无线数据采集系统在油田生产中的应用研究.pdf

南京林业大学硕士学位论文无线数据采集系统在油田生产中的应用研究姓名：王伟申请学位级别：硕士专业：检测技术与自动化装置指导教师：郁昊20090701摘要当前，工业无线技术已经被逐步应用到工业生产的各个领域。它是面向设备间短程、低速率信息交互的无线通信技术，适合在恶劣的工业现场环境使用，具有很强的抗干扰能力、超低能耗、实时通信等技术特征。就目前来看，工业无线技术在油田采油生产领域还没有得到广泛应用，因此，将短距离无线通信技术应用到油田生产系统中，具有很高的研究价值。本文针对油田采油生产系统的特点，为其设计一套油田无线数据采集系统。全文主要分为四个部分。主要内容如下：第一部分，分别对油田采油生产系统和无线传感器网络技术的各自特点进行阐述，从而得出将油田无线数据采集系统应用于油田采油系统的优势。第二部分，油田无线数据采集系统的硬件设计。在这套系统中，设计了三种油田无线设备，它们分别是：油田无线网络管理设备，油田无线中转设备和油田无线温压仪。其中油田无线网络管理设备和油田无线中转设备主要作用是组建油田无线网络。油田无线温压仪主要功能是对油田采油生产进行数据采集。第三部分，对油田无线数据采集系统设计一套简单实用的无线网络。这套油田无线网络分为物理层的软件设计，数据链路及网络路由层的协议设计，应用层的软件设计。第四部分，对油田无线数据采集系统设计调试软件，并进行组网调试。还对影响网络无线通信质量的一些因素进行讨论。关键词：油田采油生产系统无线设备无线网络C W D P l 2 0 5M S P 4 3 0 F 1 4 9A b s t r a c tA tp r e s e n t，I n d u s t r i a lw i r e l e s st e c h n o l o g y，h a sb e e ng r a d u a l l ya p p l i e di n t od i f f e r e n ta r e a so fi n d u s t r y I n d u s t r i a lw i r e l e s st e c h n o l o g yi sal o w-r a t ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e sw h i c hi sf o rt h es h o r t-r a n g ed e v i c e s I n d u s t r i a lw i r e l e s st e c h n o l o g y,a n t i-j a m m i n g，u l t r a-l o wp o w e r,i so f t e nu s e di nh a r s hi n d u s t r i a le n v i r o n m e n t s N o w,I n d u s t r i a lw i r e l e s st e c h n o l o g yr a r e l yu s e di nt h eo i lf i e l dp r o d u c t i o n。U s i n gI n d u s t r i a lW i r e l e s sT e c h n o l o g yi n t ot h eo i lp r o d u c t i o ns y s t e m，w i l lh a v eh i g h l yr e s e a r c hv a l u e I nt h i sp a p e r,Id e s i g n e daw i r e l e s s d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mf o ro i lp r o d u c t i o ns y s t e m s T h e r ea r ef o u rp a r t s，m a i n l ya sf o l l o w s：1 I n t r o d u c e do i l f i e l dp r o d u c t i o ns y s t e m sa n dw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kt e c h n o l o g yc h a r a c t e r i s t i c s 2 D e s i g n e dh a r d w a r ef o rt h eo i