基于ＶｘＷｏｒｋｓ的油井數據采集遠程終端的設計

江　彥　舒朝君　李　波　余　磊　劉永喜　胡玉慶　皮智敏

摘 要：針對目前采油廠油井的工作參數監控缺乏遠程手段的情況，論述了一種基于VxWorks的遠程終端的設計。該遠程終端采用CDMA通信信道，可以對油井的負荷、溫度、油管回壓、沖次、工作電流、工作電壓等參數進行實時自動在線抄收和處理，并將數據發送至監控中心，由監控中心集中監控各油井的工作狀態。該終端采用MSP430F149單片機完成數據的采集，由S3C44B0X嵌入式處理器完成數據的處理與發送，并由VxWorks嵌入式實時操作系統來保證高效率的實時多任務處理。

關鍵詞：RTU；CDMA；S3C44B0X；MSP430；VxWorks；無線數據傳輸

中圖分類號：TP216文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2009)05-142-04

Design of Oil Well Remote Terminal Unit Based on VxWorks

JIANG Yan,SHU Zhaojun,LI Bo,YU Lei,LIU Yongxi,HU Yuqing,PI Zhimin

(School of Electrical Engineering and Information,Sichuan University,Chengdu,610065,China)

Abstract：At present,working parameters of well of oil production plant lack of remote monitoring means.The design of a VxWorks-based Remote Terminal Unit (RTU) is dissertated in this paper.The RTU can real-time on-line collect and process the data of load,temperature,tubing pressure,stroke time,current,voltage of the oil pumping,etc.It sends the data to monitoring centre by CDMA channel.The monitoring centre centralizedly monitors the state of pumping wells.The RTU complete the collection of data by MSP430F149 MCU.Data processing and transmitting is done by S3C44B0X embedded processor.The VxWorks embedded RTOS manages the high performance multi-task real-time processing.

Keywords：RTU;CDMA;S3C44B0X;MSP430;VxWorks;wireless data transmission

0 引 言

目前，采油廠多以抽油機采油生產為主要任務，抽油機的分布點多面廣，工作在條件惡劣的環境中，容易損壞和遭外力破壞，需要經常巡測，人員工作強度大。目前油井工作狀態參數監控由于缺乏遠程手段，對油井的生產狀況均處于事后處理狀態，油井出現異常或被盜破壞時不能及時處理，造成大量不明損失。基于CDMA通迅信道的遠程終端(Remote Terminal Unit,RTU)充分利用現有的計算機網絡，通過對現場的監測和數據采集、傳輸，可以滿足油井遠程監控的需求。該遠程終端可以對油井運行時的負荷、位移、油管回壓、溫度、沖次、工作電流、電壓等參數進行實時全自動在線抄收；當現場有異常情況發生時，監控中心能自動發出相關報警信息，調度室可根據報警信息派相關人員去做現場處理。相關數據的采集，由傳統的人力操作模式轉變為計算機自動操作模式，無需人工干預，從而節省人力、提高了

工作效率。

1 監控系統架構與遠程終端的功能

監控系統(如圖1)主要由監控中心和遠程終端構成。遠程終端負責對抽油機現場數據的采集與收發。監控中心對來自各個遠程終端的數據進行集中監控。遠程終端通過CDMA信道接入Internet，從而與監控中心服務器建立連接。監控中心是該系統的指揮中心，它可以向現場的遠程終端發送多種命令和信息、可以對接收的數據做進一步處理，可以將必要的信息通過網絡發給各部門。

遠程終端監測抽油機三相電壓值、三相電流值、以及抽油機負荷、井口油管回壓、井口油管溫度等。

2 遠程終端的整體結構設計

如圖2為RTU系統架構框圖。根據應用需求，系統被設計為單片機加嵌入式處理器的構架。MSP430F149單片機是德州儀器(TI)推出的超低功耗16 位 RISC 混合信號處理器(Mixed Signal Processor)。該處理器具有豐富的硬件資源，較高的處理速度以及低功耗的特點，自帶8路12 b ADC和雙UART，使其非常適合作為該終端的數據采集處理器。S3C44B0X為三星公司推出的一款以ARM7為核心的32位嵌入式處理器。它具有豐富的資源以及低功耗低成本的特點能夠滿足該終端的應用需要。

MSP430單片機在該系統中主要完成實時數據的采集。待采集的數據有：由電量傳感器搜集的抽油機三相電壓電流數據，采油機臂負荷，溫度傳感器模擬信號，壓力、紅外傳感器信號。單片機將采集的數據按照要求的數據格式通過UART發送到S3C44B0X。

在該系統中S3C44B0X作一定的數據處理并且通過控制CDMA模塊完成無線網絡連接和數據收發。在開機后S3C44B0X控制CDMA模塊首先與監控中心建立數據鏈路，監控中心收到鏈路信息后即可獲得油井的運行信息，可隨時接收單片機采集的數據信息。當S3C44B0X接收到單片機的信息后，通過CDMA網絡將數據發送給監控中心，或將監控中心發來的信息傳給單片機。在S3C44B0X上所實現的任務較多并且涉及到PPP(Point to Point，點對點協議)協議棧，為了滿足系統的實時性，本終端采用VxWorks嵌入式實時操作系統。S3C44B0X所要完成的任務有：

