基于MEMS的小型高精度測(cè)斜儀的設(shè)計(jì)

陳宏濤

摘 要：文中介紹了一種具有小型、高精度、低功耗等優(yōu)點(diǎn)的測(cè)斜儀設(shè)計(jì)方法，其采用MEMS加速度傳感器ADXL357、地磁傳感器RM3100完成對(duì)重力加速度、地磁場(chǎng)信號(hào)的采集，并在低功耗Cortex-M0+處理器ATSAMD21中完成信號(hào)濾波、位置校正、姿態(tài)解算等過(guò)程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該測(cè)斜儀完全可滿(mǎn)足工程應(yīng)用的需要。

關(guān)鍵詞：小型高精度測(cè)斜儀;MEMS;ADXL357;RM3100;ATSAMD21

中圖分類(lèi)號(hào)：TP39文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2019）02-00-04

0 引 言

隨鉆測(cè)量技術(shù)是指在鉆進(jìn)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)各種軌跡參數(shù)（井斜、方位、工具面）連續(xù)實(shí)時(shí)測(cè)量的技術(shù)，是定向鉆孔技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)重要組成部分。隨鉆測(cè)量技術(shù)是在石油鉆井領(lǐng)域首先發(fā)展起來(lái)的，但是隨著應(yīng)用拓展，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各種行業(yè)的定向鉆孔施工中。例如，煤礦行業(yè)的定向鉆孔勘測(cè);在城市管道建設(shè)中，為了達(dá)到避障、環(huán)保等目的，目前廣泛采用非開(kāi)挖技術(shù)的管線穿越施工，這些都需要用到定向鉆孔技術(shù)與隨鉆測(cè)量系統(tǒng)。

測(cè)斜儀：通過(guò)采集當(dāng)?shù)刂亓铀俣刃盘?hào)和磁場(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)，經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償、位置校正、姿態(tài)解算等處理，計(jì)算出各種軌跡參數(shù)數(shù)據(jù)，并提供合適的通信接口與外部主機(jī)通信。測(cè)斜儀是隨鉆測(cè)量系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，其技術(shù)指標(biāo)（精度、溫度等級(jí)、尺寸、功耗）決定了整個(gè)隨鉆測(cè)量系統(tǒng)的性能。

在石油鉆井領(lǐng)域，由于井眼很深，井下溫度很高（可能超過(guò)150 ℃），而且靶窗（目標(biāo)地層）尺寸很小，這就要求測(cè)斜儀不僅具備較高的溫度等級(jí)，同時(shí)需要非常高的測(cè)量精度。其尺寸一般較大，功耗較高，價(jià)格昂貴，單價(jià)約為100 000元。

在煤礦鉆孔以及城市非開(kāi)挖施工等領(lǐng)域，儀器的溫度等級(jí)、精度要求不高（溫度不超過(guò)85 ℃，井斜小于0.5°，方位角小于5°），但儀器尺寸、成本、功耗限制條件比石油鉆井行業(yè)苛刻，其技術(shù)指標(biāo)要求：直徑≤20 mm，功耗≤0.2 W，單價(jià)≤5 000元。

電子技術(shù)的發(fā)展日新月異，新方法、新工藝的使用促進(jìn)了傳感器產(chǎn)品的不斷演進(jìn)，使其堅(jiān)定不移地沿著小型化、低耗能、高精度的路線前進(jìn)。MEMS傳感器是當(dāng)下最熱門(mén)的研究方向，其產(chǎn)品已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到智能手機(jī)、汽車(chē)、航空等領(lǐng)域，正影響著人們生活的方方面面。

本文介紹了一種新的小型鉆孔測(cè)斜儀的實(shí)現(xiàn)方式，其采用最新的傳感器和處理器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)小型化、低功耗、高精度的設(shè)計(jì)目標(biāo)，完全可以滿(mǎn)足煤礦鉆孔和城市非開(kāi)挖施工領(lǐng)域的技術(shù)要求。

1 關(guān)鍵元件選型

1.1 加速度傳感器

ADI公司新推出的ADXL357是一款擁有數(shù)字輸出接口的低噪聲、低漂移、低功耗三軸MEMS加速度計(jì)，其測(cè)量范圍涵蓋±10.24 g，±20.48 g和±40.96 g，內(nèi)部集成有20 bit的ADC和可編程的低通和高通濾波器，既可做振動(dòng)檢測(cè)，也可實(shí)現(xiàn)高精度的傾斜測(cè)量，靈活度高。

