基于MSP430 单片机的应答器设计与应用

王 钗 钟睿祺 任文静 樊俊明 唐兴虎

(1.东方地球物理公司西安物探装备分公司 陕西 西安 710077;2.北京航空航天大学电子信息工程学院 北京 100191)

0 引 言

海上石油勘探中常用的一种方法就是海底电缆勘探，它是利用投放在海底的检波器来接收地震信号。但是在施工过程中，由于受到海流、潮汐等诸多因素的影响，检波器很难放到预先设计的位置，这种位置误差会直接影响海洋勘探采集质量。为了有效地测量和监测检波器的实际位置，需要采用定位系统对检波器的位置进行二次定位。

在海洋勘探和水下定位相结合方面，英国的Sonardyne 公司和美国的ION 公司走在了世界的前沿。目前东方地球物理公司已自主研发了能够满足海底电缆二次定位的“BPS(Bottom Positioning System)声学定位系统”，并且正式投入实际生产，应用效果良好，填补了我国在水下高精度定位导航和水下工程测量领域的空白。

此系统主要由主控机、应答器、编程器、声学换能器及GPS 五部分组成［1］，主控机发射电信号，通过声学换能器转化为声信号，应答器接收来自主控机的声信号并作出相应的回应。这个过程也需要声学换能器的传播，主控机再根据接收到应答器的回应信号以及GPS 的坐标值，最终解算出水下应答器的具体位置，从而完成定位功能。

它们逻辑连接关系示意如图1 所示，本文主要讲述MSP430 单片机在声学定位系统应答器中的应用。

图1 系统各部分逻辑连接关系示意图

1 应答器工作原理及系统功能

应答器是声学定位系统的一个核心部件，它是布放于海底的全密闭式低功耗系统，每一个应答器的组号的ID 号(地址码)的值可以根据需求设定。它主要包含一套声信号处理装置和射频信号处理装置，当应答器检测出是呼叫自己的组信号时，会利用声纳设备发出回应信号。

系统框图如图2 所示，整个系统主要由接收电路模块，发射电路模块，电源及复位电路模块组成。

图2 系统框图

接收电路主要功能是将接收到主控机及编程器的频率信号进行放大、滤波、解调变成AD 可以采样的高低电平。发射电路主要实现将从单片机MSP430F149 的P2.3 出来的信号经HC244 得到驱动放大，放大的信号由JP10 接到磁线圈与电容C26 组成串联谐振电路，把特定的频率信号发射出去。电源电路可以为应答器提供稳定可靠的电源，并且转化为各个芯片所需要的电压，一般为5 V 和3.3 V;复位电路主要实现应答器上电复位，使CPU 及系统各部件处于确定的初始状态。

2 系统的硬件组成

2.1 主控芯片及外围电路

主控芯片选用TI 公司的MSP430F149，看重其低功耗模式［2、3］和灵活的时钟控制，并且自带12 位A/D［4］，为应答器电量的测量简化了硬件设计，此外其内部60 KB的程序存储空间，足够源程序的使用，免去外接E2PRAM;电源部分采用合泰公司的HT7150 和HT7133 芯片实现，该芯片能很好地满足系统的要求，另外这两种芯片的封装很小，可以节约PCB 板面积。

复位电路采用MAX809STR 芯片，复位电路可以采用R-C 复位电路，但是使用复位芯要比使用R-C 复位电路的可靠性高，因此我们就采用MAX809STR 芯片来实现系统的复位。

2.2 接收电路

接收电路主要实现对主控机和编程器发射的两个频率信号进行放大、滤波、解调变成单片机易于处理的负脉冲信号。信号从声探头输入到应答器电路板，解调信号经3702C 分两路输出到MSP430F149 的P1. 1 和P1.3 口。

