅｔｕｒｎ；）ｖｏｉｄＲＥ＿ＬＯ（ｖｏｉｄ）＜Ｐ２１Ｎ＆一ＢＩＴ６；第ｐｑ章地下传感器探头的软件设计ｒｅｔｕｒｎ；）３、数据发送程序数据发送程序具体程序如下：ｖｏｉｄＩｎｉｔ＿ＸＥｌ２０９（ｖｏｉｄ）｛ｉｍｉ：ＲＥ＿Ｌ００；ｄａｔ＝０ｘ９６；／／使用内部晶振，载波频率为３６．８６ｋＩ－Ｉｚ，发送模式，功率大ｄ＂ｌｌＯｍＡＤＥ＿Ｌ００ＳＣ＿Ｌ００Ｄｅｌａｙ＿ｕｓ（１００）；ＤＥ＿Ｈ１０；／／ＤＥ有效Ｄｅｌａｙ＿ｕｓ（１００）；／／寄存器读入数据ｆｏｒ（ｉ－１；ｉ＜８；ｉ＋＋）｛ＳＣ＿Ｈ１０；ＳＤ＝ｄａｔ＆Ｏｘ０１；Ｄｅｌａｙ＿ｕｓ（１００）；ｄａｔ＞＞＝１：ＳＣＬ００；Ｄｅｌａｙ＿ｍ（１００）；｝∥在第八个时钟周期ＳＣ、ＤＥ同时为下降沿ＳＣ＿Ｈ１０；ＳＤ＝ｄａｔ＆Ｏｘ０１；Ｄｅｌａｙ＿ｕｓ（１００）；ＳＣ＿Ｌ００；ＤＥ＿工。Ｏ（）；—ＢＩｓ—ＳＲ（ＬＭＰ３＿ｂｉｔｓ）；／／进入的功耗模式｝初始化以后，只要有数据到来引发中断以后，芯片将发送数据，发送完数据以后，将０ｘ００写入配置寄存器，即可完成芯片复位。４．８本章小结本章主要介绍了本设计的系统软件，首先介绍了地下传感发射探头的软件总体设计，然后具体介绍了各个模块的程序设计，并给出部分模块的具体测试程序。４７东南大学硕Ｉ二学位论文第五章水平定向钻进轨迹最优化设计研究水平定向钻进轨迹是由若干空间直线和曲线组成的，建立相应的钻孔轨迹空间坐标系是进行水平定向钻进轨迹设计的基础。同时，要进行钻进轨迹设计，还必须清楚理解表征钻孔轨迹空间位置的点、线、面和角之问的关系以及钻孔轨迹的描述方法。在非开挖水平定向钻进工程中，地下管线及设施越复杂，轨迹设计方案就可能越多。合理的钻孔轨迹设计方案不仅可以减小施工难度、加快进度，并且还能降低工程造价。轨迹设计是钻进的关键，有时直接关系到施工的成败。过去的轨迹设计大多凭经验定性地进行优化，并没有提出具体的优化指标，本文将对轨迹优化定量地加以描述。５．１水平定向钻孔轨迹的设计基础５．１．１钻孔轨迹空间位置的几何参数及相关术语任何钻孔都有一定的空间状态。即有空间位置，钻孔轴线在空间的位置称为钻孔轨迹１４３】。钻孔的轨迹可以用以下基本参数和有关术语进行表示：（１）钻孔轨迹：把岩士切削工具看作为质点，相对于规定观测系统描绘出的一条直线，换句话就是岩土工具在钻进过程中移动路线；（２）钻孔平面图：钻孔轨迹在水平面的投影；（３）顶角：钻孔轴线或钻孔轴线在给定点的切线与通过该点的垂直线之间的夹角：（４）方位角：钻孔轴线在水平面上投影或钻孔轴线在给定点上的切线在水平面上的投影与正北方向之间的夹角；并规定按顺时针方向为正向。直线段方位角不变，而曲线方位角可能发生变化，垂直孔没有方位角；（５）孔深：钻孔轴线延伸的长度；（６）钻孔当前轴线：钻进时钻头当前方向线；（７）倾角：测点切线与水平面之间的夹角，为钻孑Ｌ顶角的余角；（８）垂深：测点的垂直深度，以Ｈ表示。探测时锝到的垂深为测点到地表的铅垂距离，即整体坐标系中ｚ轴方向坐标值，可在垂直剖面图上反映出来；（９）平移：测点的水平位移，以Ａ表示，是指测点到入土点所在铅垂线的距离：（１０）视平移：测点在垂直投影面上的水平位移，以Ｆ表示。显然，垂直投影面所在的位置不同，视平移也就不同。对于钻孑Ｌ轨迹来说，水平投影面只有一个，而垂直投影面则有无数个。在实际工作中，对于正在钻进的轨迹作垂直投影图时，都是将垂直投影图选在设计方图位线上。所以，视平移也可以定义为水平位移在设计方位线上的投影。测点的视平移与平移越接近，说明钻孑Ｌ轨迹方位控制得越好：（１１）走向面：垂直于地平面且通过钻孔当前轴线的平面；（１２）轨迹面：钻孔轴线与导向钻头掌面法线所构成的平面：（１３）钻孔曲率或弯强：钻孔的弯曲程度一般用曲率施或弯强康示。弯强是弯曲强度的简称，也称“狗腿”严重度。单位钻身长度的顶角变化量称为项角弯强，单位孔身长度的方位角变化量称为方位角弯强，单位孔身长度的全角变化量称为全角弯强（当曲线段既有顶角变化又有方位角变化时，则产生全弯曲角，简称全角）。钻孔轴线各点的顶角、方位角、和孑Ｌ深称为钻孔的基本要素。根据测点的顶角、方位角和孔深可以计算出各测点的地理三维坐标值。第五章水甲定向钻进轨迹最优化设计研究５．１．２钻孔孰迹空间坐标系的建立为了确定钻孔轨迹的空间位置，需要把钻孔轨迹置于某一空间坐标系中。如图５．１所示，Ａ点为钻孔轨迹上任意一点，Ａ１点为Ａ点在水平面上的投影，平面Ｉ为钻孔走向面（垂直于地平面且通过钻孔当前轴线的平面），平面ＩＩ为钻孔轨迹面（钻孔轴线与导向钻头掌面法线所构成的平面）。Ｙ图５．１钻孔轨迹空间坐标系示意图首先建立地理坐标系Ｏ－ＮＥＤ，定义Ｎ轴和Ｅ轴分别指向北、东方向，Ｄ轴垂直向下指向地心。在钻孔轨迹设计时，往往选取原点。为钻孑Ｌ轨迹入土点，则当入土点和轨迹上其它点的地理三维坐标值确定后，钻孔轨迹的空间位置即确定。然后建立整体坐标系Ａ—ＸＹＺ，定义ｘ轴为钻孔当前轴线在水平面上的投影指向轨迹前进的方向，Ｙ轴在水平面上与ｘ轴垂直，ｚ轴垂直向下指向地心，为右手坐标系。最后建立局部坐标系Ａ－飘‘，定义Ｅ轴为钻孔当前轴线指向轨迹前进的方向，Ｔ１轴在轨迹面内垂直于Ｅ轴，‘轴为轨迹面的法线方向，同样为右手坐标系。三维空间坐标系的建立有助于钻孔轨迹的描述和测量。在绘制设计轨迹时，在地理坐标系下一旦确定入士点的三维坐标，轨迹上其它点的绝对坐标值和相对坐标值的确定就比较容易了。然而，在钻进过程中，为了按钻孔设计轨迹控制钻头走向以及绘制实际钻孔轨迹，直接在孔内测量钻孔轨迹上点的地理坐标值是极其困难的。所以通常在钻进中通过对钻进轨迹空间位置中的几个几何参数进行测量，然后再采用一定的数学公式进行计算，来得到实际钻孔轨迹上测点的地理三维坐标值。５．１．３钻进轨迹设计的内容钻孔轨迹设计的主要内容包括以下几个方面：（１）确定钻孔类型和钻孔轨迹形式。钻孔类型和钻孔轨迹形式取决于管线的性质、目的、材料和铺设要求，钻孔地质条件，施工单位的设备性能和施工手段，工人操作水平，现有地下管线的分布，地上、地下障碍物的分布，水域覆盖面积和深度，施工的安全性和经济性。（２）确定造斜点。造斜点是指同一孔身中由直线段变为曲线段的起点。造斜点宣选择在较硬土层或中硬完整的岩层中的孔段，同时要使后续轨迹避开现有管线和地下障碍物。（３）确定曲线段的弯曲半径。４９东雨人学硕上学位论文曲线段的弯曲半径取决于岩土层的造斜能力，造斜工具的造斜能力，或两者综合作用所能达到的弯曲强度。造斜强度越大，弯曲半径就越小，在一定弯曲角的情况下，曲线段的长度也越小，有利于节省造斜进尺。但是，弯曲强度太大，则会产生一系列的负面影响。（４）确定钻孔孔身轨迹参数。要确定的钻孔孔身轨迹参数包括各孔段的长度，各孔段起点和终点的顶角、方位角，各孔段起点和终点的垂直深度和水平位移。５．２水平定向钻孔轨迹的优化设计方法优化设计是２０世纪３０、４０年代发展起来的一门交叉应用学科，它的设计原则是最优设计，设计手段是计算机和计算程序，设计方法是采用数学方法，它在工程设计的各个领域内广泛应用。