l f i e l dw i r e l e s sd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m I nt h i sp a r t，Id e s i g n e dt h r e ed i f f e r e n tk i n d so fw i r e l e s sd e v i c e s，t h e ya l ew i r e l e s sn e t w o r km a n a g e m e n te q u i p m e n t,w i r e l e s sr o u t e re q u i p m e n ta n dw i r e l e s st e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r em e a s u r ee q u i p m e n t 3 D e s i g n e das i m p l ea n du s e f u l lw i r e l e s sn e t w o r kf o ro i lw i r e l e s sd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m T h i sw i r e l e s sn e t w o r ki sd i v i d e di n t of o u rs t r u c t u r a l：P h y s i c a ll a y e r；M e d i u mA c c e s sC o n t r o lL a y e r，n e t w o r kl a y e r，a p p l i c a t i o nl a y e r 4 D e s i g n e dad e b u gs o f t w a r ef o rt h eo i l f i e l dw i r e l e s sd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m I s s u e dt h ei n f l u e n c i n gf a c t o r sa b o u tt h eq u a l i t yo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s K e y w o r d s：O i l f i e l dp r o d u c t i o ns y s t e m s，W i r e l e s se q u i p m e n t，W i r e l e s sn e t w o r k，C W D P12 0 5，M S P 4 3 0 F1 4 9 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是举人在导师的指导下进行的研究工作所取得的成果尽我所知，除文中已经特别注明引用的内容和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担学位论文储c 本人签触互咋呼一，月岬学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解南京林业大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版(中国科学技术信息研究所；国家图书馆等)，允许论文被查阅和借阅。本人授权南京林业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以汇编和综合为学校的科技成果，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文全部或部分内容保密口，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密口(请在以上方框内打“”)学位论文作者(本人签名)：立币指导教师(本人签名k 嘶乏M 年，。枷7 年l7 月一7 月f 弘日|j 阳致谢本文是在郁昊老师的悉心指导下完成的，从资料的搜集，论文的选题、构思和方案的确定，到论文的完成都得到了导师的悉心指导。导师严谨的治学作风，高水平的学术思想以及踏实的钻研精神使我受益匪浅。在此，向郁老师致以最诚挚的感谢和最崇高的敬意!在整个课题的研究过程中，得到了能杰数字科技有限公司的吴总和夏工的帮助和建议。