基于MEMS的小型高精度测斜仪的设计

陈宏涛

摘 要：文中介绍了一种具有小型、高精度、低功耗等优点的测斜仪设计方法，其采用MEMS加速度传感器ADXL357、地磁传感器RM3100完成对重力加速度、地磁场信号的采集，并在低功耗Cortex-M0+处理器ATSAMD21中完成信号滤波、位置校正、姿态解算等过程。实验结果表明该测斜仪完全可满足工程应用的需要。

关键词：小型高精度测斜仪;MEMS;ADXL357;RM3100;ATSAMD21

中图分类号：TP39文献标识码：A文章编号：2095-1302（2019）02-00-04

0 引 言

随钻测量技术是指在钻进的同时实现对各种轨迹参数（井斜、方位、工具面）连续实时测量的技术，是定向钻孔技术领域的一个重要组成部分。随钻测量技术是在石油钻井领域首先发展起来的，但是随着应用拓展，已经被广泛应用于各种行业的定向钻孔施工中。例如，煤矿行业的定向钻孔勘测;在城市管道建设中，为了达到避障、环保等目的，目前广泛采用非开挖技术的管线穿越施工，这些都需要用到定向钻孔技术与随钻测量系统。

测斜仪：通过采集当地重力加速度信号和磁场强度信号，经过温度补偿、位置校正、姿态解算等处理，计算出各种轨迹参数数据，并提供合适的通信接口与外部主机通信。测斜仪是随钻测量系统中的关键部件，其技术指标（精度、温度等级、尺寸、功耗）决定了整个随钻测量系统的性能。

在石油钻井领域，由于井眼很深，井下温度很高（可能超过150 ℃），而且靶窗（目标地层）尺寸很小，这就要求测斜仪不仅具备较高的温度等级，同时需要非常高的测量精度。其尺寸一般较大，功耗较高，价格昂贵，单价约为100 000元。

在煤矿钻孔以及城市非开挖施工等领域，仪器的温度等级、精度要求不高（温度不超过85 ℃，井斜小于0.5°，方位角小于5°），但仪器尺寸、成本、功耗限制条件比石油钻井行业苛刻，其技术指标要求：直径≤20 mm，功耗≤0.2 W，单价≤5 000元。

电子技术的发展日新月异，新方法、新工艺的使用促进了传感器产品的不断演进，使其坚定不移地沿着小型化、低耗能、高精度的路线前进。MEMS传感器是当下最热门的研究方向，其产品已经被广泛应用到智能手机、汽车、航空等领域，正影响着人们生活的方方面面。

本文介绍了一种新的小型钻孔测斜仪的实现方式，其采用最新的传感器和处理器技术，实现小型化、低功耗、高精度的设计目标，完全可以满足煤矿钻孔和城市非开挖施工领域的技术要求。

1 关键元件选型

1.1 加速度传感器

ADI公司新推出的ADXL357是一款拥有数字输出接口的低噪声、低漂移、低功耗三轴MEMS加速度计，其测量范围涵盖±10.24 g，±20.48 g和±40.96 g，内部集成有20 bit的ADC和可编程的低通和高通滤波器，既可做振动检测，也可实现高精度的倾斜测量，灵活度高。

ADXL357实现了工业级世界领先的低噪声、最小温度漂移、长期稳定性、只需极少量的校准工作即可实现精密测量，它具备高频低噪声性能，提供高分辨率的加速度测量，兼之测量范围宽，可避免振动状态下的信号饱和造成平稳控制误差，可在高冲击、高振动的环境下实现精确可靠的倾斜测量。

ADXL357体积小巧，集成度高，功耗低，测量时仅需200 μA电流，在状态监控的无线网络、无人驾驶飞机等机载平台、物联网等电池供电应用中能够延长电池寿命。

ADXL357运行温度为-40 ℃～125 ℃，满足石油测井等高温应用领域的需求。

1.2 磁场强度传感器

PNI公司是全球可靠的磁传感器供应商，在电子指南针领域占有绝对的市场和技术优势。凭借30多年的经验，PNI已成为精准定位、运动跟踪和传感器系统融合应用领域的一流专家。

PNI的傳感器（包含算法）已经在具有精准定位、高精确度和低功耗等要求的物联网项目和其他关键应用中成功实施，并已成为这些领域的重要基石。PNI的磁传感器技术实现了高分辨率、低功耗、高抗噪声干扰能力、大动态测量范围和高采样率。

PNI公司新推出的RM3100是三维磁传感器套件，具有低功耗、高分辨率、高重复性和低噪声等特点，即使温度变化，测量结果亦能保持稳定，没有固有的零点漂移，这些都使得RM3100成为理想的地磁传感器解决方案。

RM3100的量程为±8 Guass，分辨率为0.26 mGuass，线性度为0.5%。

1.3 主控处理器

在物联网时代，随着越来越多的设备变得更加智能，联网程度越来越高，设计人员对MCU提出了更高的要求。为了紧跟市场发展潮流，Atmel新推出了基于Cortex M0+的SAM D21系列MCU—ATSAMD21，其具有功耗低、通信接口丰富和体积小巧等特点。

ATSAMD21内部集成了Atmel的专利技术Event System，可以在无需MCU干预并且无需消耗总线带宽和内存资源的前提下实现对事件的实时控制，大大提高了MCU的实时控制能力，亦可降低实时系统的主频需求，进而降低系统功耗。

ATSAMD21集成了6路SERCOM模块，可以配置成USART接口、SPI接口或I2C接口，极大的灵活性使得MCU具备极高的连接扩展性。

ATSAMD21支持12通道DMA，通过链表描述符可以实现三个层次的数据传输（BEAT，BLOCK，TRANSACTION），轻易实现对复杂数据的传输控制。

ATSAMD21集成了全速USB 2.0接口（主机或外设），支持硬件乘法器，最高主频为48 MHz，运行模式下内核消耗70 μA/MHz，是低功耗、实时互联应用的理想器件。

