1 结构设计

　　地下传感发射探头放置在钻具的空腔内，受体积限制。为保证通用性，采用与国际上同类产品相一致的尺寸φ32cm×380cm。探头结构如图1所示。主要分为电池部分(两节二号电池)、天线部分(带磁芯的线圈)、调制与功放部分以及传感器部分。

　　2 硬件设计

　　地下传感发射探头主要完成钻头倾角、工具面向角、温度和电池电量等参数的检测以及甚低频电磁波信号的发送。其硬件组成框图如图2所示。为适应野外长时间工作的特点，系统硬件采用了低功耗设计。

　　2.1 控制器的选取

　　MSP430F149是TI公司生产的一种Flash型超低功耗16位单片机，具有处理能力强、运行速度快、可靠性高等特点，能适应工业级运行环境，特别适合于电池应用的场合或手持设备。本系统选择它作为系统的主控制器。 DSP存储器的读/写：由4个控制输入管脚选择。IDMA接口选择IS和地址锁存使能(IAL)有效时，ADSP2189将地址总线上的地址写入IDMA控制寄存器，被锁存的地址不能由主控制器读回。IDMA接口选择IS和读选通IRD有效时，ADSP2189将IDMA控制寄存器所指的存储单元内容输出到IDMA数据总线上。IDMA接口选择IS和写选通IWR有效时，ADSP2189将数据总线上的输人数据写到IDMA控制寄存器所指的存储单元中。访问应答IACK确认数据读/写操作的完成，作为IDMA接口忙的指示信号。

　　2.2 传感器设计

　　传感器均选用低功耗产品。倾角传感器采用新型MEMS微硅单轴加速度计，具有高精度(0.1%～1.0%)、高分辨率(2%og～5%og)、宽动态范围、低偏置、低灵敏度漂移、低噪声水平、低功耗等特点。通过配备相应的处理电路完成倾角的测量。面向角传感器采用双轴加速度计，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MSP430F149定时器输入相连。

　　相关模拟信号电压的采集由MSP430F149完成。MSP430F149的ADCl2是12位精度的A/D转换模块，具有高速、通用的特点。其最大采样速率为200kSPS，内装采样/保持电路，可选择软件、采样定时器或其它片内定时器控制采样周期。ADCl2的8个可配置的外部信号采样通道具有单通道单次、单通道重复、序列通道单次等多种转换模式。在此系统中，采用序列通道单次转换模式。

　　2.3 MSP430F149与ADSP2189接口设计

　　ADSP2189程序的引导、数据输入与输出均通过MSP430F149控制实现。ADSP2189采用IDMA方式与MSP430F149相连，如图3所示。IDMA接口是一个并行的I/O接口，带有16位地址/数据总线。该总线支持对16位数据存储器和24位程序存储器的访问。IDMA接口的读/写访问是完全异步的。在ADSP2189全速运行时，MSP430F149可以通过IDMA接口直接访问处理器的内部存储器，硬件连接简单。

　　2.4 源模块的设计

　　地下传感发射探头体积小。由结构设计知，探头只能靠两节二号电池供电。为满足地下长时间工作的需要，探头电源模块的设计非常重要。此电源模块需要给传感器部分、微控制器部分和功率放大部分分别提供+3.3V、+2V、±5V和±12V的电压，并且+5V需提供50mA的输出电流，±12V的输出电流需达到80mA。考虑到成本、效率、输出纹波、噪声及静态电流等问题，最终选择MAXIM公司生产的几款高集成度、高转换效率的可控型DC-DC转换器，将两节锂电池的输入转换为所需的电压值。当传感器、功放等单元处于休眠时，MSP430F149可同时关断相关电源转换模块，以达到省电的目的。通过实验测试证明，探头可连续工作12个小时，电源模块的转换效率达80%以上。