基于MEMS的小型高精度測斜儀的設計

陳宏濤

摘 要：文中介紹了一種具有小型、高精度、低功耗等優點的測斜儀設計方法，其采用MEMS加速度傳感器ADXL357、地磁傳感器RM3100完成對重力加速度、地磁場信號的采集，并在低功耗Cortex-M0+處理器ATSAMD21中完成信號濾波、位置校正、姿態解算等過程。實驗結果表明該測斜儀完全可滿足工程應用的需要。

關鍵詞：小型高精度測斜儀;MEMS;ADXL357;RM3100;ATSAMD21

中圖分類號：TP39文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）02-00-04

0 引 言

隨鉆測量技術是指在鉆進的同時實現對各種軌跡參數（井斜、方位、工具面）連續實時測量的技術，是定向鉆孔技術領域的一個重要組成部分。隨鉆測量技術是在石油鉆井領域首先發展起來的，但是隨著應用拓展，已經被廣泛應用于各種行業的定向鉆孔施工中。例如，煤礦行業的定向鉆孔勘測;在城市管道建設中，為了達到避障、環保等目的，目前廣泛采用非開挖技術的管線穿越施工，這些都需要用到定向鉆孔技術與隨鉆測量系統。

測斜儀：通過采集當地重力加速度信號和磁場強度信號，經過溫度補償、位置校正、姿態解算等處理，計算出各種軌跡參數數據，并提供合適的通信接口與外部主機通信。測斜儀是隨鉆測量系統中的關鍵部件，其技術指標（精度、溫度等級、尺寸、功耗）決定了整個隨鉆測量系統的性能。

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

在煤礦鉆孔以及城市非開挖施工等領域，儀器的溫度等級、精度要求不高（溫度不超過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苛刻，其技術指標要求：直徑≤20 mm，功耗≤0.2 W，單價≤5 000元。

電子技術的發展日新月異，新方法、新工藝的使用促進了傳感器產品的不斷演進，使其堅定不移地沿著小型化、低耗能、高精度的路線前進。MEMS傳感器是當下最熱門的研究方向，其產品已經被廣泛應用到智能手機、汽車、航空等領域，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斜儀的實現方式，其采用最新的傳感器和處理器技術，實現小型化、低功耗、高精度的設計目標，完全可以滿足煤礦鉆孔和城市非開挖施工領域的技術要求。

1 關鍵元件選型

1.1 加速度傳感器

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

ADXL357實現了工業級世界領先的低噪聲、最小溫度漂移、長期穩定性、只需極少量的校準工作即可實現精密測量，它具備高頻低噪聲性能，提供高分辨率的加速度測量，兼之測量范圍寬，可避免振動狀態下的信號飽和造成平穩控制誤差，可在高沖擊、高振動的環境下實現精確可靠的傾斜測量。

ADXL357體積小巧，集成度高，功耗低，測量時僅需200 μA電流，在狀態監控的無線網絡、無人駕駛飛機等機載平臺、物聯網等電池供電應用中能夠延長電池壽命。

ADXL357運行溫度為-40 ℃～125 ℃，滿足石油測井等高溫應用領域的需求。

1.2 磁場強度傳感器

PNI公司是全球可靠的磁傳感器供應商，在電子指南針領域占有絕對的市場和技術優勢。憑借30多年的經驗，PNI已成為精準定位、運動跟蹤和傳感器系統融合應用領域的一流專家。

PNI的傳感器（包含算法）已經在具有精準定位、高精確度和低功耗等要求的物聯網項目和其他關鍵應用中成功實施，并已成為這些領域的重要基石。PNI的磁傳感器技術實現了高分辨率、低功耗、高抗噪聲干擾能力、大動態測量范圍和高采樣率。

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、高重復性和低噪聲等特點，即使溫度變化，測量結果亦能保持穩定，沒有固有的零點漂移，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

在物聯網時代，隨著越來越多的設備變得更加智能，聯網程度越來越高，設計人員對MCU提出了更高的要求。為了緊跟市場發展潮流，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。

ATSAMD21內部集成了Atmel的專利技術Event System，可以在無需MCU干預并且無需消耗總線帶寬和內存資源的前提下實現對事件的實時控制，大大提高了MCU的實時控制能力，亦可降低實時系統的主頻需求，進而降低系統功耗。

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具備極高的連接擴展性。

ATSAMD21支持12通道DMA，通過鏈表描述符可以實現三個層次的數據傳輸（BEAT，BLOCK，TRANSACTION），輕易實現對復雜數據的傳輸控制。

ATSAMD21集成了全速USB 2.0接口（主機或外設），支持硬件乘法器，最高主頻為48 MHz，運行模式下內核消耗70 μA/MHz，是低功耗、實時互聯應用的理想器件。

2 電路設計

測斜儀在電路設計上，充分考慮了系統集成的便利性，無論是在電源供電還是通信接口上都設計成能夠兼容的方式。

考慮到3.3 V和5 V是工業電子產品中最常見的兩種電源，測斜儀的供電VCC設計成兼容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。測斜儀電路的原理框圖如圖1所示。

電路內部采用一款超低壓差的線性穩壓器TPS73630，其產生的3 V電壓作為系統主電源給各個芯片供電。選擇TPS73630的一個重要原因在于其低壓差特性（帶載50 mA時僅10 mV壓差）使得供電范圍的下限可以低至3.01 V，大大增強了系統供電的適應能力。同時TPS73630支持關斷控制，當EN使能腳為低時，電路進入ShutDown模式，耗電量可忽略不計。

