便攜式壓力采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信

王 捷 艾 紅

(1.北方工業(yè)大學機電工程學院，北京 100144；2.北京信息科技大學自動化學院，北京 100192)

壓力測井是采油過程中的一個重要環(huán)節(jié)，壓力數(shù)據(jù)的正確采集與獲取關(guān)系到油井的工況，通過對壓力數(shù)據(jù)的采集與分析可以對油井采取維護措施，提高采油效率。便攜式壓力采集系統(tǒng)是由壓力傳感器、微處理器和外圍電路構(gòu)成的，測井時可以通過測量與記錄壓力數(shù)據(jù)，經(jīng)分析后評估油井工作狀態(tài)并給出維護方法。電子壓力計已逐步取代機械壓力計成為井下壓力采集的主流[1]，尋求一種適用于油田的壓力采集系統(tǒng)具有實際應(yīng)用價值。在此，筆者給出一種便攜式壓力采集系統(tǒng)及其數(shù)據(jù)通信方案的設(shè)計過程。

1 系統(tǒng)構(gòu)成①

采油過程中壓力測井用便攜式壓力采集系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示，包括信號處理與放大、數(shù)據(jù)存儲、鍵盤與液晶顯示操作接口。采用電池供電，軟開機控制。高效率的開關(guān)式電源轉(zhuǎn)換模式。壓力信號采用應(yīng)變式不平衡電橋測量，信號放大采用AD620差分放大器，將采集到壓力傳感器的模擬信號放大，通過調(diào)節(jié)與其連接的電位器阻值確定放大倍數(shù)。采集中需要設(shè)置開始時間、采樣間隔和結(jié)束時間。系統(tǒng)用到的芯片還有MAX813、MAX735及LM2574-5.0等。

圖1 便攜式壓力采集系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

2 數(shù)據(jù)通信方案選擇

由于測量地點大多在野外現(xiàn)場，不方便攜帶數(shù)據(jù)處理的主計算機，當數(shù)據(jù)采集完畢之后需要將便攜式設(shè)備帶到數(shù)據(jù)處理中心進行數(shù)據(jù)上傳、匯總與分析。可以考慮選用兩種方案：無線傳輸和人工帶回數(shù)據(jù)。無線傳輸受條件限制，在有些

地方網(wǎng)絡(luò)覆蓋和服務(wù)不是很好，無線信號無法使用。由于設(shè)計的便攜式壓力采集系統(tǒng)對實時性要求不是很高，采集周期一般2～3天，因此將采集的壓力數(shù)據(jù)存儲起來，由人工帶回數(shù)據(jù)處理場所，優(yōu)點是不用無線傳輸模塊，可以節(jié)省高昂的數(shù)據(jù)傳輸成本；受無線電干擾的可能性降低。

3 壓力數(shù)據(jù)的采集與存儲

3.1 數(shù)據(jù)采集

壓力傳感器是將壓力轉(zhuǎn)換成電信號的器件，采用的壓力傳感器主要技術(shù)參數(shù)，量程0～20MPa、過載壓力150%、供電電壓5V、零點輸出-0.18mV、滿量程輸出16.2mV、線性0.12%、遲滯和重復(fù)性0.2%、輸入阻抗13.35kΩ、輸出阻抗12.55kΩ。選用此傳感器的優(yōu)勢：傳感器的量程和精度符合工藝要求；供電5V容易提供；信號輸出為差動信號，抗干擾能力強；器件的外形尺寸和安裝方法符合工藝要求；選用AD620將壓力傳感器輸出信號進行放大，根據(jù)工藝要求壓力采集的時間間隔大于1s，數(shù)據(jù)采集采用A/D轉(zhuǎn)換芯片TLC2543，TLC2543具有11路模擬輸入信號，是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，具有12位分辨率的高精度，最大±1LSB的線性誤差及低噪聲等優(yōu)點。

3.2 存儲器接口硬件

數(shù)據(jù)存儲器接口電路如圖2所示，存儲器芯片AT24C1024的容量是128KByte，需要17位地址線。寫操作有字節(jié)寫和頁寫兩種方式，字節(jié)寫和頁寫均需向AT24C1024發(fā)送設(shè)備地址字節(jié)，在設(shè)備地址字節(jié)中包含P0、A1和R/W選擇，其中A1位為片選地址，即I2C總線上最多可并聯(lián)兩個串行EEPROM芯片；P0為存儲器頁地址，加上后面的兩個字節(jié)組成存儲器物理地址；R/W為讀寫控制位，“0”為寫操作，“1”為讀操作。值得注意的是，對存儲器操作時，每讀/寫一個字節(jié)，單片機必須送一個應(yīng)答位ACK，釋放一下SDA數(shù)據(jù)線，以便存儲器能繼續(xù)接收數(shù)據(jù)。在讀取結(jié)束后要發(fā)送一個負的應(yīng)答信號NACK。