感谢郭建平、朱东南、袁风永、李彩生等师兄弟和师妹的帮助!感谢在我读研期间帮助和支持我的所有老师和同学们!感谢帮助和支持过本文工作的所有老师和同学!感谢南京林业大学图书馆的所有工作人员，给了我轻松查阅资料的环境!最后，感谢家人在我攻读硕士阶段的大力支持，他们的支持和关爱是我前进的动力，感激他们最无私的付出!1 1课题背景1 绪论目前我国油田采油生产系统基本上还处于人工机械化阶段，每一块油田的油井生产作业都需要专门的采油工人定时定点地进行现场维护与数据的收集记录。这样传统的生产方式已无法提高油田采油生产效率。根据这种生产状况，提出在油田采油生产系统中引入无线数据采集系统。采用智能无线数据采集传输手段来取代人工数据采集统计方式，从而提高采油生产效率，便显得尤为必要。1 2国内外研究现状工业无线技术国内外研究现状：工业无线技术是本世纪初新兴的，面向短程设备之间、低速率信息交互的无线通信技术，适合在恶劣的工业现场环境使用。工业无线技术具有很强的抗干扰能力、超低能耗、实时通信等技术特征。是现有无线技术在工业应用方向上的功能扩展和技术创新，并将最终转化为新的无线技术标准，是继现场总线之后，工业控制领域的又一个热点技术。同时工业无线技术也是降低工业测控系统成本、提高工业测控系统应用范围的革命性技术，必将成为未来几年工业自动化产品的新增长点。工业无线技术是从新兴的无线传感器网络技术中发展而来的。无线传感器网络技术具有应用特异化的特点，针对军事、医疗、智能家居等不同应用领域，其实现技术完全不同。工业无线技术是满足工业应用中高可靠、低能耗、较高实时性等特殊需求的一类无线传感器网络技术。利用基于工业无线技术的测控系统，人们可以以较低的投资和使用成本实现对工业全流程的“泛在感知”，获取传统模式下由于成本原因无法在线监测的重要工业过程参数，并以此为基础实施优化控制，来达到提高产品质量和节能降耗的目标。美国能源部(D O E)发布的“未来工业计划”(I O F)中指出：这种基于工业无线技术的低成本测控系统是实现到2 0 2 0 年美国工业整体能耗降低5 目标的主要手段，代表着工业自动化系统技术的发展方向，将在提高产品质量、降低工业生产过程中的跑冒滴漏、提高能源效率等方面发挥重要作用，在石油天然气开采、石化、冶金、污水处理等高耗能、高污染行业中有广泛的应用前景。美国总统科技顾问委员会在“面向2 l 世纪的联邦能源研究与发展规划”中指出：工业无线技术的广泛应用将使工业生产效率提高1 0，并使排放和污染降低2 5 I l J。油田采油生产系统在数据采集方面的发展现状：目前，国外发达地区油田采油生产系统自动化程度相对高些，但大部分油田采油生产系统还是相对传统。国内油田采油生产系统数据采集工作基本上处于机械式的传统的人工手抄方式。也有少数油田采用了电子信息化的数据采集手段。将工业无线技术应用于油田生产系统，目前国内尚处于起步阶段。1 3 论文主要设计内容及结构1 3 1 论文主要设计内容本课题的主要目的是针对油田采油生产系统设计一套无线数据采集系统，用于对油井的工作状态进行实时监测。整体系统构架如图1 1 所示。系统的设计分两部分进行，一部分是系统硬件设计，另一部分是系统软件设计。在硬件设计部分，主要任务可分为两类，一类是用于采集油井输油管道数据信息的仪器；还有一类是设计用于传送所采集到的数据的无线通信设备。在油田采油系统中，分别称它们为油田无线温压仪、油田无线中转设备以及油田无线网络管理设备。在软件部分，主要任务是设计一套简易而又实用的无线网络，专门用于对油井采集到的数据进行无线传输。本系统设计的意义有以下几点：第一，对油井数据的采集实时而又准确，免去了采油工人每天手动抄表所带来的误差，节省了大量的劳动力。第二，采用无线的方式进行数据传输，免除了有线传输的布线麻烦，大大节约了成本。第三，无线温压仪将测量到的油井输油管道的油温及油压通过无线网络传输到油田中控室，中控室的监控人员根据温度传感器所测量的数据，可以判断开采出来的石油有没有凝固，输油管道会不会因为原油凝固而堵塞，从而第一时间做出反应。根据压力传感器测得的油压数据可以判断井下石油的含量，避免井下无油而抽油机依然空载，造成能源浪费和设备的无功磨损。21 3 2 论文的结构图1 1 油田无线数据采集系统总体框架第一章：绪论。主要是阐述了课题研究的背景，国内外发展现状，同时给出了本文主要设计思想和设计内容。第二章：油田采油生产系统及无线通信技术。本章主要分析了油田采油生产系统的特点，以及无线传感器网络技术特点的特色。最后总结出将工业无线传感器网络技术应用到油田采油生产系统中的可实施性和必要性。