(1) 接收來自MSP430的數據幀；向MSP430發控制指令。

(2) 處理MSP430發送的數據并利用負荷傳感器數據計算出采油臂的轉動周期，提取抽油機示功圖。

(3) 連接CDMA網絡，S3C44B0X通過向CDMA模塊發送AT命令控制其進行PPP撥號建立Internet連接。

(4) 建立了PPP連接后，遠程終端和監控中心作數據交換。

(5) 監測系統的供電情況。若遠程終端產生掉電事件，在系統完全關閉前(由大電容維持使系統不會立即關閉)，系統向主站發出停電報警。

(6) 對系統看門狗的處理。包括軟件看門狗和硬件看門狗，保證系統的可靠性。

(7) 對網絡的支持。有了對局域網的支持，調試時下載VxWorks應用程序鏡像到FLASH存儲器就變得方便和快速，方便了系統軟件的升級。

遠程終端選用AnyDATA公司的DTGS-800作為無線通信模塊。該模塊的主要特性有：采用Qualcomm公司的6050芯片；頻段為800 MHz，支持CDMA2000 1X RTT標準；內建TCP/IP協議棧等。DTGS-800通過UART與S3C44B0X相連，S3C44B0X通過發送AT命令來實現對CDMA模塊的控制。

3 遠程終端的軟件設計

遠程終端的軟件分為MSP430單片機程序設計和S3C44B0X的程序設計。

3.1 MSP430單片機程序設計

MSP430單片機負責多種數據采集，并將數據打包發送。MSP430單片機具有雙UART。UART0用來向上位機ARM傳輸數據并接收ARM所給的指令；UART1通過RS 485協議與電量傳感器相連。兩個紅外傳感器的數字輸出端TELSIG1和TELSIG2分別連在MSP430的P5.0和P5.1通用I/O端口。溫度傳感器、壓力傳感器和負荷傳感器輸出的模擬信號量經過各自的信號調理電路后分別連接于單片機的A0，A1和A4端口。通過MSP430F149單片機自帶的12 b ADC完成溫度、壓力和負荷信號的模數轉換，模數轉換以定時中斷的方式采樣［1,2］，對原始數據的采樣頻率為50 kHz。

軟件的設計思路采用進程快速循環，以進程標志為判斷條件調用各個進程，執行相關控制。如圖3所示，用一個循環計數器的計數值來設置所有進程的標志。在以10 ms為周期的定時中斷服務程序中，該計數器值加1。每執行一次TimeFlag()，都將計數器的值與每個進程預定的執行時間所對應的計數值比較，得出進程的標志狀態，從而使各進程得以有序執行。

3.2 S3C44B0X程序設計

對S3C44B0X的程序設計涉及到VxWorks操作系統BSP(Board Surpport Package，板級支持包)的修改、操作系統的裁剪和應用程序的設計幾個方面。

BSP是介于嵌入式系統硬件和操作系統之間的一層，屬于操作系統的一部分，主要目的是為了支持操作系統，使之能夠更好地運行于硬件。BSP的編程過程大多數是在某一個成型的BSP模板上進行修改［3,4］。根據本系統的硬件結構和軟件應用需求，BSP的修改需要實現以下目標：

(1) 實現操作系統對TFFS(True FLASH File System)文件系統的支持。TFFS是VxWorks兼容的一種文件系統。他為種類繁多的FLASH存儲設備提供了統一的塊設備接口。有了TFFS，應用程序對FLASH存儲設備的讀寫就好像他們對擁有MS-DOS文件系統的磁盤設備的操作相同。建立好文件系統后，遠程終端運行的日志、系統配置參數、系統校準參數、CDMA用戶名/密碼等便可以以文件的方式保存。

(2) 實現對RTL8019以太網控制芯片的支持；實現通過FTP訪問遠程終端的文件系統，這樣可對系統應用程序在線升級，下載日志文件；實現Telnet，可通過Telnet修改遠程終端的配置參數，對遠程終端進行維護。

圖4為VxWorks應用程序主程序流程。當VxWorks完成啟動后進入應用程序。應用程序主程序完成各種初始化和各任務的創建，以及任務級看門狗的創建［4-8］。

系統初始化包括對系統參數初始化、用iosDrvInstall()函數將CDMA設備驅動添加到設備驅動列表［7,8］、用iosDevAdd()添加CDMA設備到I/O系統設備列表、硬件看門狗初始化。其中系統參數初始化中又包括日志文件檢查、系統配置參數加載、CDMA用戶名/密碼的檢驗等。若文件系統上沒有相應的參數文件則按照默認參數創建文件。硬件看門狗芯片選用X5045。初始化設置看門狗的復位時間并啟動，由于X5045看門狗芯片的復位時間最長只能達到1.4 s，而VxWorks系統啟動時間超過了1.4 s，為了不讓X5045產生的復位信號中斷VxWorks的啟動，要在VxWorks啟動前將X5045禁用，這就需要修改BSP。在bootInit.c文件的romStart()函數的開始處添加禁止X5045復位的代碼。

sysClkConnect()將函數tick10 ms()映射到VxWorks的系統時鐘中斷。系統定時中斷周期設定為10 ms。tick10ms()函數中判斷各任務軟件看門狗是否超時。若超時則程序進入死循環，并打印是哪個任務出錯的信息，觸發硬件看門狗復位。

