基于MC9S12XEP100的旋转磁场定向测距系统设计

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。试验表明，在钻头靠近目标井70m，可检测到有效信号;在50m范围内，可以控制测量精度在5%。

引言

随着石油勘探技术的不断发展和复杂井的广泛应用，地层结构变得越来越复杂^[1]。作为复杂井重要支撑技术之一——随钻测量，在复杂的地层结构中受到国内外钻井行业的高度关注。随钻测量系统中井眼轨迹的控制精度直接关系到连通井井眼对接的成败，而控制井眼轨迹的关键在于井眼运动轨迹的高精度测量^[2]。但是，传统单一井眼进行轨迹预测的随钻测量设备难以满足时下复杂地层中高精度、强抗干扰的要求^[3-4]。

为了减小连通井中井眼连通定位误差，进一步提高测量精度，需要研究作业井与目标井导向定位的新方法。国内外先后开展了其方法的研究，一方面，论证了静态磁场模型难以直接用于精确定位^[5-6]以及开环系统在测量过程中具有一定的累积误差^[7];另一方面，对于闭环动态旋转磁场测量方法：A.F.Kuckes^[8]等人提出了基于旋转磁场测距系统(RMRS)，论证其在50m范围内具有较好的效果;胡汉月、宗艳波、AI-Khodhori^[9-11]等人验证了该方法用于水平井的对接连通的可行性等。

因此，为了测量作业井与目标井的相对位置和相对角度，提出了一种基于旋转磁场定向测距的方案。通过建立基于动态旋转磁偶极子模型，完成了井下测量和井上通讯的硬件电路的设计以及上下板之间的通讯协议和软件的开发。最后，通过地面实验验证该方案的可行性。

1 磁测距系统原理

连通井旋转磁场导向测距系统由地面系统和井下系统组成。其中，地面系统包括地面软件与上位机、测井绞车;井下系统分为磁工装和磁测量装置。磁工装用于产生一个交变磁场源;磁测量装置用于获取在作业井钻头处的磁场，测量信号借助测井绞车通过电缆传输到地面进行解码处理;最后，传输到上位机进行相关运算处理，得到距离和角度。

旋转磁场导向测距的理论基础是

2 硬件电路设计

系统硬件由井下测量系统和地面通信系统组成，其设计框图如图2所示。上位机(PC)通过串口发送命令给地面通信系统;地面通信系统接收到命令后，通过1553通讯协议将接收到的命令转发到井下测量系统;井下测量系统接收到地面通信系统，按照通讯协议进行相应处理，处理完成后返回相应数据包至地面通讯系统。正常工作采用1553协议通讯，地面通信系统和井下测量系统以曼彻斯特码进行数据传输;调试时采样串口通信协议。地面通信系统接收完井下传输的数据，将其转发给上位机PC处理。

2.1 井上系统

井上系统在上位机和井下测量系统中起承上启下的作用。一方面用于转发上位机命令;另一方面用于接收井下数据并进行解码操作。其电路包括以MC9S12XEP100为核心的单片机最小系统和以HD6408为核心的编解码电路、信号加载和解调电路。其中，编码信号加载至总线以及从总线上解调出曼彻斯特码的电路如图3所示。虚线左边的电路用于将HD6408编解码芯片产生的编码信号BZO加载至总线LINE;右边电路由两个带通滤波器组成，用于从总线LINE上解调出曼切斯特码信号UDI，送入HD6408进行解码操作。如图3所示。

2.2 井下测量系统

井下测量电路包括：电源模块、测量模块、信号调理电路、A/D转换、通信电路。电源模块采用24V直流电压输入，经过LP2951稳压和滤波后得到15V、12V和5V;测量模块包括磁场、重力加速度和温度信号的测量;信号调理电路将测量的信号进行滤波和放大处理，降低噪声干扰;A/D模块采用24位高精度芯片AD7734将滤波放大后的数据进行模数转换;通信电路主要包括RS232(调试)和1553通信。

磁场测量采用三个正交的MS-03AR型高精度磁通门传感器以Fs=200Hz的频率对其采样;加速度传感器采用Honeywell的QA-T160。由于采集的磁场信号比较微弱(nT级)并且混有噪音，须进行滤波降噪和放大处理。采集的磁场信号其干扰是高频部分，设计采用截止频率分别为6Hz和4Hz低通滤波器进行处理;并将滤波后对信号进行放大，其电路如图5所示，U10A及其前部分组成截止频率为6Hz的低通滤波器，U10B为电压跟随器。信号调理完成后，采用A/D转换电路对模拟信号进行转换;并