实际应用表明，优化设计不仅为工程设计提供一种新的科学设计方法，使得在解决复杂条件的工程技术问题时，能从众多的设计方案中找到尽可能完善的或者是最合适的设计方案，而且采用这种设计方法能大大提高设计效率和设计质量，具有比较明显的经济效益和社会效益。例如：在建筑结构设计方面，优化设计可以节约材料成本７％ｑＯ％【４９，埘。国外经验表明，采用优化设计，可使结构节约材料或造价１０％，－－５０％［ｓｌｌ。与常规设计相比，优化设计有如下两个方面的特点：（１）优化设计能使各种设计参数自动向最优的方向进行调整，直到找到一个尽可能完善的或者最合适的设计方案。常规设计虽然也希望找到最佳的设计方案，但都是凭借设计人员的经验来进行的，它既不能保证设计参数一定能够向最优化的方向调整，同时也不能保证找到最合适的设计方案：（２）优化设计的手段是采用电子计算机，在很短的时间内就可以分析一个设计方案，并判断方案的优劣和是否可行。因此可以从大量的方案中选出最优的设计方案，这是常规设计所不能比拟的。当然，优化设计也只是指在一定条件下所能够取得的最佳设计值，它有很大的目标性，故最优值也是一个相对概念，它不同于数学上的极值，但在多数情况下可以用最大值或者最小值来表示。概括起来，优化设计工作包括以下两个方面：（１）将设计问题的物理模型转变成数学模型。建立数学模型时要选取设计变量，列出目标函数，给出约束条件。目标函数是设计问题所能要求的最优指标与设计变量之间的函数关系式；（２）采用适当的优化方法求解数学模型。归结为在给定的条件（例如约束条件）下求目标函数的极值或者最优值问题。设计变量、目标函数和约束条件这三者之间在设计空间（以变量为坐标轴所组成的实空间）的几何表示中构成了设计问题。５．２．１设计变量在设计过程中进行选择并最终必须确定的各项独立参数称之为设计变量。在选择过程中它们充当变量，但这些变量一旦确定之后，则设计对象也就完全确定。优化设计是研究怎样合理地优化这些设计变量值的一种现代设计方法。第五章水’Ｆ定向钻进轨迹最优化设计研究Ｘ（Ｉ）二维设计问题图５－２设计变量所组成的坐标设计变量的数目称为优化设计的维数，如有ｎ（ｎ＝ｌ，２，．．．，ｎ）个设计变量，则称为ｎ维设计问题。只有两个设计变量的二维设计问题可用图５．２（ａ）所示的平面直角坐标表示；有三个设计变量的三维设计问题可用图５．２（ｂ）表示的空『自Ｊ坐标表示。在图５．２（ａ）中，当设计变量Ｘｌ，Ｘ２分别取不同值时，则可以得到坐标平面上不同的对应点，每一个点表示一种设计方案，如用向量表示这个点，即为二维向量：广１，１ｚ＝ｌ：１ｌ＝防。五ｒＬ＾２Ｊ（５－１）同样，图５．２（ｂ）中的每一个设计方案可以用一个三维向量表示：ｚ＝ｌ置｜－ｋＸ：Ｘ，ｒｋｊ在一般情况下，若有ｎ个设计变量，则设计变量Ｘ可以表示成：ＸｌＸ２●…‘陋］（５．２）Ｘ＝Ｘｔ＝取１Ｘ。。Ｘ，。ｘ翼（５－３）这种以ｎ个独立变量为坐标轴构成的ｎ维向量空间是～个ｎ维实空间，用Ｒｎ表示，如果其中任意两个向量又有内积运算，则称ｎ维欧氏空间，用Ｅｎ表示。当向量Ｘ中的各个分量ｘ，（ｉ＿ｌ，２～．，ｎ）都是实变量时，称为Ｘ决定了ｎ维欧氏空间Ｅｎ中的一个点，并用符号空间”。设计空间中的某点ｋ是由各设计变量所组成的向量ｘ（ｋ）所决定，而ｋ点则决定了一种设计方案，如图５．３所示。Ｘ∈Ｅ“表示，在优化设计中由各设计变量的坐标轴所描述的这种空间就是所谓的“设计东南大学硕ｔ学位论文图５．３在三维设计空间中设计方案的探索优化设计中所常采用的直接搜索法（或称直接探索法）就是在相邻的设计点间作一系列定向的设计改变（移动），点（ｋ＋１）的典型移动情况由下式给出：Ｘ（‘＋１）＝Ｘ‘＋口（‘’Ｓ（‘’（５．４）向量Ｓ（。’决定移动的方向，标量Ⅱ（ｏ’决定移动的步长。设计空间的维数又表征为设计自由度，设计的自由度越大，可供选择的方案也越多，设计越灵活，但优化难度也就越大，求解也越复杂。５．２．２目标函数在设计中，设计者总是希望所设计的产品或工程设施具有最好的使用性能（性能指标１、最小的质量或者最短的距离。在优化设计中，可将所追求的设计目标（最优指标）用设计变量的函数形式表达出来。这一过程称为建立目标函数。即目标函数是设计中预期达到的目标，表达为各设计变量的函数表达式：，（ｘ）＝ｆ（ｘｌ，ｚ２，．．．，Ｘ。）（５·５）它代表设计的某项最重要的特征。目标函数是设计变量的标量函数，优化设计的过程就是设计变量取值的选取过程，也就是求目标函数的极值（最小值或者最大值）的过程。在优化设计中，可以有一个目标函数，称为单目标函数；也可以有多个目标函数，这种问题称为多目标函数的优化设计问题。对于多目标函数，可以将它们分别列出来：石（Ｘ）＝石（Ｘｌ，Ｘ２，．．．，Ｘ。）以（ｘ）＝五（Ｘｌ，ｘ２，．．．，Ｘ。）ＬＣｘ）＝以（＿，ｘ：，…，工。）也可以把几个设计目标综合在一起，建立一个综合的目标函数表达式，＆ｐ／（彳）：妻，（ｘ）０－７）ｑ为优化设计所追求的目标数目。第五章水平定向钻进轨迹最优化设计研究（ａ）（ｂ）图５－４目标函数与设计变量之间的关系在实际的工程设计问题中，常常会遇到多目标函数的某些目标之间存在矛盾的情况，这就要求设计者正确处理单个目标函数之间的关系。目标函数与设计变量之间的关系，可用曲线或者曲面表示。一个设计变量与一个目标函数之间的函数关系，实际是二维平面上的一条曲线，如图５－４（ａ）所示。当有两个设计变量时，目标函数与它们的关系是三维空间的一个曲面，如图５．４（ｂ）所示。若有ｎ个设计变量时，则目标函数与１１个设计变量呈现（ｎ＋１）维空间的超越曲面关系。图５．５表示目标函数ｆ（Ｘ）与两个设计变量Ｘｌ，Ｘ２所构成的关系曲面上的等值线（也称为等高线），它是由许多具有相等目标函数值的设计点所构成的平面曲线。当给目标函数以不同值时，可得到一系列的等值线，它们构成目标函数的等值线簇。在极值处目标函数的等值线聚成一点，并位于等值线簇的中心。当该中心为极小值时，则离开它越远目标函数值越大；当该中心为极大值时，则离开它越远目标函数值越小。当目标函数的变化范围一定时，等值线越疏说明目标函数值的变化与平缓。利用等值线的概念可用几何图像形象地表现出目标函数的变化规律。另外，在许多优化设计问题中，最优点周围往往是一族近似的共心椭圆族，而每一个近似椭圆是一条目标函数的等值线。这时，求最优点即是求目标函数的极值问题，可归结为求其等值线同心椭圆族的中心。根据椭圆族中心的不同路径，存在着各种优化设计方法。对于三维问题，其等值函数是一个面，叫做等值面，对于ｎ维设计问题则称为等值超越曲面。图５．５等值线优化设计中的一个重要概念，就是目标函数的梯度，它是目标函数ｆ（ｘ）对各个设计变量的偏导数所组成的列向量，并以符号“Ｖｆ（ｘ）”表示，即东南入学硕｝：学位论文Ｏｆ（ｘ）缸ｌ可（ｘ）Ｖｆ（ｘ）＝Ｘ２：［Ｏｆ（ｘ）Ｏｆ（ｘ）．．．．业］７ＬｘｌＸ２Ｘｎ（５－８）ＪＯｆ（ｘ）矗若取距离Ｌ为目标函数时，其梯度则是：ＶＬ：【罢，罢，．．．，刍ｒ（５－９）ｖｘｌ％％梯度表示在其取值点处与该函数而相垂直的向量。线性函数表示一个平面，故线性函数的梯度处处相同（为常量）。在优化设计中，当以给定的步长改变设计（即移动）时，目标函数值在沿梯度的方向变化最快，这就使梯度向量获得了实用效用。