2.3 发射电路

发射电路完成信号的放大发射功能，单片机输出的两路脉冲经门电路增加驱动能力后，由功率场效应管推挽放大，再经变压器放大，送到声探头。

发射电路直接采用D 触发器［5］实现由TTL 到CMOS电平转换，或非门增加驱动功率MOS 管的能力;变压器变比增大到1:20，提高发射功率，增加有效作用距离;考虑变压器初级发射电压在12 V 左右，串联法拉电容提高电容耐压，替代大尺寸的大容量电解电容，使得应答器板子所占空间减少。

3 系统软件设计

系统采用C 语言进行程序设计，大大提高了开发调试的工作效率。整个系统程序包括主程序，信号判断子程序，信号解码子程序，发射子程序，信号回应及系统修复子程序。软件组成框架结构图如图3 所示。

图3 软件组成框架结构图

主程序主要包括系统的初始化;对晶振、P1 端口、寄存器、计数器等硬件的初始化;计数值的读取、处理、计算;低功耗等待中断。

信号判断子程序主要对编程器以及主控机发射的编码进行中断信号的识别判断，防止干扰信号引起应答器误动，提高应答器工作的可靠性。

信号解码子程序，主控机发送到应答器的信号是固定的“010”，因此不需要解码。而编程器发送到应答器的读应答器信号亦是固定的“01100110”。整个通信过程，解码主要针对编程器设置应答器时的操作，软件要根据收到的组号、ID 号的编码来确定组号和ID 号。

发射子程序，当应答器判断出是主控机还是编程器发来的信号，就要回复相应的编码信号。给主控机回复的是单频信号，给编程器回复的是24 位频率信号。

信号回应及系统修复子程序主要是对接收信号的回复，完成一次通信。当有误码存在时，修正误码改变的参量。当编程器设置和读取应答器时，应答器均回复24 位编码。当DAU 发送组号编码到应答器，若等于应答器的组号，则应答器回应自身ID 所对应的频率信号;若不等于，则应答器退出中断。当应答器收到的信号，在上面三种情况之外，应答器不回应任何信号，同时重新复位各个参量，由定时器B 完成。当应答器持续1 s 没有收到任何信号，则复位各参量，等待下一次有效的信号。

4 应答器性能与应用效果

4.1 应答器性能指标

目前研制的应答器的性能已经达到甚至超过国外同类产品的指标。应答器性能指标见表1，应答器实物图如图4 所示。

4.2 野外试验

将BPS 声学定位系统在陕西省礼泉泔河水库进行野外试验验证，在应答器按照规定的测线放入水中之前，使用编程器为应答器预置组号ID 号。再进行试验前的准备工作，安装换能器支架，测试水深、声速。最后安装好硬件及软件系统后，用BPS 声学定位系统对已设置好的应答器进行定位测试。应答器定位距离图如图5 所示，从定位距离图可以看出，应答器的应答率有了明显提高，系统工作稳定性提高，通过这次的试验结果证明了基于MSP430 技术的应答器的应用是成功的。

表1 应答器性能指标

图4 应答器实物图

图5 应答器定位距离图

5 结束语

基于MSP430 单片机技术的应答器通过野外试验证明技术性能良好，可以满足声学定位的需求。应答器的成功研制及应用，可以满足浅海过渡带和海底电缆的二次定位高精度的技术要求，使我国拥有了首个具有独立自主知识产权的海上石油勘探声学定位产品，填补了国内空白，摆脱了对进口产品的信赖，增强了行业竞争力。基于MSP430 单片机技术的应答器应用于野外生产作业，显著降低了海上勘探的成本投入，大大提高了浅海作业的核心竞争力，创造了良好的经济效益和社会效益。

［1］任文静，樊俊明.BPS 声学二次定位系统在石油勘探中的应用［J］.物探装备，2009，19:54 -57.

［2］胡大可. MSP430 系列超低功耗16 位单片机原理与应用［M］.北京:北京空航天大学出版社，2000:19 -22.

［3］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［M］. 北京:清华大学出版社，2004:131-137.

［4］魏小龙.单片机接口技术及系统设计实例［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2002:227 -273.

［5］阎 石.数字电子技术基础［M］. 北京:高等教育出版社，1997:203 -213.