圖2 數(shù)據(jù)存儲電路

設(shè)計串行E2PROM存儲器AT24C1024寫程序時的地址有3個：addr_p是頁地址，addr_hi是高位地址，addr_lo是低位地址。AT24C1024有頁寫入功能，在頁寫入時AT24C1024會自動增加低位地址順序?qū)懭霐?shù)據(jù)，一頁256Byte；然而當數(shù)據(jù)寫到AT24C1024的頁尾時，如果繼續(xù)寫入存儲器不會自動增加高位地址addr_hi，而是覆蓋頁首地址位置上的數(shù)據(jù)。如果不對存儲地址做出調(diào)整，AT24C1024的存儲空間不會連續(xù)而且會造成存儲上的錯誤，因此必須進行地址調(diào)整得到連續(xù)的存儲空間。地址調(diào)整步驟：先判斷在本頁內(nèi)存儲器是否有足夠的空間寫入，如果有則直接進行寫入；否則將要寫入的數(shù)據(jù)前半部分寫入本頁的剩余空間，其余部分寫入高位地址增加后的存儲空間，這樣就可以使分頁寫入的存儲器空間變成一個全部連續(xù)的存儲器空間了。

4 數(shù)據(jù)通信程序

4.1 通信協(xié)議與功能

便攜式壓力采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信程序需要實現(xiàn)的主要功能包括：下位機發(fā)送采集的壓力值給上位機，或者是由上位機發(fā)送系統(tǒng)時間給下位機(表1)。進入串口中斷服務(wù)程序后，要判斷檢測字符是“RR”(即下位機發(fā)送數(shù)據(jù)標志符)還是“TT”(即下位機接收系統(tǒng)時間標識符)。在實現(xiàn)通信程序設(shè)計中，要使上位機和下位機的波特率和傳輸數(shù)據(jù)格式一致。在數(shù)據(jù)通信時上位機和下位機的初始化波特率為9 600b/s、8位數(shù)據(jù)位和1位停止位。

表1 上位機發(fā)送命令與下位機功能

下位機發(fā)送數(shù)據(jù)標志符RR是上傳命令字。便攜式壓力采集系統(tǒng)收到此命令字時，將壓力數(shù)據(jù)上傳給計算機。下位機系統(tǒng)會從AT24C1024 EEPROM存儲器中將全部數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成ASCII碼后通過串口上傳到上位機。將壓力數(shù)據(jù)的BCD碼數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為兩個ASCII碼數(shù)據(jù)上傳，直到上傳完地址00000 H到存儲器中地址指針所指的數(shù)據(jù)，包含最后的0B和0E結(jié)束標志，液晶顯示畫面此時顯示“數(shù)據(jù)上傳中…”。CC是清除內(nèi)存命令字，此命令把E2PROM數(shù)據(jù)指針調(diào)整回00000H，并寫入結(jié)束標志0B 0E到地址00000H和00001H中，內(nèi)存清除后液晶顯示“內(nèi)存清除完畢”。

下位機系統(tǒng)在收到TT命令后進行對時操作，將TT后面的時間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成BCD碼數(shù)據(jù)寫入便攜式壓力采集系統(tǒng)的時鐘存放單元，并在液晶顯示器上顯示當前時間。5s后返回停止狀態(tài)。

4.2 上位機對上傳數(shù)據(jù)的處理

上位機程序設(shè)計功能中有判斷數(shù)據(jù)是否傳送完畢的功能。當數(shù)據(jù)傳輸時每經(jīng)過一段時間查詢上傳到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的字符數(shù)是否有增加，若有增加說明仍有數(shù)據(jù)在傳輸，需要繼續(xù)等待。當數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)的字符數(shù)沒有增加了，說明已經(jīng)完成上傳數(shù)據(jù)，并彈出對話框顯示“數(shù)據(jù)上傳完畢”。