CDMAconnectTask()通過向CDMA模塊發送AT命令建立PPP連接。

timeTask()完成對CPU實時時鐘模塊的設置與讀取。

CDMATask()進程建立與主站的socket連接。

commTask()進程實現遠程終端與監控中心的數據包交換，將待發的數據幀打包發送至主站，將CDMA設備數據讀入緩沖區，解析主站命令。

commTask430()進程完成ARM與MSP430的數據交換。

dataTask()進程對從MSP430上傳的數據進行處理，包括計算采油機臂轉動周期，通過負荷數據提取采油機的示功圖。

warnTask()實現系統實時告警，告警的類型有：負荷越界、壓力越界、溫度越界、三相電壓各相的越界、三相電流各相的越界以及紅外觸發。在檢測中若越界次數超過參數設定的數值則認為產生一個告警。

pwrWarnTask()進行掉電和來電的報警處理。

3.3 CDMA模塊的網絡連接建立

終端通過CDMA模塊建立PPP連接訪問Internet，PPP為在點對點連接上傳輸多協議數據包提供了一個標準方法。PPP 最初設計是為兩個對等節點之間的 IP 流量傳輸提供一種封裝協議，在TCP-IP 協議集中它是一種用來同步調制連接的數據鏈路層協議(OSI 模式中的第二層)，替代了原來非標準的第二層協議，即 SLIP。PPP攜帶了鏈路控制協議(LCP)、網絡控制協議(NCP)。為了使用VxWorks提供的PPP協議棧，在VxWorks中需加入PPP組件，如圖5所示。

VxWorks提供了一個類型為PPP_OPTIONS的結構體來描述PPP參數。可通過填寫PPP_OPTIONS結構體并將結構體地址傳遞給pppInit()函數來實現對PPP參數的配置。初始化成功后PPP在鏈路層將自身連接到VxWorks的TCP/IP棧。PPP撥號連接建立成功后，所有的VxWorks IP 網絡設備就可用了。這時PPP連接對于用戶是透明的［8］。

S3C44B0X用AT命令控制DTGS-800 CDMA模塊。AT命令是由Hayes公司發明的控制調制解調器的一套命令集，現已成為事實上的標準并被所有調制解調器制造商采用。每條命令以字母“AT”開頭。不同型號的調制解調的AT命令有一定的差別。S3C44B0X發送AT命令來建立通行鏈路［9］，撥號需要用到的AT命令有：

① 發起呼叫ATD＜nb＞

＜nb＞為目標號碼，該指令在PPP建立之前進行。若返回CONNECT則數據呼叫建立成功。

② 控制回顯ATEx

控制字符是否回顯，x=0則不回顯;x=1則回顯。

PPP連接建立步驟如圖6所示。CDMA_Init()函數填寫PPP_OPTIONS結構體并初始化CDMA模塊使用的串口。撥號的號碼為“#777”用戶名密碼都為“CARD”。使用VxWorks提供的pppInit()函數完成PPP的初始化。pppInit()的返回值不能指示PPP連接的狀態，它僅僅能返回連接是否被成功初始化。要確認連接建立的成功需用pppInfoGet()。當IPCP(Internet協議控制協議)的狀態為“OPENED”時表PPP連接建立成功。

4 結 語

從硬件和軟件等方面介紹了基于VxWorks的數據采集遠程終端的設計和實現。該遠程終端的核心架構不僅適用于石油抽油井的遠程數據傳輸與監控，在其他領域也可以得到很好的應用，例如電力監控、遠程抄表、工業控制、氣象數據采集、水紋監控、水利監控、地震檢測、交通信息發布等領域，具有很強的工程應用價值，尤其適用于M2M(Machine to Machine)領域的應用及應用系統的開發。當要作具體應用時，只需要根據具體情況選擇相應的傳感器并對軟硬件做一定的修改即可完成，因此具有廣泛的應用前景。

參考文獻

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［3］周啟平,張楊.VxWorks下設備驅動程序及BSP開發指南［M］.北京:中國電力出版社,2004.

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［6］Wind River,Inc.VxWorks Programer′s Guide 5.4［Z］.

［7］Wind River,Inc.VxWorks Driveers API Reference［Z］.

［8］Wind River,Inc.Tornado2.2 Online Manuals［Z］.

［9］AnyDATA,Inc.CDMA Data Terminal DTGS-800 Reference Manual［Z］.

作者簡介

江 彥 男，1982年出生，四川成都人，碩士研究生。研究方向為檢測技術與自動化裝置。

舒朝君 女，四川成都人，副教授。研究方向為檢測技術與自動化裝置，控制電器和PLC的研究及應用。