2 电路设计

测斜仪在电路设计上，充分考虑了系统集成的便利性，无论是在电源供电还是通信接口上都设计成能够兼容的方式。

考虑到3.3 V和5 V是工业电子产品中最常见的两种电源，测斜仪的供电VCC设计成兼容3.3 V供电和5 V供电的方式，供电范围在3.01～5.5 V之间都可正常工作。测斜仪电路的原理框图如图1所示。

电路内部采用一款超低压差的线性稳压器TPS73630，其产生的3 V电压作为系统主电源给各个芯片供电。选择TPS73630的一个重要原因在于其低压差特性（带载50 mA时仅10 mV压差）使得供电范围的下限可以低至3.01 V，大大增强了系统供电的适应能力。同时TPS73630支持关断控制，当EN使能脚为低时，电路进入ShutDown模式，耗电量可忽略不计。

测斜仪在支持常规RS 232通信接口的同时，还支持UART串口通信。在MCU的UART接口与仪器外部接口之间增加了电平变换芯片，一方面可以同时兼容3.3 V电平和5 V电平，另一方面可以作为接口保护，起到缓冲隔离的作用。

主控MCU ATSAMD21通过2路SPI接口独立与加速度传感器ADXL357和地磁传感器套件RM3100通信，上电初始化时配置其数据输出速率，测量时通过定时/计数模块（TC）以固定采样频率连续获取传感器测量数据。

测斜仪的功耗设计极低，具体分析如下：

（1）MCU（48 MHz主频，若干外设）：实测电流约为5 mA。

（2）ADXL357（输出速率500 Hz）：电流约为0.2 mA。

（3）RM3100（输出速率25 Hz，高精度模式）：电流约为7.8 mA。

（4）MAX3232：静态功耗0.3 mA，19 200 bps下间断发射，发射电流约为10 mA。

（5）间断发射（6%占空比）平均功耗约为1 mA。

（6）其他电路功耗≤1 mA。

若测斜仪工作在连续采集模式下，总消耗电流约为15 mA;若测斜仪工作在点测模式下，测量完成后MCU降低主频至1 MHz，若点测频率≤2 Hz，系统总电流消耗平均值≤2 mA。

3 程序设计

为了在振动环境下获得准确的姿态信息，此处给ADXL357设定一个较高的采样频率，考虑到振动频率一般不超过200 Hz，采样频率为500 Hz即可满足要求，而地磁传感器对振动不敏感，采用较低的采样频率（如25 Hz）即可。通过SPI获取ADXL357 三轴数据共计10 B，周期为2 ms，获取RM3100三轴数据共计10 B，周期为40 ms。

采用传统查询方式进行SPI通信显然不可行，本文实现方案充分利用了处理器的Event System专利技术，通过事件驱动方式高效实现了SPI接口自动采集功能。程序采用处理器中的两个TC模块控制两路SPI接口，TC的WO（Wave Out）信号接到SPI的片选线CS上，实现片选信号周期自动生成，同时WO信号进入EVSYS（Event System）作为事件源，驱动DMA自动发送SPI数据包（10 B），同时SPI的接收数据包通过DMA自动接收到缓冲区。

DMA接收完成后产生中断，中断服务程序实现接收数据的转移存储，然后重置DMA接收描述符，最后设定接收完成标志，等待主程序查询处理。

事件驱动部分程序处理流程如图2所示。

主程序上电后先进行初始化处理，配置完成处理器时钟及PIO，TC，SERCOM，DMA等外设的初始化，然后分别进行ADXL357和RM3100的配置。

在主循环体中，程序不断查询ADXL357接收完成标志，每接收到一包数据（2 ms）后就更新统计次数，当达到设定值（如40次）后执行后面的运算处理程序。

运算处理程序中先对3轴加速度信号和3轴地磁场强度信号分别进行均值滤波处理，然后进行位置校正和刻度补偿，还原出真实的正交分量数据，最后进行姿态解算，得出井斜角、方位角、工具面角、重力模量、地磁模量等信息。

4 标定、验证

测斜仪完成组装调试后，将其安装到高精度数字校验台上进行标定，如图4所示。

标定过程采用6特殊位置法，通过专用标定软件计算出加速度传感器和磁场强度传感器的位置校正矩阵，以及传感器各个轴的零偏和灵敏度标定系数。

标定完成后，标定软件给测斜仪下发命令，更新测斜仪处理器FLASH中存储的校正系数，处理器采用如下算法校准重力加速度信号和地磁场强度信号：

式中：vx，vy，vz为采集的信号;bx，by，bz为零偏;sx，sy，sz为灵敏度;为传感器敏感轴和仪器定义坐标轴之间的位置校正矩阵。

验证过程采用6×36=216组测量点，起始位置为标定过程中的6特殊位置，然后绕一个轴每隔10°测量一次，216组角度数据分别与校验台的标准角度数据对比，计算出均值误差μ和标准差σ，最后用μ±1σ作为仪器的测量精度指标。部分实验数据如图5所示。

实验数据表明，仪器测量精度较高，达到了设计技术指标要求。井斜角：±0.3°，方位角：±3°，工具面：±0.5°。

5 结 语

本文介绍了一种基于高精度MEMS三轴加速度传感器ADXL357和高精度地磁传感器RM3100的测斜仪，在实现小型化的同时实现了极低的功耗设计，传感器自身的高精度特性结合位置校正、刻度补偿等专业算法实现了较高的测量精度。测斜仪供电简单、通信接口易于实现，利于系统集成，具有很好的实用价值，市场前景广阔。

参 考 文 献

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