５．２．３约束条件如前所述，目标函数取决于设计变量，而在很多实际问题中设计变量的取值范围是有一定的限制的或者必须满足一定的条件的。在优化设计中，这种对设计变量取值时的限制条件，称为约束条件或者设计约束，简称约束。约束的形式，可能是对某个或某组设计变量的直接取值限制（例如，钻孔轨迹设计中曲线的曲率Ｐ为设计变量，则曲率值Ｐ应不大于其许用值构成直接限制），这种约束又称为显约束；也可能是对某个或者某组设计变量的间接限ＳＪｉ（例如，若作为设计变量的结构应力同时又是某些设计变量（如截面积或者力）的函数对，则这些设计变量会间接地受到许用应力的限制），这种约束被称为隐约束。约束条件可以用数学不等式来表示。等式约束对设计变量的约束严格，起着降低设计自由度的作用。等式约束可能是显约束，也可能是隐约束，其形式为：吃（Ｘ）＝０Ｖ２（１，２，…，ｐ）（５－ｌＯ）在一般的工程设计中，不等式约束的形式为：吼（Ⅳ）≤０或者岛（ｘ）≥０式中Ｕ２（１，２，…，ｍ）ｕ＝（１，２，…，ｍ）（５－１１）（５一１２）ｘ－－豸ｂ；ｔ变量，见式（５．３）；ｒ等式约束的数目；ｍ一不等式约束的数目。在上述式中，风（ｘ）＝０，岛（ｘ）≤０为设计变量的约束方程，即设计变量的允许变化范围。优化设计就是在设计变量允许范围内找出一组最优参数Ⅳ’＝Ｉｘ；ｘ；…Ｊ：】７，使得目第五章水平定向钻迸轨迹最优化设－ｔ研究标函数ｆ【）（）达到最优设计值ｆ（ｘ＋）。从理论上说，有一个等式约束就有从优化设计过程中消去一个设计变量的机会，或降低一个设计自由度（或问题维数）的机会。但消去过程中的代数方法有时会很复杂或难以实现，故并不能经常采用这种方法。不等式约束的概念对优化设计特别重要。另一种分类方法是将设计约束分为边界约束和性态约束。边界约束又称为区域约束或辅助约束，用以限制某个设计变量（结构参数）的变化范围，或规定某组变量间的相对关系。例如，外形设计中的曲线形状的约束，曲线的变化是要求在一定的区域范围之内的。性态约束又称为性能约束，它主要是在优化设计中由于结构的某种性能要求而推导出来的一种约束条件，例如在定（导）向钻孔轨迹设计中，附近已经埋设的管线的限制等都可以构成性态约束方程。在设计空『白Ｊ中每一个约束条件都是以几何平面图５—６（”、（ｃ），在二变量设计空间中则表现为线，如图５．６（ａ）所示的形式出现，并称为约束面（或约束线）。该面或线是等式约束方程或是不等式约束的极限情况（即等式部分ｇ。（ｘ产Ｏ）的几何图像。当设计变量是连续的，则约束面（或线）也是连续的。图５—６（ｂ）表示三变量设计空问中的一个约束面；图５．６（ｅ）表示三变量设计空间中有许多约束方程组和约束面。０‘ｂ）三变量设计空阳】中的一十约束面０）三变量设计空问中的多个约束面图５－６设计空间中的约束面（约束线）对于等式约束来说，设计变量Ｘ所代表的设计点必须在式（５．１０）所表示的面（或者线）上，这种约束又称为起作用约束或紧约束。对于不等式约束来说，其极限情况ｇｕ（ｘ）＝Ｏ所表示的几何面（线）将设计空问分为两部分：一部分中的所有点均满足约束条件式（５．“）或者式（５．１２），这部分的空间称为设计点的可行域，并以Ｄ表示，可行域中的点是设计变量可选取的，称为可行设计点或简称为可行点，如果最优点在可行域之内，则其所有的约束条件都是不起作用的约束。另一部分中的所有点均不满足约束条件，它就是设计的非可行域，该域中的点称为非可行点。如果设计点落在某个约束边界面（线）上，则称为边界点，边界点是允许极限设计方案。例如：在图５－６上画出了满足两项约束条件蜀（ｘ）＝砰＋为２—１６ｓ０和ｇ：（ｘ）＝２一ｘ，ｓ０的二维设计问题的可行域，它位于南＝２的上面和圆ｘ？＋ｘ；＝１６的圆弧ＡＢｃ下面并包括线段Ａｃ和圆弧ＡＢｃ在内。东南大学硕士学位论文‘而Ｂｋ斫。、狲ｃ／轳２，１ｌ寸＋雹＝１６＼入／而７图５．７约束条件的可行域对在二维变量设计空间中，不等式约束的可行域是各约束线所围成的平面，如果为三维以上的设计问题，则可行域为各约束面所包围的空间，优化设计过程，即寻找可行域的最优点或者最优设计方案的过程。与式（５·９）对目标函数梯度的定义类似，约束面梯度Ｖｇ。（Ｘ）是约束方程ｇ。（ｘ）对各设计变量的偏导数所组成的列向量，即取问：Ｉ掣…．掣Ｊ‘（５－１３）５．３轨迹设计最优化模型５．３．１钻孔轨迹设计的基本假设和边界条件的确定典型的非开挖定向钻孔轨迹的中心线是一条光滑的空间曲线，且与地下的障碍物的种类、形状和分布状况有关，对于不同的工程情况，其最优的钻孔轨迹是截然不同的，为了得到一种比较普遍性的钻孔优化设计方法，需要把钻孔轨迹和地下的障碍物作如下的简化假设，以便于钻孔轨迹的分析和计算：ｌ、假定钻孔轨迹为一条平面曲线这个假定主要是考虑到以下两个方面的原因：（１）实际工程施工中，对于具体的工程场地，一般情况下，钻孔的进、出口位置和管线铺设的控制深度是确定不变的。在施工过程中，由于钻孔主要是根据地下障碍物的分布情况进行上、下方面的调节。水平方向的偏移幅度一般比较小，多数情况可以达到忽略不计的程度：（２）目Ｉｊｉ『定向钻进钻头的测量定位仪器一般只能比较准确地测出钻头的垂直深度，水平方向的误差比较大。因此，采用钻孔轨迹的三维设计的实际意义不大，把钻孔轨迹看作是一条在垂直平面内变化的平面曲线来进行处理不会引起太大的误差。２、钻孔轨迹为一条二阶导数连续的光滑曲线实际的钻孔轨迹为一条无限光滑的连续曲线，即ｖ厂（ｘ）∈Ｃ“（ｃ为常数），但实际这样的数学方程是不存在的，根据实际经验，如果能够保证曲线方程的二阶导数连续，即ｖｆＣｘ）∈Ｃ２（Ｃ为常数），就能够满足钻孔轨迹设计的要求１５２】。３、钻孔轨迹在一定范围ｆ如Ｌ≤２ｍ）内看作直线５６图５－８钻孔各要素的关系示意图黧烈燃黼豢㈣蕤嚣麓蒸黧鞭豢滋舞鬻蕊设计共有两个步骤：查堕盔兰堡±兰竺堡苎第一步：各个障碍物区域的型值点取值范围的确定。第二步：钻孔轨迹方程的优化设计。地下障碍物区域就其分布范围来说一般不大，但是它们的存在对钻孔施工产生至关重要的影响甚至决定能否采用定ｆ导）向钻进技术进行施工的主要因素。地下障碍物区域直径一般不会超过２ｍ，对于人防以及其它地下隐蔽工程则主要是靠铺管的深度来进行控制，另外定（导）向钻孔在地下近似呈水平方向走向，其任何一点的切线与水平面之间的夹角不超过４【二￡，根据假设３，在Ｌ≤２ｍ的情况下把钻孔轨迹看作直线段来处理。如图４－２所示，假设障碍物区域的中心坐标为Ｐｉ（Ｘｉ，Ｙｉ）区域半径为Ｒ．，易知ＯＡ＝ＯＡ’＝ＲＪｅｏｓ４００＝１．３Ｒｉ，所以对于Ｘ＝ｘｉ上的任何点Ｐ。（ｘｉ，Ｙｉ），如果ｙ．舞（Ｚ—１．３Ｒ，，Ｆ４－１．３Ｒ，），则能保证钻孔轨迹不在障碍物区域内通过。定图５－９钻孔轨迹、障碍物和型值点之间的关系另一个方面，根据终孔直径与待铺管线（成品管）直径的差异大小和地层情况，根据规范要求，终孔直径可以确定：Ｄ’＝ＫＤ式中：Ｄ’一终孔直径；Ｄ一待铺管线（成品管）的外径；１０一经验系数，一般取１．２．１．５，当地层均质完整时Ｋ取小值，当地层条件复杂时Ｋ取大值，考虑到实际施工时一些不可预料中的因素，本设计取经验系数Ｋ＝Ｉ．