ADXL357實(shí)現(xiàn)了工業(yè)級(jí)世界領(lǐng)先的低噪聲、最小溫度漂移、長(zhǎng)期穩(wěn)定性、只需極少量的校準(zhǔn)工作即可實(shí)現(xiàn)精密測(cè)量，它具備高頻低噪聲性能，提供高分辨率的加速度測(cè)量，兼之測(cè)量范圍寬，可避免振動(dòng)狀態(tài)下的信號(hào)飽和造成平穩(wěn)控制誤差，可在高沖擊、高振動(dòng)的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)精確可靠的傾斜測(cè)量。

ADXL357體積小巧，集成度高，功耗低，測(cè)量時(shí)僅需200 μA電流，在狀態(tài)監(jiān)控的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、無(wú)人駕駛飛機(jī)等機(jī)載平臺(tái)、物聯(lián)網(wǎng)等電池供電應(yīng)用中能夠延長(zhǎng)電池壽命。

ADXL357運(yùn)行溫度為-40 ℃～125 ℃，滿(mǎn)足石油測(cè)井等高溫應(yīng)用領(lǐng)域的需求。

1.2 磁場(chǎng)強(qiáng)度傳感器

PNI公司是全球可靠的磁傳感器供應(yīng)商，在電子指南針領(lǐng)域占有絕對(duì)的市場(chǎng)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)。憑借30多年的經(jīng)驗(yàn)，PNI已成為精準(zhǔn)定位、運(yùn)動(dòng)跟蹤和傳感器系統(tǒng)融合應(yīng)用領(lǐng)域的一流專(zhuān)家。

PNI的傳感器（包含算法）已經(jīng)在具有精準(zhǔn)定位、高精確度和低功耗等要求的物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目和其他關(guān)鍵應(yīng)用中成功實(shí)施，并已成為這些領(lǐng)域的重要基石。PNI的磁傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高分辨率、低功耗、高抗噪聲干擾能力、大動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍和高采樣率。

PNI公司新推出的RM3100是三維磁傳感器套件，具有低功耗、高分辨率、高重復(fù)性和低噪聲等特點(diǎn)，即使溫度變化，測(cè)量結(jié)果亦能保持穩(wěn)定，沒(méi)有固有的零點(diǎn)漂移，這些都使得RM3100成為理想的地磁傳感器解決方案。

RM3100的量程為±8 Guass，分辨率為0.26 mGuass，線性度為0.5%。

1.3 主控處理器

在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，隨著越來(lái)越多的設(shè)備變得更加智能，聯(lián)網(wǎng)程度越來(lái)越高，設(shè)計(jì)人員對(duì)MCU提出了更高的要求。為了緊跟市場(chǎng)發(fā)展潮流，Atmel新推出了基于Cortex M0+的SAM D21系列MCU—ATSAMD21，其具有功耗低、通信接口豐富和體積小巧等特點(diǎn)。

ATSAMD21內(nèi)部集成了Atmel的專(zhuān)利技術(shù)Event System，可以在無(wú)需MCU干預(yù)并且無(wú)需消耗總線帶寬和內(nèi)存資源的前提下實(shí)現(xiàn)對(duì)事件的實(shí)時(shí)控制，大大提高了MCU的實(shí)時(shí)控制能力，亦可降低實(shí)時(shí)系統(tǒng)的主頻需求，進(jìn)而降低系統(tǒng)功耗。

ATSAMD21集成了6路SERCOM模塊，可以配置成USART接口、SPI接口或I2C接口，極大的靈活性使得MCU具備極高的連接擴(kuò)展性。

ATSAMD21支持12通道DMA，通過(guò)鏈表描述符可以實(shí)現(xiàn)三個(gè)層次的數(shù)據(jù)傳輸（BEAT，BLOCK，TRANSACTION），輕易實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜數(shù)據(jù)的傳輸控制。

