1 設(shè)計背景

在石油開采的過程中，通常會根據(jù)井口的油壓和套管壓力的變化對油井的生產(chǎn)進(jìn)行分析，所以對井口壓力的測量必須做到及時準(zhǔn)確。油田的生產(chǎn)環(huán)境較為惡劣，對儀器的測量要求也比較苛刻，一般需要在﹣30~﹢50 ℃，0~10 Mpa的條件下進(jìn)行準(zhǔn)確測量。

 

壓力變送器是一種用來測量壓力參數(shù)的儀表，目前市面上很多壓力變送器都采用有線的方式進(jìn)行測量數(shù)據(jù)的傳輸，電源也采用的是集中式供電，非常不利于設(shè)備的安裝和維護(hù)，給油井的日常生產(chǎn)管理造成了極大的不便。因此，系統(tǒng)的通信模式必須換成無線通信的形式，供電方式也必須換成鋰電池供電的形式。同時為了提高電池的使用時間，整個系統(tǒng)就必須做到低功耗，所以無論從芯片和供電電池的選擇，還是電路以及程序的設(shè)計，都需要進(jìn)行綜合考慮。本文采用的是MSP430處理器，研究并設(shè)計了一種無線低功耗壓力變送器，從而實現(xiàn)了井口壓力參數(shù)的準(zhǔn)確快速測量。

 

2 系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)用Altium Designer作為平臺，設(shè)計出基于MSP430單片機的無線壓力變送器的原理圖，參照原理圖繪制壓力變送器的PCB電路板并進(jìn)行元件的焊接，最后用IAR Embedded Workbench IDE調(diào)試平臺編寫程序，下載進(jìn)MSP430單片機進(jìn)行調(diào)試。最終能在LCD顯示屏上顯示壓力等參數(shù)，并可以通過ZigBee模塊將數(shù)據(jù)以無線的方式發(fā)送出去。

 

總體設(shè)計應(yīng)該是全面考慮系統(tǒng)的總體目標(biāo)，進(jìn)行硬件初步選型，然后確定一個系統(tǒng)的草案，同時考慮軟硬件實現(xiàn)的可行性 [1-2] �？傮w方案經(jīng)過反復(fù)推敲，確定了以美國德州公司（Texas Instrument）推出的MSP430F161超低功耗單片機為數(shù)字壓力表的核心，并選擇低功耗和低成本的存儲器、放大器、液晶顯示器等元件，所以可將系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)分為壓力采集模塊、無線發(fā)射模塊、MSP430單片機、LCD液晶顯示器、脈沖輸入模塊、JTAG調(diào)試接口，其總體框架如圖1所示。

壓力變送器是一種接受壓力變量，經(jīng)傳感轉(zhuǎn)換后，將壓力變化量按一定比例轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)輸出信號的儀表。變送器的輸出信號傳輸?shù)街锌厥疫M(jìn)行壓力指示、記錄或控制。無線壓力變送器的傳感元件采用的是擴散硅力敏器件，敏感芯片利用集成電路工藝，在晶體硅片上制成敏感電阻，組成惠斯通電橋，作為力電轉(zhuǎn)換的敏感器件。當(dāng)收到外力作用時，電橋失去平衡。當(dāng)給橋路加一恒流激勵電源時，可以將壓力信號線性地轉(zhuǎn)化為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的4~20 mA的電流信號或者1~5 V的電壓信號，再經(jīng)放大電路轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，最后由無線模塊發(fā)送至上位機。

 

本系統(tǒng)需要將壓力參數(shù)通過壓力電橋采集出來并通過放大器進(jìn)行放大處理，最后在LCD上顯示并可通過ZigBee與上位機進(jìn)行數(shù)據(jù)交換�，F(xiàn)實中的壓力采集模塊是由壓力電橋構(gòu)成，本次設(shè)計中由于無法測得實際壓力參數(shù)，故用電位器代替電橋，通過對電位器的調(diào)節(jié)來模擬電橋因壓力變化而產(chǎn)生的電流變化。

 

3 軟件設(shè)計

本設(shè)計中以MSP430處理器為核心，通過5 V鋰電池來控制壓力傳感器和放大器的供電，傳感器將壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號后，經(jīng)過放大器放大轉(zhuǎn)換為適合于A/D轉(zhuǎn)換的電壓范圍，然后通過MSP430處理器內(nèi)部集成的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，壓力信號就轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號了。然后處理器根據(jù)存儲于RAM中的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)計算出測得的壓力，最后將壓力數(shù)值送液晶顯示器顯示。在校準(zhǔn)過程中建立起測量值與標(biāo)準(zhǔn)壓力的對應(yīng)關(guān)系，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)保存于外部存儲器中。電池經(jīng)過穩(wěn)壓后，為長期工作的部件：處理器、存儲器、顯示器供電（存儲器本來也可以通過單片機來控制其電源，因為存儲器的存儲功能只在上電或復(fù)位初始化以及校準(zhǔn)時讀取數(shù)據(jù)才需要，但是由于系統(tǒng)需要使用集成于存儲器內(nèi)的看門狗，因此需要長期工作）。數(shù)據(jù)采集部分代碼如下：

 

while(1)  //主循環(huán)---------------------------------------

--------------

{

clear_watch_dog();

LPM3; //休眠

ai_power_on();

//打開AI電源

DELAY50; 

//延時

ad_on();

//打開AD AD采集時間9ms 

ai_cj();

//AI采集

slpt_timeout++; //AD采集計時

if(slpt_timeout<mdnml_data.slpt)

continue;

slpt_timeout=0;

ai_power_on();

//打開AI電源

DELAY10; 

//延時

ad_on();

//打開AD AD采集時間9ms 

bt_cj();

//電池電壓采集

ad_off(); 

//關(guān)AD

ai_power_off();

//關(guān)閉儀表電源

bt_cal();

//電池電壓計算

}

 

系統(tǒng)上電初始化之后，首先切斷傳感器和放大器的供電，進(jìn)入休眠模式，然后根據(jù)設(shè)定的采樣時間進(jìn)入等待延時循環(huán)，經(jīng)過一個采樣周期后，計時結(jié)束，系統(tǒng)退出休眠模式，打開傳感器、放大器電源，開始測量，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和計算，最后將結(jié)果送顯示器顯示并將數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)幀的形式發(fā)送出去，整個過程結(jié)束后，立刻進(jìn)入休眠模式，開始下一個采樣周期循環(huán)，系統(tǒng)就這樣周而復(fù)始地運作 [3] 。

 

4 結(jié)語

測量儀器儀表包括壓力測量儀器的總的發(fā)展趨勢是數(shù)字化、高性能、集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化。電池供電的無線數(shù)字壓力變送器的設(shè)計滿足了市場對電池供電方式、長壽命、低功耗、低成本數(shù)字式、質(zhì)量高的變送器的需求，具有較為廣闊的市場前景。