測斜儀在支持常規RS 232通信接口的同時，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，一方面可以同時兼容3.3 V電平和5 V電平，另一方面可以作為接口保護，起到緩沖隔離的作用。

主控MCU ATSAMD21通過2路SPI接口獨立與加速度傳感器ADXL357和地磁傳感器套件RM3100通信，上電初始化時配置其數據輸出速率，測量時通過定時/計數模塊（TC）以固定采樣頻率連續獲取傳感器測量數據。

測斜儀的功耗設計極低，具體分析如下：

（1）MCU（48 MHz主頻，若干外設）：實測電流約為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：靜態功耗0.3 mA，19 200 bps下間斷發射，發射電流約為10 mA。

（5）間斷發射（6%占空比）平均功耗約為1 mA。

（6）其他電路功耗≤1 mA。

若測斜儀工作在連續采集模式下，總消耗電流約為15 mA;若測斜儀工作在點測模式下，測量完成后MCU降低主頻至1 MHz，若點測頻率≤2 Hz，系統總電流消耗平均值≤2 mA。

3 程序設計

為了在振動環境下獲得準確的姿態信息，此處給ADXL357設定一個較高的采樣頻率，考慮到振動頻率一般不超過200 Hz，采樣頻率為500 Hz即可滿足要求，而地磁傳感器對振動不敏感，采用較低的采樣頻率（如25 Hz）即可。通過SPI獲取ADXL357 三軸數據共計10 B，周期為2 ms，獲取RM3100三軸數據共計10 B，周期為40 ms。

采用傳統查詢方式進行SPI通信顯然不可行，本文實現方案充分利用了處理器的Event System專利技術，通過事件驅動方式高效實現了SPI接口自動采集功能。程序采用處理器中的兩個TC模塊控制兩路SPI接口，TC的WO（Wave Out）信號接到SPI的片選線CS上，實現片選信號周期自動生成，同時WO信號進入EVSYS（Event System）作為事件源，驅動DMA自動發送SPI數據包（10 B），同時SPI的接收數據包通過DMA自動接收到緩沖區。

DMA接收完成后產生中斷，中斷服務程序實現接收數據的轉移存儲，然后重置DMA接收描述符，最后設定接收完成標志，等待主程序查詢處理。

事件驅動部分程序處理流程如圖2所示。

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

在主循環體中，程序不斷查詢ADXL357接收完成標志，每接收到一包數據（2 ms）后就更新統計次數，當達到設定值（如40次）后執行后面的運算處理程序。

運算處理程序中先對3軸加速度信號和3軸地磁場強度信號分別進行均值濾波處理，然后進行位置校正和刻度補償，還原出真實的正交分量數據，最后進行姿態解算，得出井斜角、方位角、工具面角、重力模量、地磁模量等信息。

4 標定、驗證

測斜儀完成組裝調試后，將其安裝到高精度數字校驗臺上進行標定，如圖4所示。

標定過程采用6特殊位置法，通過專用標定軟件計算出加速度傳感器和磁場強度傳感器的位置校正矩陣，以及傳感器各個軸的零偏和靈敏度標定系數。

標定完成后，標定軟件給測斜儀下發命令，更新測斜儀處理器FLASH中存儲的校正系數，處理器采用如下算法校準重力加速度信號和地磁場強度信號：

式中：vx，vy，vz為采集的信號;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軸之間的位置校正矩陣。

驗證過程采用6×36=216組測量點，起始位置為標定過程中的6特殊位置，然后繞一個軸每隔10°測量一次，216組角度數據分別與校驗臺的標準角度數據對比，計算出均值誤差μ和標準差σ，最后用μ±1σ作為儀器的測量精度指標。部分實驗數據如圖5所示。

實驗數據表明，儀器測量精度較高，達到了設計技術指標要求。井斜角：±0.3°，方位角：±3°，工具面：±0.5°。

5 結 語

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的測斜儀，在實現小型化的同時實現了極低的功耗設計，傳感器自身的高精度特性結合位置校正、刻度補償等專業算法實現了較高的測量精度。測斜儀供電簡單、通信接口易于實現，利于系統集成，具有很好的實用價值，市場前景廣闊。

參 考 文 獻

[1]王懿.如何選擇最適合您的MEMS加速度計？三大維度+關鍵指標！[R].高端慣性系統市場與技術，2017版.

[2]劉建強，汪小華，林新華，等.三維磁感式電子羅盤的研制與標定[J].儀表技術與傳感器，2012（6）：19-21.

[3]叢培田，孟海星，韓輝，等. 基于C8051F005單片機和MEMS加速度傳感器ADXL311的傾角儀[J].儀表技術與傳感器，2010（1）：36-37.

[4]劉武發，蔣蓁，龔振邦.基于磁阻和MEMS加速度傳感器的電子羅盤設計及應用[J].兵工學報，2008，29（2）：244-248.

[5]王嵐.鉆孔測斜技術發展現狀及展望[C]// 安全高效煤礦地質保障技術及應用，2007：390-392.

[6] Analog Devices， Inc. ADXL356/ADXL357： Low Noise， Low Drift， Low Power， 3-Axis MEMS Accelerometers Data Sheet[EB/OL]. http：//www.analog.com/.2017.

[7]李志瑞，程萬里，杜永章.基于CC2530無線MEMS加速度傳感器設計與驗證[J].物聯網技術，2015，5（6）：6-8.

[8]袁雪松.MEMS加速度計在不同量程下的溫度影響性能測試方法[J].物聯網技術，2017，7（8）：90-91.