ATSAMD21集成了全速USB 2.0接口（主機(jī)或外設(shè)），支持硬件乘法器，最高主頻為48 MHz，運(yùn)行模式下內(nèi)核消耗70 μA/MHz，是低功耗、實(shí)時(shí)互聯(lián)應(yīng)用的理想器件。

2 電路設(shè)計(jì)

測(cè)斜儀在電路設(shè)計(jì)上，充分考慮了系統(tǒng)集成的便利性，無(wú)論是在電源供電還是通信接口上都設(shè)計(jì)成能夠兼容的方式。

考慮到3.3 V和5 V是工業(yè)電子產(chǎn)品中最常見(jiàn)的兩種電源，測(cè)斜儀的供電VCC設(shè)計(jì)成兼容3.3 V供電和5 V供電的方式，供電范圍在3.01～5.5 V之間都可正常工作。測(cè)斜儀電路的原理框圖如圖1所示。

電路內(nèi)部采用一款超低壓差的線性穩(wěn)壓器TPS73630，其產(chǎn)生的3 V電壓作為系統(tǒng)主電源給各個(gè)芯片供電。選擇TPS73630的一個(gè)重要原因在于其低壓差特性（帶載50 mA時(shí)僅10 mV壓差）使得供電范圍的下限可以低至3.01 V，大大增強(qiáng)了系統(tǒng)供電的適應(yīng)能力。同時(shí)TPS73630支持關(guān)斷控制，當(dāng)EN使能腳為低時(shí)，電路進(jìn)入ShutDown模式，耗電量可忽略不計(jì)。

測(cè)斜儀在支持常規(guī)RS 232通信接口的同時(shí)，還支持UART串口通信。在MCU的UART接口與儀器外部接口之間增加了電平變換芯片，一方面可以同時(shí)兼容3.3 V電平和5 V電平，另一方面可以作為接口保護(hù)，起到緩沖隔離的作用。

主控MCU ATSAMD21通過(guò)2路SPI接口獨(dú)立與加速度傳感器ADXL357和地磁傳感器套件RM3100通信，上電初始化時(shí)配置其數(shù)據(jù)輸出速率，測(cè)量時(shí)通過(guò)定時(shí)/計(jì)數(shù)模塊（TC）以固定采樣頻率連續(xù)獲取傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)。

測(cè)斜儀的功耗設(shè)計(jì)極低，具體分析如下：

（1）MCU（48 MHz主頻，若干外設(shè)）：實(shí)測(cè)電流約為5 mA。

（2）ADXL357（輸出速率500 Hz）：電流約為0.2 mA。

（3）RM3100（輸出速率25 Hz，高精度模式）：電流約為7.8 mA。

（4）MAX3232：靜態(tài)功耗0.3 mA，19 200 bps下間斷發(fā)射，發(fā)射電流約為10 mA。

（5）間斷發(fā)射（6%占空比）平均功耗約為1 mA。

（6）其他電路功耗≤1 mA。

若測(cè)斜儀工作在連續(xù)采集模式下，總消耗電流約為15 mA;若測(cè)斜儀工作在點(diǎn)測(cè)模式下，測(cè)量完成后MCU降低主頻至1 MHz，若點(diǎn)測(cè)頻率≤2 Hz，系統(tǒng)總電流消耗平均值≤2 mA。

3 程序設(shè)計(jì)

為了在振動(dòng)環(huán)境下獲得準(zhǔn)確的姿態(tài)信息，此處給ADXL357設(shè)定一個(gè)較高的采樣頻率，考慮到振動(dòng)頻率一般不超過(guò)200 Hz，采樣頻率為500 Hz即可滿(mǎn)足要求，而地磁傳感器對(duì)振動(dòng)不敏感，采用較低的采樣頻率（如25 Hz）即可。通過(guò)SPI獲取ADXL357 三軸數(shù)據(jù)共計(jì)10 B，周期為2 ms，獲取RM3100三軸數(shù)據(jù)共計(jì)10 B，周期為40 ms。