５，则此时要求Ｙ，仨（Ｚ一１．３Ｒ，一１．５Ｄ／２，Ｚ＋１．３置＋１．５Ｄ／２），此时即能保证设计出的钻孔轨迹避开第ｉ个障碍物。假设某一工地，共有ｎ个障碍物区域，沿ｘ轴的正方向依次为ＰＩ，Ｐ２，…，Ｐ，～．，Ｐｎ，连接Ｐｌ，Ｐ２，…，Ｐｉ，…，Ｐｎ，形成一条折线，对于不同的型值点组合方式，就会有不同的钻孔轨迹设计路径，理论上存在无穷多的路径，从而也就可能存在有无穷多的钻孔轨迹。第五章水平定向钻进轨迹强优化设许研究５．３．３钻孔轨迹优化设计的数学模型１、设计变量的选取嶂’”】钻孔轨迹是由各个障碍物区域的型值点（控制点）来确定的，其中入口段Ｏ．Ｐｌ型号及工程的场地条件有关，出口段Ｐ。－Ｏ’线的类型有关，都属于己知部分。其余的ＰＩ．Ｐ。．１段是孰迹设计的部分，它们决定了钻孔轨迹的数学方程。在图５．８所表示的坐标系下，共有ｎ．１个点：Ｐｉ（ｘ。Ｙ）（ｉ＿ｌ，２，．．．，ｎ－１）。其中Ｘｉ＝Ｘ。为己知量，而Ｙｉ为可变量，这ｎ．１个点和Ｐｏ，Ｐ。共同决定钻孔的轨迹曲线。其曲线表达式为Ｓ（Ｘ）。因此设计变量应取：五Ｘ２ＹｌＹ２Ｚ＝ＸＩ（５－１４）ｙｉ２、目标函数的建立【诣】通过己知若干的离散的型值点来构造光滑曲线方程的方法有很多种方法，其中的许多计算方法己经比较成熟，并广泛地应用于飞机、汽车、船舶等外形设计和制造中。其中包括贝齐尔（Ｂｅｚｉｅｒ）曲线、折线磨光法、三次样条函数插值法、均匀１８样条曲线法、保凸拟合法等ｐ“。三次样条插值法具有以下３个优点，更适合于用来构造钻孔轨迹曲线方程：（１）插值函数Ｓ（Ｘ）ｃＣ２（Ｃ为常数），能够比较好地满足导向钻孔足够光滑的实际，而在计算过程中可以得出方程的一阶和二阶导数值，也就可以方便地确定任何一点的曲线斜率，这样可以判定钻孔轨迹方程各个部分是否满足工艺要求。（２）便于构造和求解轨迹的曲线方程，三次样条曲线的形状是由型值点序列唯一决定的，对于某个给定的型值点序列，曲线方程是唯一确定的。（３）三次样条曲线具有局部修改性质，任何一段曲线只由与之相邻的两个型值点唯一确定，而与其它型值点无关，如果曲线方程只有一部分不能满足要求时，只需移动个别型值点就能使方程达到要求，这是三次样条函数方程优于其它方程的独到之处。采用三次样条函数构造钻孔轨迹数学方程ｙ＝ｓ（ｘ），Ｓ（ｘ）的定义域为【ａ，ｂ】（其中ａ点、ｂ点分别为钻孔轨迹设计的初始点和结束点，与钻孔的入孔和出口稍有差异），具体过程如下：设在【ａ，ｂ］内共有ｎ．１个障碍物Ｘｉ０＝１，２，．．．，ｎ．１），且ｘ．满足ａ＝）【０＜ＸＩ＜ｘ２＜…＜ｘ。＝ｂ。对于每个Ｘｉ（ｉ－ｌ，２，．．．，ｎ－１）分别有唯一的ｙｉ（ｉ＝ｌ，２，．．．，ｎ．１）与之对应，且Ｙ，盛（Ｊ】：一１．３Ｒ，一１．５Ｄ／２，Ｚ＋１．３Ｒ．＋１．５Ｄ／２）（ｈ、Ｈ分别为钻孔的最小和最大控制深度）。要求根据点Ｐ．（ｘ，，ｙｔ）建立钻孔轨迹方程ｙ＝Ｓ（ｘ），并且Ｓ（ｘ）满足：２ｓ（ｔ）（ｆ－１，２…川）ｐＩｓ（ｘ）ｃＣ２（ｃ为常数）数在［ａ，ｂ】内连续，则在型值点ｘｉ（ｉ＝ｌ～２…ｎ－１）处Ｓ（ｘ）满足（５－㈣求方程ｙ＝Ｓ（ｘ）的函数表达式，需要知道４（ｎ．１）个条件。己知Ｓ（ｘ）和它的一介及二阶导东南人学硕Ｌ学位论文Ｓ（ｘ，一０）＝Ｓ（ｘ，＋Ｏ）’Ｓ’（一一０）＝Ｓ’（ｘ，＋０）’Ｓ７（‘一０）＝Ｓ。（ｘ，＋０）（５－１６）这样总共有３ｎ－６个条件，加上式（５－ｉｓ）的ｎ个条件，共有４ｎ．６个条件，另外由于钻孔入口端和出口端是已知的，可以作为边界条件，即ｓ’（ｘｏ）＝疗Ｓ’（石。）＝∥这样总共有４ｎ－４个参数。（５－１７）由分段三次分段特征值，可得：ｎ－Ｉｓ（ｘ）＝∑［ｙ．ｔｌ＇，（ｘ）＋肼，屈（ｘ）】ｉ－－Ｏ（５·１８）式中（兰五土）２（１＋２—竺土）（ｆ：１…２．Ｊｆ）ｘ｝一ｘＰｌｘＰｌ一ｘｔｑ（力＝（兰二互生）２（１＋２兰玉啪：０…１埘一１）ｘｔ—ｘｔ＋ｔｘｔ“一Ｘ‘（５．１９）Ｏ（！二：互吐）２＠一‘）（ｆ＝ｌ…２．胛）ｔ一‘一ｌ屈（ｘ）＝（！二：：！ｌ生）２（ｘ—ｔ）（ｆ＝０，１，．．．ｉｖ／一１）ｘｔ—ｘｔ＋１（５－２０）Ｏ为了求出ｍｉ，考虑到ｓ（ｘ）在【ｘｉ，Ｘｉ＋Ｉ】上的表达式㈣＝坚号产剑只＋坚鼍产趔‰，＋坚警型历，＋坚等型ｈ÷（５—２１）ｈ÷式中囊＝ｘ。ｌ一膏．对ｓ（Ｘ）求二阶导数得趴加芋＂午同理，在［ｘｉ．Ｉ，ｘｄ上可得：６０于肘∽＋ｏ）＝和一知，＋嘉（ｙｍｌ）第五章水平定向钻进轨迹强优化设计研究∥（ｘ，－０）２石４肌一一石２％＋西６（只一¨因为Ｓ’（毛－０）＝Ｓ。（ｔ＋Ｏ）（ｆ＝１，２，．．．，ｎ－１），可得击％砣亡一扣＋杠－司ｃ丝产一丝孝肛啦，．－卅一，简化处理：（５—２２）＾所Ⅲ４－２ｍ。＋／２，ｍ，＋Ｉ＝ｇ』（ｆ＝１，２，…，／，／一１）式中：（５－２３）只＝ｚ，丛≯＝ｆｉｘＩ，Ｘ＃＋１】＾＝志一＝南ｃ础…舻·，ｇ，＝３（丑．厂【ｘＨ，ｘ，】＋Ｕｌ，【ｘ，，ｘ…】（ｆ＝１，２，．ｏ０９ｎ一１））式（５．２１）是关于未知数ｒｎ０，ｍｌ，ｍ２～．，ｒＩｌｌｌ的ｎ－１个方程组，由式５－１７可知，ｍｏ，ｍ。为边界条件，则方程式５—２２可写成以下矩阵形式：２朋０ＯＯＯＯＯＯ０００ｇ。一＾厂ｏ９２９３如２鸬０厶２００００（５－２４）０…乃一２０…０２≠一ｏ２ｇ。一２屯。且Ｍ％％～％％ｇ¨一／ｄ．一ｌ厂’。加上边界条件式（５－１６），则得到另外两个方程：ｆ２％＋码＝３九％，葺卜ｉｈｏ，。ｓ１２％一。＋％＝ｓ瓜＋毛卜等刀＝岛以钻孔轨迹到地面的平均距离为目标函数：（５－２５）Ｆ（ｘ）＝（』地），ｋ式中的ＬｏＮ为钻孑Ｌ入孔到出孑Ｌ的水平距离。３、约束条件的确定（５－２６）约束条件包括型值点的取值范围和曲线上任何一点的曲率半径的限制。（１）型值点的约束型值点的取值范围与所铺管线的控制深度、障碍物区域的位置和大小以及探测仪器的探测深度有关，假设待铺管线的控制深度为ｈ（见表５．１），钻机的铺管能力为Ｈ（见表５．２、表５－３）（一般情况下，Ｈ＞ｈ）例，则对于第ｉ个障碍物区域Ｐ。（其中心坐标Ｐ，（）（，，Ｙ，），区域半径为Ｒｉ）的型值点的取值范围为：６１东南大学硕上学位论文只∈（＾，ｒ一１．３Ｒ，一１．５Ｄ／２）ｕ（Ｙ，＋１３Ｒ，＋１．５Ｄ／２，何）（ｆ＝１，２，…，竹一１）表５．１各种管线的控制覆土深度及与其它管线的净距【５９－６２］管线类型控制覆士深度控制净距电力１．２００．５０通信１．３０Ｏ．ＩＳ煤气１．４００．５０给水１．４００．１５雨水沟１．５００．【５下水道１．５００．ｔ５表５．２典型国内探测仪的参数［６３，６４１仪器型号及名称，［作频率／ＫＨｚ探测方式最大测深／ｍ最大误差／ｃｍＧＸＹ－２０００型地卜．管线探测仪５０ＧＸ－２管线探测仪１．２３．６ＢＫ－６Ａ地下金属线探测仪７６．８ｌＰＧＤ管线电缆探测仪２０直接法磁偶极法＞＝５直线法磁偶极法１０磁偶极法感应法５１０音频：±（１—５）％深度射频：±（５－１２）％深度５ｃｍ＋１０％５ｅｍ＋１０％深度＜３％的深度深度表５．３典型国外探测仪的参数【６３．６５．６６１仪器型号及名称工作频率／ｋＨｚ探测方式ＳＵＲＥ．ＬｏＣＫ７５Ｒ／７５Ｔ管线探测仪１２ＶＲｌ０００Ｂ地卜．金属探测仪ＦＬ８．