第三章：油田无线数据采集系统硬件设计。本章详细地介绍了针对油田无线数据采集系统所涉及到的硬件设计过程和方法。第四章：油田无线数据采集系统软件设计。本章分层次详细介绍了针对于油田采油生产系统的无线网络的软件设计方法。对整套无线数据采集系统的操作命令格式详细说明。第五章：油田无线数据采集系统的调试与讨论。本章主要为油田无线数据采集系统设计了一套上位机调试监控软件。对通信过程中出现的问题进行了讨论。第六章：总结与展望。总结了在本设计过程中本人所做的工作以及经过这次毕业设计所获得的收获。2 油田采油生产系统及无线通信技术本章概述：在这一章节里，主要对油田采油生产系统的特点进行了介绍，同时也对工业无线通信技术进行了概述，从而得出将工业无线技术应用于油田采油生产系统中所带来的优势。2 1 油田采油生产系统特点油田最显著的特点就是地域开阔，位置偏远，环境恶劣。由于这样的特点，导致了对于油田的生产维护不仅工作量比较大，而且还十分繁重。采用传统的采油生产方式，工作效率很明显是比较低的。对油田生产系统的检测主要就是对各个油井的抽油机的工作状态监测，其中主要包括油压、油温等基本参数的监测，另外更深入点就是对抽油机的功图的测量，以及配电房的电参数的测量。正如前面所述：油田的主要特点是地域广阔，油井分布相对比较分散，这样的特点决定了在空旷的大范围内使用无线传感器网络将会给为生产采油带来巨大的便捷。经实地考察，油田的采油生产系统主要包括三部分：一、野外油井采油点，二、储油计量站，三、中控室。其中本文重点研究的是如何将野外油井采油状态实时准确地反应到中控室，便于监控人员掌握抽油机的实时工作状态。关于计量站暂时不做研究。首先我们以一个示意图的形式大致描述一下油田的采油生产系统，如图2 1 所示。油田无线数据采集系统的任务就是通过工业无线传感器网络技术，将分散在各处的油井信息分阶段地集中到油田中控室来，便于油田监控人员采取实时、有效的措施。通过这一方式，一旦某一口油井发生故障，或者某一口油井井下的石油已基本采空，工作人员通过中控室传上来的数据可以在第一时间内发现，从而大大提高了油田采油生产系统的工作效率，也避免了抽油机因为空载而导致的能源浪费现象。要实现此功能，我们就需要利用无线传感器网络的终端数据采集节点将每口油井的油压、油温等数据进行收集，然后再通过无线网络，将数据通过中转传回油田中控室，油田中控室监控人员只要在显示终端监视异常数据，便可在第一时间采取措施，从而最大限度降低损失。4图2-1 油田采油生产系统示意图52 2 无线传感器网络技术简介无线传感器网络是一种由大量部署在监控区域的智能传感器节点构成的网络应用系统，节点一般采用随机投放的方式大量部署在被感知对象的内部或者周围，并通过自组织方式构成无线网络；在任意时刻，节点间通过无线信道连接，以协作的方式通过局部的数据采集、预处理以及节点间的数据交换来完成全局任务。无线传感器网络结构：无线传感器网络系统通常包括传感器节点(s e n s o rn o d e)、汇聚节点(s i n kn o d e)、和管理节点。传感器节点将数据传送到汇聚节点，汇聚节点再将数据转发到管理节点，如果管理节点远离传感器网络区域，则可以通过互联网或卫星传送【l O】o无线传感器网络节点构成：无线传感器网络节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块组成。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；处理器模块负责控制整个无线传感器网络节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据；无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据；能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量，通常采用干电池，如果露天条件下，可以采用太阳能电池板加蓄电池供电方案，从而做到节能又环保的目的【9】。无线传感器网络协议栈：无线传感器网络协议栈包括：物理层、数据链路层、网络层、应用层四层。各层功能如下【2 J：物理层提供信号调制和无线收发技术；数据链路层负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制；网络层主要负责路由生成和路由选择；应用层包括一系列基于检测任务的应用软件。