采用傳統(tǒng)查詢(xún)方式進(jìn)行SPI通信顯然不可行，本文實(shí)現(xiàn)方案充分利用了處理器的Event System專(zhuān)利技術(shù)，通過(guò)事件驅(qū)動(dòng)方式高效實(shí)現(xiàn)了SPI接口自動(dòng)采集功能。程序采用處理器中的兩個(gè)TC模塊控制兩路SPI接口，TC的WO（Wave Out）信號(hào)接到SPI的片選線CS上，實(shí)現(xiàn)片選信號(hào)周期自動(dòng)生成，同時(shí)WO信號(hào)進(jìn)入EVSYS（Event System）作為事件源，驅(qū)動(dòng)DMA自動(dòng)發(fā)送SPI數(shù)據(jù)包（10 B），同時(shí)SPI的接收數(shù)據(jù)包通過(guò)DMA自動(dòng)接收到緩沖區(qū)。

DMA接收完成后產(chǎn)生中斷，中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)接收數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移存儲(chǔ)，然后重置DMA接收描述符，最后設(shè)定接收完成標(biāo)志，等待主程序查詢(xún)處理。

事件驅(qū)動(dòng)部分程序處理流程如圖2所示。

主程序上電后先進(jìn)行初始化處理，配置完成處理器時(shí)鐘及PIO，TC，SERCOM，DMA等外設(shè)的初始化，然后分別進(jìn)行ADXL357和RM3100的配置。

在主循環(huán)體中，程序不斷查詢(xún)ADXL357接收完成標(biāo)志，每接收到一包數(shù)據(jù)（2 ms）后就更新統(tǒng)計(jì)次數(shù)，當(dāng)達(dá)到設(shè)定值（如40次）后執(zhí)行后面的運(yùn)算處理程序。

運(yùn)算處理程序中先對(duì)3軸加速度信號(hào)和3軸地磁場(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)分別進(jìn)行均值濾波處理，然后進(jìn)行位置校正和刻度補(bǔ)償，還原出真實(shí)的正交分量數(shù)據(jù)，最后進(jìn)行姿態(tài)解算，得出井斜角、方位角、工具面角、重力模量、地磁模量等信息。

4 標(biāo)定、驗(yàn)證

測(cè)斜儀完成組裝調(diào)試后，將其安裝到高精度數(shù)字校驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行標(biāo)定，如圖4所示。

標(biāo)定過(guò)程采用6特殊位置法，通過(guò)專(zhuān)用標(biāo)定軟件計(jì)算出加速度傳感器和磁場(chǎng)強(qiáng)度傳感器的位置校正矩陣，以及傳感器各個(gè)軸的零偏和靈敏度標(biāo)定系數(shù)。

標(biāo)定完成后，標(biāo)定軟件給測(cè)斜儀下發(fā)命令，更新測(cè)斜儀處理器FLASH中存儲(chǔ)的校正系數(shù)，處理器采用如下算法校準(zhǔn)重力加速度信號(hào)和地磁場(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)：

式中：vx，vy，vz為采集的信號(hào);bx，by，bz為零偏;sx，sy，sz為靈敏度;為傳感器敏感軸和儀器定義坐標(biāo)軸之間的位置校正矩陣。

驗(yàn)證過(guò)程采用6×36=216組測(cè)量點(diǎn)，起始位置為標(biāo)定過(guò)程中的6特殊位置，然后繞一個(gè)軸每隔10°測(cè)量一次，216組角度數(shù)據(jù)分別與校驗(yàn)臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)角度數(shù)據(jù)對(duì)比，計(jì)算出均值誤差μ和標(biāo)準(zhǔn)差σ，最后用μ±1σ作為儀器的測(cè)量精度指標(biāo)。部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖5所示。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，儀器測(cè)量精度較高，達(dá)到了設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)要求。井斜角：±0.3°，方位角：±3°，工具面：±0.5°。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了一種基于高精度MEMS三軸加速度傳感器ADXL357和高精度地磁傳感器RM3100的測(cè)斜儀，在實(shí)現(xiàn)小型化的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了極低的功耗設(shè)計(jì)，傳感器自身的高精度特性結(jié)合位置校正、刻度補(bǔ)償?shù)葘?zhuān)業(yè)算法實(shí)現(xiàn)了較高的測(cè)量精度。測(cè)斜儀供電簡(jiǎn)單、通信接口易于實(shí)現(xiàn)，利于系統(tǒng)集成，具有很好的實(shí)用價(jià)值，市場(chǎng)前景廣闊。

參 考 文 獻(xiàn)

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