３Ｑ音频管线探测仪２０多频智能管线探测仪８．１８１４８０２９８０４３３００００００＋／－１５０直接法磁偶极法被动源法直线法磁偶极法被动源法８直线法磁偶极法被动源法１５．３０定位检漏最大测深，ｍ最大误差／ｃｍ７＿３１５３％～５％深度３％～５％深度５％深度５ｃｍ＋５％深度（２）曲线的曲率半径Ｐ约束如前所述，要求钻孑Ｌ轨迹的弯曲变化比较平缓，反映在数学方程上就是其任何一点的曲率半径不能超出一定的常数Ｃ。根据数学知识易知：对于光滑曲线方程ｆ（ｘ）ｃｃ。１（ｎ∈Ｎ且ｎ≥２。Ｃ为常数），曲线上任何一点的曲率半径Ｋ为：拈高等邓，其中［Ｋ】＿２０６＋Ｄ＋Ｓ／Ｋ（５—２７）（５·２８）【Ｋ】为钻孔的最小弯曲半径Ｄ为待铺管线半径ｓ为安全系数，Ｓ＝１～２，本系统选择Ｓ＝２。Ｋ为待铺管线的屈服极Ｉ琨（Ｎ／ｍｍ２）第五章水平定向钻进轨迹屉仡化设计研究５．４轨迹方程的光顺外形设计常用“光顾”程度１６７ｌ来表示，“光顺”通常包括：１、曲线应是光滑的，不应出现弯折。２、曲线上不应有局部鼓起或凹陷。３、曲线没有“瘪”的现象。钻孔轨迹方程是由若干型值点来确定的，同机械中的外型设计一样，如果型值点不能够很好匹配，则会使方程出现不光顺的情况。当采用数学方法在计算机上自动进行光顺时，首先应把上述光顺要求用数学方法描述出来。曲线不出现弯折，相当于曲线具有连续的一阶导数。若二阶导数也连续，则曲线的光滑性更好。没有不应有的局部鼓起或凹陷，相当于曲线没有多余的拐点，即曲线的凹陷符合设计要求。没有“瘪”就是曲线曲率在同号区间内，不出现两个或者两个以上的极值。图５．１０不流线的曲线由障碍物区域确定的型值点以及三次样条函数计算出的型值点的二阶导数值是判别轨迹方程光顺的基础，数学方法主要是通过以下方法对轨迹方程实现光顺判别：首先按设计要求将整条曲线分成单凹和单凸（无拐点）的区间，分界点即为拐点。按拟合给定点的三次样条函数，即可求出该区间上的拐点。因为三次样条函数ｓ（ｘ）的二阶导数为一次函数，则满足：Ｓ’（ｘ。）＝０的点为拐点。由于三次样条函数在型值点之间是单拐或者是无拐，二阶导数最多出现一次变号，所以，只要能够确定型值点处的二阶导数符号就能看出整段曲线的光顺情况。（５－２９）整条曲线按拐点分段后，使光顺判别问题简化为判别：只＋Ｙ”＜０（净ｌ，２，．．．，ｎ）（５－３０）的点即为不光顺的点。式中ｎ为该段曲线，Ｐ。是预先给定的二阶导数的符号（取＋ｌ或者．１）。实际计算表明，当曲线很平缓时，即少的绝对值很小，按式（５－２８）判别将出现迭代不止的现象。这时轨迹方程可认为是光顺的，不需要修改，因此，满足Ｐ＋Ｙ。＜Ｏｒａｙ，＞占查堕查兰堡生兰竺堡奎的点才认为是不光顺的点。通常￡＝１０４。按判别式（５．２８）进行光顺工作称为粗光顺。在满足粗光顺的情况下，还可以对曲线提出更高的要求，在曲率同号的区间内，当曲率出现极值时，曲线的光顺就不好。当出现两个及其以上极值时，轨迹曲线会出现明显的“瘪”的现象。对于类似钻孔轨迹方程的小绕度曲线，血率可以用二阶导数近似表示。以下讨论中，均用二阶导数表示曲率。图５．１ｌ表示了光顺及不光顺时，二阶导数的情况。ｌＬＭ—八一Ｖ◇；ｒ一……一１图５－１１光顺对二阶导数的要求对于特定的二阶导数的同号区间，若型值点的二阶导数出现两个或者两个以上的极值，就会出现轨迹方程不光顺。即在二阶导数的同号区间内只允许：（正Ｉ一∞·（圹一蚱。）＜０（５－３１）出现一次，满足式（５．２９）为精光顺。由此可见，曲线方程的不光顺主要是存在不能满足要求的型值点，本文称这些型值点为“坏点”，凡是满足判别式（５．３０）的点即为坏点，阶导数同号区间内，只＋Ｙ’＜Ｏｃ、ｙ，＞占的情况出现两次或者两次以上时，式的第ｉ点都为坏点。５．５本章小结本章首先介绍了定向钻进轨迹设计中的几何参数，阐述了轨迹设计中的主要内容：然后，分析了轨迹设计中的优化方法，针对地下障碍物多，一般设计方法无法满足施工要求的情况，提出了轨迹设计最优化的数学模型及设计方法。第六章系统抗干扰技术发低功耗设计第六章系统抗干扰技术及低功耗设计６．１系统的抗干扰技术㈣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。６．１．１硬件电路的抗干扰设计１、在ＰＣＢ板上每一个ＩＣ都接入高频特性好的０．１ｕＦ的旁路电容，旁路电容的引线短而且紧靠需要旁路的集成芯片的ＶＣＣ和ＧＮＤ端，以消除高频干扰。２、布线时，电源线和地线尽量粗一些，在ＰＣＢ板进行铺地，这样有利于无线发射时稳定，除减小压降，更重要的是抑制电源线和地线阻抗引起的振荡。３、由于测量范围的要求，实际在电路中传输的信号为低频信号，采用一点接地，电路中各个功能电路的“地”直接用接地导线和零电位基准点连接。４、ＰＣＢ板稚线时避免出现９０度折线和锐角折线，减少高频噪声发射。５、ＭＳＰ４３０闲置的引脚不悬空，接地或者是接ＶＣＣ，或者是按照技术手册的要求连接。其他集成电路ＩＣ的闲置引脚在不改变逻辑状态的情况下接电源或者接地。６、注意晶振布线，晶振会产生噪声，晶振要尽量靠近单片机的相关引脚，连接线尽量短。７、布线时尽量减少回路环的面积，以降低感应噪声。８、ＩＣ器件尽量直接焊在电路板上，少用ＩＣ底座。６．１．２系统的软件抗干扰设计当ＣＰＵ受到干扰后，可能得到错误的数据信息，使用运算操作数失真，导致结果出错，并将这个错误一直传递下去，形成一系列的错误。如果ＣＰＵ因干扰得到错误的地址信息会引起程序运行偏离正常轨道，导致程序失控。在程序设计对主要的软件抗干扰方法有：指令冗余、软件陷阱和看门狗技术。ｌ、指令冗余法单片机受到干扰后，往往会把操作数当作指令码来执行，使程序的正确执行顺序被打乱且程序出现乱飞，即程序跑飞。程序跑飞到某一单字节指令上时，便可自动进入正轨；当程序跑飞到某一双字节指令上时，又可能会落到操作数上，从而继续出错。当程序跑飞到三字节指令上时，因为它有两个操作数，继续出错的机会就更大。因此，我们应采用单字节指令，并在关键的地方人为的插入一些单字节指令（ＮＯＰ），或将有效单字节指令重复书写，这便是指令冗余。２、软件陷阱法单片机最容易受到干扰的是内部程序计数器（Ｐｃ）的值，在受到强干扰时，ＰＣ的值就改变，造成程序跑飞到非程序区，可在非程序区设置拦截措施，使程序进入陷阱，强迫程序进入一个指令的地址，执行一段专门针对程序出错的处理程序，软件陷阱通常由３条指令构成，ＥＲＲ为指定地址：茎塑盔兰堡主兰丝堡奎ＮＯＰＮＯＰＬＪＭＰＥＲＲ软件陷阱一般安排在３种地方：未使用的中断区、未使用的大片ＲＯＭ空间和程序区。软件陷阱应安排在正常程序执行不到的地方，它不影响程序执行的效率。３、看门狗技术ＰＣ受到干扰而失控，引起程序乱飞，也能够使程序进入死循环。指令冗余和软件陷阱都不能使失控的程序摆脱死循环的困境，通常采用看门狗技术使程序脱离死循环。单片机程序设计～般采用循环方式运行，每一次循环的时间基本固定。看门狗就是不断地监视程序的运行时间，若发现程序运行超过设定的循环时间，则认为系统陷入了死循环，然后强迫程序返回到００００Ｈ程序入口，在００００Ｈ处安排一段处理程序，使系统运行纳入正轨。６．