无线传感器网络特点主要有以下几点【6】：A：大规模网路为了获取精确信息，在监测区域通常部署大量传感器节点，传感器节点数量可能达到成千上万，甚至更多。传感器网路的大规模性包括两方面的含义：一方面是传感器节点分布在大的地理区域内，如在原始大森林采用传感器网路进行森林防火和环境监测，需要部署大量的传感器节点；另一方面，传感器节点部署很密集，在一个面积不大的空间内，密集部署了大量的传感器节点。传感器网路的大规模性具有如下优点：通过不同空间视角获得的信息具有更大的信噪比；通过分布式处理大量的采集信息能够提高监测的精确度，降低对单个节点的传感器的精度要求；大量冗余节点的存在，使得系统具有很强的容错性能；大量节点能够增大覆盖的监测区域，减少洞穴或者盲区。6B：自组织网络在传感器网络应用中，通常情况下传感器节点被放置在没有基础结构的地方。传感器节点的位置不能预先精确设定，节点之间的相互邻居关系预先也不知道，这就要求传感器节点具有自组织网络的能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。在传感器网络使用过程中，部分传感器节点由于能耗尽或环境因素造成失效，也有一些节点为了弥补失效节点、增加监测精度而补充到网络中，这样在传感器网络的节点个数就动态的增加或减少，从而使网络的拓扑结构随之动态地变化。传感器网络的自组织性要能够适应这种网络拓扑结构的动态变化。C：动态性网络传感器网络的拓扑结构可能因为下列因素而改变：1 环境因素或电能耗尽造成的传感器节点出现故障或失效；2 传感器网络的传感器，感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性；3 环境条件变化可能造成无线通信链路带宽变化，甚至时断时通；4 新节点的加入。这就要求传感器网络系统要能够适应这种变化，具有动态的系统可重构性。D：可靠的网络传感器网络特别适合部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域，传感器节点可能工作在露天环境中；遭受太阳的暴晒或风吹雨淋，甚至遭到无关人员或动物的破坏。传感器节点往往采用随机部署，这些都需要传感器节点非常坚固，不易被破坏，适应各种恶劣自然环境。由于检测区域环境的限制以及传感器节点数目巨大，网络的维护工作量十分巨大。传感器网络的通信保密性和安全性也十分重要，要防止监测数据被盗取和获取伪造的检测信息。因此，传感器网络的软硬件必须具有鲁棒性和容错性。E：应用相关的网络传感器网络用来感知客观世界，获取物理时间的信息量。客观世界的物理量多种多样，不可穷尽。不同的传感器网络应用关心不同的物理量，因此对传感器网络的应用系统也有多种多样的要求。不同的应用背景对传感器网络的要求不同，其硬件平台，软件系统和网络协议必然会有很大差别。所以传感器网络不能像I n t e r n e t 一样，有统一的通信协议平台，对于不同传感器网络应用虽然存在一些共性问题，但在开发传感器网络应用中，更关心传感器网络的差异。只有让系统更贴近应用，才能做出最高效的目标系统。针对每一个具体应用来研究传感器网络技术，这是传感器网络设计不同于传统网络的显著特征。F：以数据为中心的网络传感器网络是任务型的网络，脱离传感器网络谈论传感器节点没有任何意义。传感7器网络中的节点采用节点编号标识，节点编号是否需要全网唯一取决于网络通信协议的设计。由于传感器节点随机部署，构成的传感器网络与节点编号之间的关系是完全动态的，表现为节点编号与节点位置没有必然联系。用户使用传感器网络查询事件时，直接将所关心的事件告知网络，而不是通告给某个确定编号的节点。网络在获得指定事件的信息后汇报给用户。这种以数据本身作为查询或传输线索的思想更接近于自然语言交流的习惯。所以通常说传感器网络是一个以数据为中心的网络。2 3 油田采油生产系统中引进工业无线数据采集系统的优势目前油田采油生产系统中的大部分还是基于传统的人工数据采集管理方法，即定时安排采油工人上井抄表，记录油井的油压油温，这种传统的数据采集方式不但消耗大量的人力物力，而且实时性、可靠性较差，对于油井的意外突发事件不能及时做出反应，存在很多的缺陷。因此我们基于准确、实时、便捷等多方面考虑，将油田采油生产系统引入了无线传感器网络数据采集系统。这样的无线技术在油田生产系统中所体现的优势如下：1 易安装：井口仪表安装容易；油井网络组建方便。2 零维护：井口仪表全部采用无线方式，并集太阳能供电一体，无任何连线，不需专业技术人员维护。3 高精度：采用智能传感器仪表采集处理数据并通过无线传输到中控室，避免了人工记录数据时的人为误差。