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在本次研究中，主要通過硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)對(duì)mems傳感器進(jìn)行分析。

1硬件設(shè)計(jì)

1）硬件電路總體結(jié)構(gòu)。根據(jù)石油勘探的需求，結(jié)合MEMS傳感器工作原理與特點(diǎn)，數(shù)據(jù)采集器主要采用低噪聲運(yùn)放OPA4228設(shè)計(jì)高信噪比的模擬放大電路，并依靠24位高分辨率的A/D芯片接入DSP。在DSP系統(tǒng)中，根據(jù)數(shù)字信號(hào)處理方式，以信號(hào)頻域、時(shí)域特性為基礎(chǔ)，通過提取弱信號(hào)來提高信噪比[1]。2）MEMS加速傳感器。本次研究中，MEMS加速傳感器以硅為基礎(chǔ)，屬于差動(dòng)電容式傳感器。差動(dòng)式電容的中間電極由加速傳感器質(zhì)量模塊構(gòu)成，電容器中間電極面積就是質(zhì)量模塊面積。兩邊電極與質(zhì)量模塊分別形成2個(gè)電容器。在傳感器運(yùn)行過程中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)在Y方向（不確定的某一方向）出現(xiàn)加速度時(shí)，質(zhì)量模塊就會(huì)向該方向的反方向偏離，導(dǎo)致電容出現(xiàn)相對(duì)變化，電容相對(duì)變化的大小，即為加速度的實(shí)際值。現(xiàn)階段，常見的MEMS加速傳感器為三臂梁結(jié)構(gòu)的加速傳感器，該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：質(zhì)量模塊不是方形結(jié)構(gòu)，而是一種正六邊形結(jié)構(gòu)，臂梁與硅片主晶之間不全部平行。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)。MEMS加速傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)為靈敏度與固有頻率，其中，靈敏度Y的計(jì)算公式。

2軟件設(shè)計(jì)

石油勘探MEMS傳感器數(shù)據(jù)采集器的軟件系統(tǒng)，包括DSP程序模塊系統(tǒng)、ARM程序模塊設(shè)計(jì)等，本以此為基礎(chǔ)，對(duì)石油勘探MEMS傳感數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的團(tuán)建系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行分析。1）DSP程序設(shè)計(jì)。DSP程序需要完成A/D轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)、數(shù)字濾波與信號(hào)識(shí)別等多方面內(nèi)容。本文簡單統(tǒng)計(jì)常規(guī)條件下DSP程序運(yùn)行流程圖，具體數(shù)據(jù)見圖1。《儀表技術(shù)和傳感器》指出[3]，5509是DSP程序中支持eXpress-DSPTM的關(guān)鍵，同時(shí)，5509所使用的唯一內(nèi)存映射（代表程序空間與數(shù)據(jù)空間所共處的空間）。同時(shí)，在DSP設(shè)計(jì)過程中，要保證每個(gè)DARAM模塊都能在特定時(shí)間內(nèi)完成固定訪問（一般情況下為2次/周）。2）數(shù)據(jù)信號(hào)處理程序。為保證石油勘探MEMS傳感器數(shù)據(jù)采集器能有效收集、處理相關(guān)數(shù)據(jù)，必須要對(duì)數(shù)字信號(hào)處理程序進(jìn)行優(yōu)化。其中，CAN通信模塊是整個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)處理程序的核心，本文通過CAN通信模塊設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)處理程序進(jìn)行討論。現(xiàn)階段，CAN控制器主要存在兩種工作模式，分別為增強(qiáng)模式與基本模式，兩種模式均遵照CAN協(xié)議，進(jìn)行錯(cuò)誤數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)編碼等工序。CAN基本模式發(fā)送、接收等緩沖器長度為10字符，并且支持一種幀格式，一幀信息通常為2~10字節(jié)，前兩位字符由遠(yuǎn)程請求、描述符等組成。描述符之后就是數(shù)據(jù)場，由1~8字符組成，負(fù)責(zé)分析、記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。CAN增強(qiáng)模式支持?jǐn)U展幀與標(biāo)準(zhǔn)幀，報(bào)文標(biāo)示符為29位。通常情況下，CAN控制器為提升錯(cuò)誤數(shù)據(jù)處理能力，會(huì)相應(yīng)的增加部分特殊功能寄存設(shè)備，如出錯(cuò)碼捕捉寄存器、仲裁捕捉寄存器等。3）APM程序設(shè)計(jì)。APM程序設(shè)計(jì)的重點(diǎn)PS485通信程序設(shè)計(jì)。目前，RS485通信主要為半雙工通信。由于在采樣過程中對(duì)信號(hào)采集速度提出較高要求，同時(shí)，現(xiàn)階段RS485通信串行輸出波特率為115200，經(jīng)過相關(guān)轉(zhuǎn)換器處理后，可直接將數(shù)據(jù)傳遞給上位機(jī)軟件，而上位機(jī)軟件，能根據(jù)數(shù)據(jù)具體情況，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、顯示信號(hào)波形、儲(chǔ)存數(shù)據(jù)等處理[4]。

3結(jié)束語

石油勘探、生產(chǎn)一直是國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)中的重點(diǎn)，其勘探、生產(chǎn)能力對(duì)社會(huì)產(chǎn)生重要影響。同時(shí)，MEMS石油勘探技術(shù)具有較高的發(fā)展空間，通過地震波紋，分析、記錄特定區(qū)域內(nèi)的地下狀態(tài)，為石油勘探、開采提供具有參考價(jià)值的數(shù)據(jù)。本文簡單分析了石油勘探MEMS傳感器數(shù)據(jù)采集器的研究內(nèi)容，并從硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)兩方面討論數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計(jì)流程，從相關(guān)資料的應(yīng)用效果來看，本文設(shè)計(jì)具有合理性，可以在實(shí)際勘探中做進(jìn)一步推廣。

作者：柴小飛 藍(lán)永宗 單位：杭州豐禾石油科技有限公司