２硬件的低功耗设计嵌入式系统的功耗是受很多方面的因素影响的，它主要取决于系统的技术指标，芯片和元器件的选择，以及系统的工作方式。地下传感器探头需要在地下工作８．１０ｄ，时，采用电池供电，而电池的容量又非常有限，随着外部条件的变化放电时间也不同，因此探头的功耗问题成为设计的重点问题。６．２．１低功耗解决方案在单片机控制系统中，系统的功耗往往和电源电压的大小成一定比例关系，电源电压高，系统的功耗相应的也会增大，因此在功耗要求很严格的智能水表控制系统中，在保证功能的前提下，尽量选择低的电源电压。地下传感器探头的能耗主要由三部分构成：第一部分是控制器中单片机（ＣＰＵ）运行时的能耗；第二部分是探头采集数据时的能耗；第三部分是探头无线发射时的能耗。６．２．２低功耗设计为了尽可能的降低探头运行时的功耗，延长电池的使用寿命，本系统中考虑从以下几个方面来实现整体的低功耗设计。１、选择低功耗无线发射芯片在探头系统中，无线发射芯片所占的功耗占整个系统的９０％以上，降低无线发射芯片的功耗是系统低功耗运行的关键。本系统选用甚低频发射芯片ＸＥｌ２０９，是一个ＣＭｏＳ低功耗发射芯片，该芯片有四种工作模式，在不使用时，可置于睡眠模式以降低功耗。２、选择低功耗器件除选用低功耗的微处理器外，其他的器件也必须为低功耗型，如选用ＣＯＭＳ器件，它最大的优点是微功耗（静态功耗几乎为零），其次是输出逻辑电平范围大，因而抗干扰能力强，同时它的工作温度范围也很宽。３、选择低的工作电压和低的工作频率首先，ＭｓＰ４３０Ｆ４４９电源电压采用的是ｌ。８～３．６Ｖ电压。因而可使其在ＭＨｚ的时钟条件下运行时，芯片的电流会在２９０ｕＡ左右，时钟关断模式的最低功耗只有０．１ｕＡ。其次，独特的时钟系统设计。在ＭＳＰ４３０Ｆ４４９中有两个不同的系统时钟系统：基本时钟系统和锁频环（ＦＬＬ＋）时钟系统和ＤＣＯ数字振荡器时钟系统。使用一个低速晶体６６第六章系统抗干扰技术及低功耗设计振荡器（３２７６８Ｈｚ）和高速晶体振荡器，由系统时钟系统产生ＣＰＵ和各功能所需的时钟。并且这些时钟可以在指令的控制下，打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制。由于系统运行时打开的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有着显着的不同。在系统中共有一种活动模式（ＡＭ）和五种低功耗模式（ＬＰＭ０～ＬＰＭ４）。在等待方式下，耗电为１．１ｕＡ，在节电方式下，掉电模式（ＲＡＭ数据保持）耗电仅０．１ｕＡ。东南大学硕士学位论皿第七章总结与展望７．１全文小结本文以１１公司的ＭＳＰ４３０Ｆ４４９超低功耗单片机为核心，通过软硬件设计与调试，完成了地下传感发射探头系统中钻头姿态参数、温度和电池电压的检测。通过研究电磁波在土壤中的传播特性，选择了频率为３６．８６ｋＨｚ的甚低频无线发射芯片ＸＥｌ２０９，并对发射天线进行了设计。另外，本文还对钻进轨迹的优化设计进行了研究。经过一年的攻关，取得了不少阶段性成果，现将主要研究成果和结论归纳如下：ｌ、完成了传感器探头数据采集的设计。以ＴＩ超低功耗单片机ＭＳＰ４３０Ｆ４４９为核心，结合双轴加速度计ＡＤＸＬ２０２完成了倾角和工具面向角的测量；根据方位角的特点及系统采用的螺线天线的性能，提出了由接收线圈测量方位角的原理；温度测量选用ＤＡＬＬＡＳ公司的数字芯片ＤＳｌ８８２０，减少了外围电路的设计；电池电压测量选用了ｎ公司的ＢＱ２６２２０，可以精确的采集电池电压等参数。２、完成了数据的无线发送。系统在分析螺线管天线电磁波地下衰减特性的基础上，选择了甚低频发射芯片ＸＥｌ２０９，设计了螺线管天线，经实验表明ＸＥｌ２０９有较强的地下穿透能力，解决了地下无线通信这一关键性技术问题。３、完成了水平定向钻进轨迹的优化设计。分析轨迹设计中相关参数及设计内容，通过最优化方法对钻进轨迹迸行了优化设计，并给出了具体的数学模型及约束条件，对钻进轨迹软件的研究有很大的作用。７．２展望随着非开挖技术的不断发展和进步，对传感器探头及钻进轨迹的精度和可靠性要求越来越高。水平定向钻进跟踪与导向系统是一个较复杂的综合性系统，本文只是就其中传感器探头和钻进轨迹一些关键技术作了一定深度和广度的研究。无论从哪一方面来讲，都还有大量的工作要做。具体从本文出发，需进一步深入研究与完善的问题包括：ｌ、在姿态参数测量方面，可以通过改善探头的结构减少加速度计的安装误差；增加防震措施减少因振动引起的姿态参数测量误差；也可以进一步研究姿态参数的测量方法如光电式面向角传感器的设计。２、在甚低频无线发射方面，可以通过改进芯片的外围电路获得更大的发射频率，如选择更加合适的铁氧体材料绕制天线，同时可以通过对发射电磁波在地下不同介质中的衰减特性的进一步分析，建立更加精确电磁波地下衰减模型。３、地下传感发射探头与地面手持设备之问的无线发射通信方面，需进一步实现其数字通信，实现数字信号的同步、调制和解调等技术。４、在钻进轨迹研究方面，可以继续研究不同优化方式下的数学模型，在钻进轨迹的实时调控方面也应进行进一步研究。总之，本文所开展的研究工作，虽然取得了一些成果，得出了许多有益的结论，并在实践中得到了检验，但仍存在一些需要进一步研究的问题。这些问题的解决必将有利于填补国内在高性能的定位与导向仪器方面的空白。该仪器与国产的水平定向钻机配套，可形成具有自主知识产权的技术上领先的产品，必将产生巨大的经济效益和社会效益，对企业乃至国民经济的发展具有巨大的促进作用。致谢致谢在攻读硕士学位的近三年的间里，我得到了导师戴义保副教授的悉心指导和关怀。他严谨务实的科研工作态度和认真负责的品格给我留下了深刻的印象，也深深的影响了我：同时，他传授给了我许多思考和解决问题的方法，并为我们创造了良好的工作和学习环境。在此，谨向戴老师表示我崇高的敬意和由衷的感谢！要感谢同实验室的同学们，我的同门韩斌，我的师弟蒋伟、何伟，他们在学习和工作中给予了各种帮助并提出了许多宝贵建议。我要感谢我的父母家人，是他们２０余年来的关怀支持与无私奉献，让我得以专心致志完成自己的学业：我还要感谢我的朋友，是他们在我遇到困难的时候给予了我许多帮助。在此向他们以及所有帮助过我的人致以真诚的感谢，并谨以此文献给他们！东南大学预ｉ：学位论文参考文献【ｌ】Ｃａｉ【２】ＬｅｉＪＧＷａｎｇＸＮ．ＨｏｒｉｚｏｎｔａｌＤｉｒｅｃｔｉｏｎａｌＤｒｉｌｌｉｎｇ（ＨＤＤ）ＴｅｅｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＡｐｐｉｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．ＭｏｄｅｍｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｏｎＴｕｎｎｅｌｌｉｎｇＴｅｃｈｎｏｈｉｇｙ，２００４，（ｚ２）．＇３６４－，３６８ＹＨ．，ＧｕｏＺＢ，ＬｉｕＱＱ．ＴｈｅｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｄｒｉｌｌｉｎｇｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａｐｅｔｒｏｌｅｕｍｐｉｐｅｌｉｎｅ［Ｃ］－Ｉｎ：Ｐｒｏｃ．ｏｆｔｈｅ【３】ＬｕｅｋｅＪＳ，Ａｒｉａｒａｍａｍａｓｓｏｃｉａｔｅｄｗｉｔｈｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ１０６．１１７ｗｏｒｌｄｅｎｇｉｎｅｅｒｓ’ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎｒｅｓｏｎｆｃｅｓａｎｄｅｎｅｒｇｙ，，２００４．Ｆ－Ａ：３４６－３４８ＳＴ．Ｔｒｅｎｃｈｌｅｓｓｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｒｅｓｅａｒｃｈ·Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｏｆｓｕｒｆａｃｅｈｅａｖｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｄｒｉｌｌｉｎｇ［Ｊ］．Ｔｕｎｎｅｌｌｉｎｇａｎｄｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｓｐａｃｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．２，００６，．２ｌ（１）：【４】ｈｔｔｐ：／／ｎｏｄｉｇ．．ｃｕｇ．ｅｄｕ．ｃｎ／Ｈｔｍｌ／Ｔｅｃｈ＿Ａｒｔｉｃａｌ／Ａｒｔｉｃｌｃ＿Ｆ：ｕｎｄａｔｉｏｎＡｒｔｉｃｌｅ／Ｏｒｉｇｉｎ＿２００７８１０２２２２２２２２３．．ｈｔｍｌ【５】８ｔｈＡｎｎｕａｌＨｏｒｉｚｏｎｔａｌＤｉｒｅｃｔｉｏｎａｌＤｒｉｌｌｉｎｇＳｕｒｖｅｙｉｎＵＳＡ［Ｒ］．ＥＱＵＩＰＭＥＮＴＦＯＲＧＥＯＴＥＣＨＮＩＣＡＬＥＮＧＩ［ＮＥＥＲＩＮＧ，［２００７．Ｓ（１）：３３－３６【６】ＨａｏＳＪ．ＴｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＨｏｒｉｚｏｎｔａｌＤｉｒｅｃｔｉｏｎａｌＤｒｉｌｌｉｎｇｉｎｃｏａｌｍｉｎｅｓ【Ｊ】ＣｏａｌＧｅｏｌｏｇｙ＆Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ，．２００４．，３２（２）：５７．．５９【７】刘刚．流砂地层的非开挖导向钻进工法探讨【Ｊ】．探矿工程－岩十钻掘一［程，２００５．１：３２．３４【８】熊勃，隆威．某通信工程中的非开挖水平定向钻进技术应＿Ｉ｛ｊ探讨【Ｊ】．探矿工程一岩土钻掘工程，２００５．，（１２）：【９】ＧｕｉｄｅｄＢｏｒｉｎｇ＆ＤｉｒｅｃｔｉｏｎａｌＤｒｉｌＨｎｇ。ＩｓＴＴ－ＡｓＴＴ［１０ｉｌＤｅｎ＇，ＨｅｎｒｙＲ．ＡｎＯｐｉｎｉｏｎａｔｅｄＲｅｖｉｅｗｏｆＴｒｅｎｃｈｌｅｓｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｆｏｒＰｉｐｅｌｉｎｅＲｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ［ｃ】．Ｉｎ：Ｐｒｏｃ．ｏｆｔｈｅＡＳＣＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＰｉｐｅｌｉｎｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．ＮｅｗＰｉｐｅｈｎｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，ＳｅｃｕｒｉｔｙａｎｄＰｉｐｅｌｉｎｅＳａｆｅｔｙ．２００３，１：５３０－．５３９ｉｎｔｈｅｙｅａｒ２０００【１１］Ｋｒａｍｅｒ，Ｔｈｏｍｓｏｎ．ＴｒｅｎｃｈｌｅｓｓｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙＰｒｏｊｅｃｔ，１９９７．＂１７４－１８２ＪＳ，ＡｆｉａｒａｔｎａｍＳＴ．Ｔｒｅｎｃｈｌｅｓｓａｎｄｂｅｙｏｎｄ【ｃ】ＡｍＰｒｏｃ．ＣｏｎｆＴｒｅｃｈｌｅｓｓ［１２】Ｌｕｅｋｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｒｅｓｅａｒｃｈ－ＮＩｌｕｍｅｒｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｏｆｓｕｒｆａｃｅｈｅａｖｅａｓｓｏｃｉａｔｅｄｗｉｔｈｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｄｄｎｉｎｇ［Ｊ］．Ｔｕｎｎｅｌｌｉｎｇａｎｄｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｓｐａｃｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００６，．２１（Ｉ）：１０６－１１７１７【１３】颜纯文，ＳｔｅｉｎＤ，非开挖地下管线施工技术及其应用［Ｍ］．地震出版社，１９９９：１００－．１【１４】Ｍｌｏｕｃｈｅ，，Ａｒｉａｒａｔｎａｍ，Ｌｕｅｋｅ．Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｄｒｉｌｌｉｎｇ：ｐｒｏｆｉｌｅｏｆａｎｅｍｅｒｇｉｎｇｉｎｄｕｓｔｒｙ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＭａｎａｇｅｍｅｎｔ，２０００，１２６（１）：６ｓ－：７６【１５】水平定向钻进技术．中国非开挖技术协会，２０００．．【１６】ＬｉｕＱ，ＪｉａｎＲ，ＺｈａｎｇＧ，ｅｔａ１．Ｄｅｖｉｃｅｆｏｒｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇｗｏｒｋｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｄｒｉｎｉｎｇ［Ｐ］．中国专利，ＣＮ２００９５５３８７－Ｙ．２００７［１７】ＴＵＤＥＳＨＫＩＨ，ＫＯＥＧＬＥＲＲ．Ｌａｙｉｎｇｂｕｒｉｅｄｐｉｐｅｓｗｉｔｈｏｕｔｔｒｅｎｃｈｄｉｇｇｉｎｇ，ｐｕｌｌｅｄｔｈｒｏｕｇｈｃｈａｎｎｅｌｓｆｏｒｍｅｄｂｙｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｄｒｉｌｌｉｎｇ，ｔｈｅｐｉｐｅｓａｒｃｖｉｂｒａｔｅｄａｓｔｈｅｙａｌｅｐｕｌｌｅｄｔｏａｖｏｉｄｄａｍａｇｅａｎｄａｌｌｏｗｌａｒｇｅｐｉｐｅｓｔｏｂｅｌａｉｄ［Ｐ］．德国专利，ＤＥｌ０２００４０４９１３５．－Ａ１．２００６【１８】鲁琴，罗武胜，徐涛，等．水平定向钻进跟踪与导向仪中地下传感发射探头的设计【Ｊ】．电子技术应用．２００４．，３（５）：１０－ｒ１２【１９】ＣｏｌｅＳＢ．Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｄｏｗｒ，ｈｏｌｅｔｏｏｌｓｙｓｔｅｍｆｏｒｕｓｅｗｉｔｈｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｄｒｉｎｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｔｏｍｏｎｉｔｏｒｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｒｅｃｅｉｖｉｎｇａｓｓｅｍｂｌｙｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇｓｉｎｇｌｅａｓｓｅｍｂｌｙ，ｃｏｍｐｒｉ．，ｓｅｓａｎｔｅｎｎａａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ，ａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｏｒ［Ｐ］．ＡｍｅｒｉｃａＰａｔｅｎｔ．ＭＳ２００５１８９１４３．－ＡＩ．２００５【２０】陈军红，陈宝义．非开挖导向钻进钻孔轨迹优化设计［Ｊ］．山西建筑．２，００７．，３３（２）：１４．１５【２”史晓亮，段隆臣，侯树刚，等．导向钻进非开挖轨迹优化设计【Ｊ】．煤田地质与勘探【Ｊ］．２００１．，２９（６）：６２－６３【２２】张德龙，蒋荣庆．非开挖导向钻进实际轨迹的控制设计【Ｊ】．吉林大学学报（地球科学版）２００３，３３（２）：２４６－２４８参考立献［２３】ＣｏｌｅＳＢ，ＣａｍｐｂｅｌｌＭＲＧｕｎｓａｕｌｉｓＦＲ．Ｂｅａｃｏｎａｓｓｅｍｂｌｙ，ｕｓｅｆｕｌｆｏｒｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｌｏｃａｔｉｏｎａｎｄｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ，ｅ．吕ｏｆｄｏｗｎｈｏｌｅｔｏｏｌａｓｓｅｍｂｌｙ，ｃｏｍｐｒｉｓｅｓｐｒｏｃｅｓｓｏｒｆｏｒｏｐｅｒａｔｉｏｎｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓｉｇｎａｌａｎｄｔｏｃｏｎｆｉｇｕｒｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｆｏｒｐａｒａｍｅｔｅｒｉｎｒｅｓｐｏｎｓｅｔｏ【２４】ＳｔｕｍｐｂｅａｃｏｎＧＳ，ＡｌｌｅｎＣｓｉｇｎａｌ［Ｐ】．Ｗ０２００４０７６７９９－Ａ２；ＵＳ２００５１１５７０６－Ａ１．２００５Ｔ．Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｎｇｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎａｂｏｖｅ－ｇｒｏｕｎｄｌｏｃａｔｏｒａｎｄｓｕｂ－ｓｕｒｆａｃｅｄｒｉｌｌｉｎｇｉｎｖｏｌｖｅｓｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇｂｅａｃｏｎｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｌｙｓｉｇｎａｌｆｒｏｍｂｅａｃｏｎ［Ｐ］．ＵＳ２００５１９９４２４－ＡＩ；ＵＳ７１８２１５１一Ｂ２．２００５【２５】王学军．水平定向钻地下钻进规划软件—ＤｒｉｌｌＳｍａｒｔ（Ｊ】．工程机械，２００４，３５（６）：４－６［２６】ＡｌｌｏｕｃｈｅＥＮ，ＡｒｉａｒａｔｎａｍＳＴ，ＭａｃＬｅｏｄＣＷ．Ｓｏｆｔｗａｒｅｄｒｉｌｌｉｎｇｆｏｒｐｌａｎｎｉｎｇａｎｄｃｏｓｔｃｏｎｔｒｏｌｉｎｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｐｒｏｊｅｃｔｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｍａｌｏｆｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄｍａｎａｇｅｍｅｎｔ－ＡＳＣＥ，２００３，１２９（４）：４４６－４５３【２７】胡大可．ＭＳＰ４３０系列超低功耗１６位单片机原理与应用［Ｍ】．北京：北京航空航天出版社，２０００．１—２０【２８】魏小龙．ＭＳＰ４３０系列单片机接口技术及系统设计实例【Ｍ】．北京：北京航空航天出版社，２００２．１－４２ｌ［２９ｌ沈建华，杨艳琴，翟骁曙．ＭＳＰ４３０系列１６位超低功耗单片机原理与应用口ｄ】．北京：清华大学出版社，２００４．２１．９６ｆ３０］章仁为．卫星轨道姿态动力学与控制ｆＭ】．北京：北京航空航天大学出版杜，１９９９．８１－９４［３Ｉ】洪连迸．电容式硅微加速度传感器的研究【Ｊ１．电机与控制学报，１９９７，ｌ（４）：２５０－２５３［３２】肖鹏．基于ＭＥＭＳ技术的差分电容式加速度微传感器的研究和设计【Ｄ】：［硕士学位论文】．西安：硅安电子科技大学微电子学与同体电子学专业。２００６【３３］尤晖，李川奇．电容式微加速度传感器的现状及研究方向【Ｊ】．中国机械Ｔ程，１９９８，９（１０）：５７－６２［３４】ＡｎａｌｏｇＤｅｖｉｃｅｓ．ＡＤＸＬ０５－ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒｗｉｔｈｓｉｇｎａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ【ｚ】．１９９５．【３５】喻言，欧进萍。无线加速度传感器的ＭＥＭＳ芯片ＡＤＸＬ２０２应＿Ｈ；Ｊ设计与集成【Ｊ】．仪表技术与传感器。２００５．（８）：４４４５【３６】韩屏．加速度传感器ＡＤＸＬ２０２在无线监测中的应用【Ｊ】．单片机与嵌入式系统应用，２００６，（９）：４８．５０【３７】王文蓉．基于单总线技术的温度检测系统的设计【Ｊ】．科技资讯工业技术，２００７，（５）：３０一３１【３８】韩志军，刘新民．数字温度传感器ＤＳｌ８８２０及其应用【Ｊ】．南京工程学院学报（自然科学版），２００３，ｌ（１）：９—１４［３９】１＂Ｉ公司关于电池监控芯片ｂｑ２６２２０的资料［４０１杨涌，谢显中．电池管理及监控设计［ｊ１．２００７【４Ｉ】李子忠．农田土壤水分和电导率空间变异性及确定其采样数的方法【Ｊ】．中国农业大学学报，２０００，５：５９－６６［４２】孙宇瑞，土壤含水率和盐分对土壤电导率的影响【Ｊ】．中国农业学学报，２０００，５：３９－４１［４３】Ｒ．Ｋ．旺斯纳斯著，陈菊华等译．电磁场【Ｍ】．北京：科学出版社，１９８７［４４】ＸＥｌ２０９参考手册【４５】陶晋宜．甚低频电磁波穿透地层无线通信系统天线装置的研究［Ｊ】．太原理工大学学报，１９９９，３２（２）［４６】林昌禄．近代天线设计ＥＭ】．北京：人民邮电出版社，１９９３．９８．１３９【４７】ＭａｈｏｍｏｕｄＳＥＣｈ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