4 易扩充：井口数据采集量扩充容易，可以在以后的生产过程中根据用户的需求，添加不同的数据采集终端，使得油井的自动化改造大大简化。83 油田无线数据采集系统硬件设计本章概述：基于上文所述本章重点设计一套硬件系统，这套系统主要是对油田采油生产系统的工作状态进行实时监测的无线设备。本系统中，无线设备主要分为油田无线网络管理设备、油田无线数据中转设备、油田无线数据采集设备油田无线温压仪。3 1 油田无线数据采集系统硬件设计总体方案本系统硬件从功能上划分主要包含三种仪器设备：一种是油田无线数据采集设备油田无线温压仪，一种是油田无线数据中转设备，还有一种是油田无线网络管理设备。从硬件设计角度来划分，由于油田无线网络管理设备和油田无线数据中转设备只涉及到对数据的上传和无线转发，都不涉及传感器数据采集部分，因而两种硬件可以采用同一种硬件结构，因此最终需要做的只有两种硬件设计。3 2 油田无线网络管理设备及油田无线数据中转设备的硬件设计油田无线网络管理设备和油田无线数据中转设备都不涉及数据采样，只负责无线数据传输，因此它们的硬件设计基本相似，区别在于软件设置不同。此设备硬件电路板设计主要是以M S P 4 3 0 F 1 4 9 为核心，外设主要包括无线收发模块、电源模块等。如图3 1 所示。一主要设计思想就是通过主控芯片M S P 4 3 0 对无线模块进行操作，用于数据的无线收发。详细原理图参加附录一。图3 1 油田无线网络管理设备硬件示意图93 2 1 无线模块设计无线模块主要作用是用于数据的无线收发，因此，无线模块直接影响到整个油田无线数据采集系统的性能。采用一款相对稳定而可靠的无线模块显得尤为重要。基于油田地域开阔，油田无线设备之间通信距离较远这样的特殊考虑，采用了深圳瑞米斯科技开发有限公司生产的C W D P l 2 0 5 C 4 3 3 无线模块，C W D P l 2 0 5-4 3 3 无线收发模块的内部核心R F 收发芯片采用的是S E M T E C H 公司的X E l 2 0 5 芯片，它可以满足本系统中油田无线设备工作在4 2 6 4 4 1M n z 公用频带的要求。射频芯片C W D P l 2 0 5 可以通过软件设置不同的发射功率，最大可达到1 5 d B m，经过实地检测它在油田这种空旷的环境下，最大传输距离能达到3 公里。这样的传输距离足以满足本设计的通信距离要求。除此之外，C W D P l 2 0 5模块还具有高灵敏度，1 2 k b s 传输速率误码率为0 0 1，灵敏度可以达到1 2 0 d B m；数字接收信号指示(R S S I)；数字频率纠错(F E I)：发射电流6 2 m A 1 5 d B m，接收电流1 4 m A这样低功耗等特点【3】。这些优良特点为油田无线通信质量做了重要保障。由于C W D P l 2 0 5模块只是将一块无线R F 芯片的最小系统进行了封装，要使它能够正常工作，必须给它设计一个配套的M C U 控制模块。因此在这里，主要做的工作就是为C W D P l 2 0 5 模块设计一个主控电路板。具体步骤如下。C W D P l 2 0 5 外围电路设计：硬件示意图如图3 2 所示。图中将电源V C C 和地G N DV O CU l2 41 0R 7+1 KX ES D AC 1A N T姒R R1 1 4Y F 州0 I _ u F 7S 瓯3V O CI R Q 0-q K-XhI l AlA埘占蜡删_ _ 一I R Q l2 32 5G N Da K o I r rl lG N D9G N D8G N D1 a R l 气1 KV 1 7、V p6G N DW P5G N DM 0 疆l j址M|U M1 R 1 41 KY FM l 吖、4G N DM S O2(、N DS a Kl OX EW I KG N DN S SD1 5N S SDl2 0N S SCG N DN S SC图3 2C W D P 1 2 0 5 外围电路通过1 0 u F 的胆电容和O 1 u F 的普通电容隔开，这样做可以起到较好的稳压效果，从而为无线模块提供稳定的电源。这里将M S P 4 3 0 F 1 4 9 的S P l 0 端口资源分配给C W D P l 2 0 5。C W D P l 2 0 5 通过S P I 总线与M C U 进行通信。另外，C W D P l 2 0 5 在出产的时候产家对每一块C W D P l 2 0 5 模块进行了频率调整，频率调整的参数被存到了一块E 2 R O O M 中，E 2 R O O M连同X E1 2 0 5 一起封装起来，在软件编程的时候可以通过1 2 C 总线读取E 2 R O O M 里面的频率调整数据来对无线芯片X E l 2 0 5 的中心频率进行调整补偿。