基于MC9S12XEP100的旋转磁场定向测距系统设计
编者按：摘要：针对传统基于地磁导向的连续测斜系统易受干扰以及惯性导航的陀螺测斜系统具有积分漂移误差，难以满足连通井导向定位高精度测量的需求，提出一种基于旋转磁场闭环定向测距的系统方案，完成了该系统的硬件电路设计、软件设计以及远距离通讯协议设计，并进行了地面实验。该测距系统由地面系统和井下系统组成;其中，井下系统用于数据的采集、地面系统用于数据接收和命令传输，系统之间数据采用曼切斯特码传输以提高精度降低误码率。
3.3 井下测量软件流程图
井下测量系统主要功能是按照井下系统命令完成相关测量、设置和查询，其流程图如图6所示。系统在完成相关初始化工作之后，进入中断等待;当产生串口中断时，判断是否为命令码，如果为命令码0x03，则接收控制码，否则继续等待。接着，查询是否是1553规定的控制码，如果是则执行相应的操作(如命令码03、控制码04，则进行直流量数据采集)，完成相关操作之后根据1553协议返回相应的数据包。最后，清除相应设置，等待下一次中断。
3.4 地面试验
参照动态磁偶极子模型，建立地面试验装置。首先，模拟磁工装，产生交变磁场。在ANSYS电磁仿真的基础上选用温度性能最优的N42SH永磁铁进行设计。为了模拟井下实验中，磁工装短节安装在作业井钻头和螺杆钻具间且永磁体的南北极垂直于钻头的钻井方向，钻头带动永磁体旋转的状态。地面实验采用步进电机带动磁工装短节对其姿态进行调节，根据需要可以控制不同的转速。本次试验以492rad/s的速度进行旋转，产生一个中心频率为1Hz的交变磁场源;其次，数据采集系统。为了便于模拟不同角度和距离的数据采集，利用台架固定测量装置中探管的位置，通过移动磁工装来调节磁工装与探管间的角度和距离。试验在60mX30m的场地上进行，设置测量装置放大倍数为100或200，以5m为基准，移动磁工装进行测量，得到测量点x、y、z三轴的坐标，通过计算得到测量的距离及相对误差，如表2，其中，磁工装与测量装置间的实际距离利用激光器进行定位。由表可知，在50m范围内，测量距离误差在5%以内，超过50m误差急剧增大。如表2。
4 结束语
基于动态磁偶极子模型，提出了以钻头为坐标原点的三维旋转磁场定向测距系统方案。结合动态系统模型完成了基于MC9S12XEP100的旋转磁场定向测距系统硬件设计，制定了井上通讯板和井下测量板之间的通讯协议、软件的设计。搭建地面模拟实验平台，实验结果表明，在50m测量范围内，距离误差在5%以内，满足系统设计需求。为了进一步验证系统的可行性和测量的准确性，有待进行井下测量实验，以进一步改进改进和优化系统。
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