4.3 上位機發(fā)送系統(tǒng)時間

上位機為下位機發(fā)送系統(tǒng)時間。利用VB中的now函數(shù)返回系統(tǒng)當前的時間，利用format函數(shù)格式化這個日期和時間值。組成相應(yīng)的字符串即系統(tǒng)時間，激活MSComm控件，將系統(tǒng)時間發(fā)送到下位機。發(fā)送系統(tǒng)時間的部分程序代碼如下：

Private Sub Command12_Click()

Dim mystr1,mystr2,mystr3,mystr4,mystr5,mystr6,mystr7 As String

mystr3=Format(Month(Now),"00")′系統(tǒng)時間的月份

mystr4=Format(Day(Now),"00")′日

mystr5=Format(Hour(Now),"00")′小時

mystr6=Format(Minute(Now),"00")′分鐘

mystr7=Format(Second(Now),"00")′秒

mystr1=right(year(Now),2)′年份

Comm1.Output=Trim("TT"&mystr1&mystr3&mystr4&mystr5&mystr6&mystr7)′組合成通信協(xié)議形式發(fā)送

End Sub

5 上位機接收數(shù)據(jù)的處理方法

上位機對上傳的壓力數(shù)據(jù)及采樣間隔時間等數(shù)據(jù)要進行處理。根據(jù)通信協(xié)議，每個數(shù)據(jù)包都是按照協(xié)議的格式上傳到上位機的，這個數(shù)據(jù)包是一個若干長度的字符串，包含井號、采樣間隔時間、采集壓力的最初時間和若干個壓力數(shù)據(jù)。要運用字符串處理的一些函數(shù)來分割、截取數(shù)據(jù)包讓這些數(shù)據(jù)段找到各自的相應(yīng)屬性，步驟如下：

a. 判斷數(shù)據(jù)包的整個長度，若長度不夠說明這個數(shù)據(jù)包是錯誤的，則退出數(shù)據(jù)處理的程序。

b. 分割字符串。接收到一個正確的字符串要將它分割并截取，再確定字頭的位置。利用num1=InStr(n2,buf,"B")函數(shù)找到字頭位置為這個字符串的第一位，字頭后的四位為井號，截取后再放到儲存井號的寄存器t0里。用類似方法把每個數(shù)據(jù)段分別存儲好。

c. 加工。分割好的字符數(shù)據(jù)并不帶有任何意義，利用對時間函數(shù)的操作將最初采樣時間的數(shù)據(jù)段合成為一個返回值作為時間屬性的數(shù)據(jù)，year=t4&","&t5&","&t6 mytime=DateValue(year)取得年月日，b=t7×3600+t8×60+t9取得時分秒。同樣把采樣間隔時間換算成秒，c=t1×3600+t2×60+t3′間隔時間。

d. 存儲數(shù)據(jù)。當字符串處理到第24位時，井號、采樣間隔時間和采樣最初時間都已處理完畢，下面的字符都是每四位一個的壓力數(shù)據(jù)了，那么判斷字尾的“B”找到它的位置，只要計算好有多少個壓力值就可以用for語句循環(huán)多少次，把所有的壓力數(shù)據(jù)和它的采樣時間一一對應(yīng)，并保存到相應(yīng)的寄存器里，以便在報表、數(shù)據(jù)庫和曲線繪制的應(yīng)用中提取這些數(shù)據(jù)。VB可以定義一個很大的數(shù)組來存儲壓力數(shù)據(jù)。

e. 循環(huán)判斷。協(xié)議規(guī)定每個數(shù)據(jù)包都以B為字頭，一個字符串中可以有若干個數(shù)據(jù)包，那么就有很多個B作為字頭，而且也作為上一個數(shù)據(jù)包的結(jié)尾。取數(shù)據(jù)包最后一位，設(shè)為N，取整個字符串最后一位E的位數(shù)是M。判斷N+1和M的大小，如果相等那么說明已經(jīng)處理完所有得數(shù)據(jù)包；若N+1

6 結(jié)束語

便攜式壓力采集系統(tǒng)為了提高電池性能，可以使用采樣和休眠兩種工作方式，采樣時處于全速工作狀態(tài)，其余時間處于休眠節(jié)電狀態(tài)。存儲系統(tǒng)采用128KByte的E2PROM芯片，最大存儲的測量壓力數(shù)據(jù)約為60KByte。當采樣間隔為10s時，對應(yīng)采樣時間可長達約166h。系統(tǒng)利用VB語言編程，建立了人機交互界面，通過管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了技術(shù)人員對采集數(shù)據(jù)的分析與處理。通過分析壓力數(shù)據(jù)為油井維護方案提供了依據(jù)和針對性措施。