这里将M S P 4 3 0 F 1 4 9 的普通I O 口P 1 0、P l l 通过软件模拟1 2 C 模式跟C W D P l 2 0 5 里面的E 2 R O O M 进行通信。另外还对C W D P 的中断信号，以及操作方向控制信号分别分配了I O 管脚资源。具体分配管1 0脚分配情况见附录一。3 2 2 数据处理控制单元M S P 4 3 0 的硬件系统设计油田无线数据检测系统工作环境是在野外，多数情况下是油田无线设备只能靠自备的电池工作，因此低功耗成为系统硬件设计需要重点考虑的因素之一。为每一个油田无线设备选择一款超低功耗的M C U 便显得尤为重要。基于这一点考虑，本系统数据处理单元采用了1 1 公司生产的M S P 4 3 0 F 1 4 9 这一款1 6 位超低功耗单片机。选择这款单片机除了它具有丰富又出色的外设资源以外，更重要的一点在于这是一款真正的超低功耗单片机，在等待方式下，耗电为0 7 u A，在节电方式下，最低可达0 1 u A【7 8】。M S P 4 3 0 F 1 4 9 的基本参数如下：电源电压范围：1 8 3 6 V超低功耗：待机模式：1 6 u A；关闭模式(R A M 保持)：0 1 u A活动模式：2 8 0 u A1 M H z，2 2 V5 种省电模式。为整个系统的低功耗提供了重要保障6 u s 内从待机模式唤醒、1 6 位R I S C 结构，1 2 5 n s 指令周期。带内部参考，采样保持和自动扫描特性的1 2 位A D 转换器。(刚好满足本设计中传感器采样数据进行A D 转化的要求)。有7 个捕获比较寄存器的1 6 位定时器T i m e l B有3 个捕获比较寄存器的1 6 位定时器T i m e rA。这两个定时器对后面的无线网络协议设计中时间分割，定时计算等功能实现提供重要保障。串行在线编程，无需外部编程电压，安全熔丝可编程代码保护。这里暂未使用。两个U S A R T(U S A R T 0、U S A R T l)6 0 K B+2 5 6 B 闪存，2 K B 的R A MM S P 4 3 0 的最小系统中晶振采用了4 M 高速晶振和3 2 7 6 8 K H z 时钟晶振。其中外部高速晶振范围可以在4 5 0 K H z 8 M H z，晶振频率越高，M C U 执行速度就越快，但速度过快会导致M C U 工作不稳定。因此这里采用了4 M H z 的晶振。用4 M H z 的晶振，M C U 运行既稳定，速度又足以满足油田无线数据采集系统的需要【4 5】。如图3 3 所示。珊)c 0U T，T C L K】c T 2 甜图3-3 时钟电路M S P 4 3 0 的最小系统中，复位电路如图3 4 所示：在电源和地之间用一个1 0 0 K 的电阻和0 1 u F 的电容串联，将电阻和电容的链接点接入M S P 4 3 0 的R S T 管脚。这样，在给系统上电的瞬问，由于电容的存在，此复位电路在R S T 上电压缓慢的上升到V C C 值，相当于产生一个瞬间的低电平，从而给M C U 提供一个有效的复位信号。3 2 3 电源模块设计图3-4 复位电路针对油田应用这样一个特殊场合，仪表一般是要在野外露天使用的。因此，供电部分采用了额定输出为4 7 V 的太阳能电池板加4 2 v 锂离子电池组合供电方式【l。白天太阳能电池板给锂离子电池供电，晚上锂离子电池再为仪器供电，保证仪器2 4 小时不断电，而且这样的方式可以保证设备正常工作-=N 五年左右，如图3 5 所示。从图中可以看到，太阳能电池板和锂离子电池是并联的而且中间隔了个二极管。二极管在这里主要作用是为了防止在夜间或光线不足的时候，锂离子电池向太阳能电池板倒灌电流。设备需要的是3 3 V 的供电电压，因此，还需要设计一套降压稳压电路。这里采用的T I 公司生产的T P S 7 6 9 3 3 这款超低功耗降压稳压芯片。它能将额定输入范围以内的电压稳定的降到3 3 V，而且具有过流限制功能，可以有效的防止电路中因电流过大而造成芯片烧毁的现象。其典型硬件设计如图3 6 所示。T P S 7 6 9 3 3 是一个可控的稳压芯片，通过对使能端E N 的逻辑电平控制来控制芯片的工作。当向E N 脚提供低电平，T P S 7 6 9 3 3 输出3 3 V 工作电压，当1 2向E N 脚提供高电平，芯片输出电压为0。从图中可以看到，将E N 脚接地，也就是永久使能T P S 7 6 9 3 3。这部分模块硬件电路板实物正面如图3 7 所示和反面实物圈如图3-8 所示。乒E j 志芒图3-6T P S 7 6 9 3 3 典型电路图3 7 油田无线网络管理设备实物图(正面)图3-8 油田无线网络管理设备实物图(反面)3 3 终端数据采集节点油田无线温压仪设计油田无线温压仪是本系统的核心硬件，其主要功能就是将油管里面的油温和油压通过温度压力传感器检测出来经过模拟运算放大电路放大后送到M C U 的模数转换模块C A D)进行处理，M C U 将经过A D 转换的数字量处理后送到无线射频模块，通过无线的方式传送到油田无线网络中。其硬件设计主要分为两部分一部分是主控电路叛设计，另一部分是传感器信号采集调理部分的硬件设计。3 3 1 油田无线温压仪主控电路板设计油田无线温压仪设计思想是：利用传感器采集输油管道里面的油压、油温。对采集的模拟量进行数字转化，转化完成后分两种方式处理，一是将转化的数字量以及本设备的传感器参数通过无线模块转发到油田无线网络管理设备，再上传到上位机监控软件进行运算得出真实值并显示出来：二是将转化完成的数字量经M C U 利用算法将数字量转换为可读的实际值并显示到本仪器的液晶屏上。主控电路板硬件主要包括：R F 无线收发单元，M C U 主控制单元，模拟运算放大模块，显示模块，存储模块，实时时钟模块，电源管理模块。如图3-9 所示。详细原理图见附录二。言号放大模无线模块Il 存储器模块P10 P15 P 3 0 P 3 5P 4 0,-P 4 7 P 2 0 P 2 7 l 厂一P 6 0A V C C -t 模拟电源P 6 1M S P 4 3 0P 5 0-P 5 3P 5 4 P 5 6V C C 卜_ 一数字电源液晶显示模劂l 实时时钟模劂|仿真器接口图3-9 油田无线温压仪主控板硬件示意图下面重点对各个模块硬件设计进行阐述：1 电源设计：本硬件电路需要处理模拟量和数字量两种形式的信号，为防止两者产生干扰，需要分别设计两套供电系统：模拟电源一为模拟电路供电；数字电源为数字电路供电，最后再将模拟地和数字地之间用一隔离电阻相对接从而达到抗干扰的目的。为此，选择T P S 7 6 9 3 3 作为电源模块的管理芯片，通过对该芯片进行编程，可以使其在正常情况下关闭模拟电源部分的使能端，降低功耗；在需要采集数据时，再通过软件将其使能端打开，为整个系统提供电源。其硬件电路原理图如图3 1 0 所示。t-n图3 1 0 电源管理模块电路2 R F 无线收发单元：无线收发单元跟前面油田无线网络管理设备的无线收发模块采用了相同的设计方法，这里不再论述。3 模拟信号放大模块：传感器采集到达油温油压数据是很微小的，这样的模拟量无法被M S P 4 3 0 内部的A D 模块所处理，因此设计一套模拟信号放大电路便很有必要。此模块功能是将传感器采集到油温和油压模拟数据放大，转化到M S P 4 3 0 的A D 模块可以处理的模拟电压范围内【1 2 1。经过查阅相关资料，这里采用了公司生产的高精度运算放大芯片I N A 3 2 6。I N A 3 2 6 是一款高速、低功耗、高精度的运算放大器，在本系统中用于对温度传感器和压力传感器的数据放大。如图3 1 l 所示。J P IPREAV图3 1 1 压力模拟数据放大电路由于传感器输出的模拟电压在几毫伏到十几毫伏之间，这里对I N A 3 2 6 外围寻用合理的电阻使它的放大倍数G=2 R 1 6 R 2=1 0 0。这样从I N A 3 2 6 的6 脚输出端输出的模拟电压通过2 0 0 欧阻抗电阻与M S P 4 3 0 的1 2 位高精度A D 输入端连接，M S P 4 3 0 启动A D 模块进行模数转换。具体软件通过M 4 3 0 A D C这个函数启动进行转化。R u n(I N T l6 Us l n v)A D M转化结束后，程序调用w Y YD a t a C a l c u l a t e()函数对转化过来的采样值运算成可读性的真实的数值。4 显示模块设计：所谓油田无线温压仪，顾名思义，作为一个仪表应当具备能为用户提供一个直观获取油温油压数据的窗口液晶显示模块。因此，选用了L C M l 4 1 C 0 1这一款1 4 位8 段字加条码提示符液晶显示模块。其屏内字符布局如图3 1 2 所示。该液晶屏可以显示两行数据。在软件设计过程中将上面一行显示油压，下面一行显示油温。此液晶的实物图如图3 1 3 所示。1 6图3-1 2 L C M l 4 1 C 0 1 实物示意图?_。霸酵