在石油開(kāi)采的過(guò)程中, 通常會(huì)根據(jù)井口的油壓和套管壓力的變化對(duì)油井的生產(chǎn)進(jìn)行分析, 所以對(duì)井口壓力的測(cè)量必須做到及時(shí)準(zhǔn)確。油田的生產(chǎn)環(huán)境較為惡劣, 對(duì)儀器的測(cè)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(cè)量。

壓力變送器是一種用來(lái)測(cè)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(cè)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(wú)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(shí)為了提高電池的使用時(shí)間, 整個(gè)系統(tǒng)就必須做到低功耗, 所以無(wú)論從芯片和供電電池的選擇, 還是電路以及程序的設(shè)計(jì), 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(jì)了一種無(wú)線低功耗壓力變送器, 從而實(shí)現(xiàn)了井口壓力參數(shù)的準(zhǔn)確快速測(cè)量。

本系統(tǒng)用Altium Designer作為平臺(tái), 設(shè)計(jì)出基于MSP430單片機(jī)的無(wú)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, ***后用IAR Embedded Workbench IDE調(diào)試平臺(tái)編寫程序, 下載進(jìn)MSP430單片機(jī)進(jìn)行調(diào)試。***終能在LCD顯示屏上顯示壓力等參數(shù), 并可以通過(guò)Zig Bee模塊將數(shù)據(jù)以無(wú)線的方式發(fā)送出去。

總體設(shè)計(jì)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(gè)系統(tǒng)的草案, 同時(shí)考慮軟硬件實(shí)現(xiàn)的可行性[1-2]。總體方案經(jīng)過(guò)反復(fù)推敲, 確定了以美國(guó)德州公司 (Texas Instrument) 推出的MSP430F161超低功耗單片機(jī)為數(shù)字壓力表的核心, 并選擇低功耗和低成本的存儲(chǔ)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(wú)線發(fā)射模塊、MSP430單片機(jī)、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(hào)的儀表。變送器的輸出信號(hào)傳輸?shù)街锌厥疫M(jìn)行壓力指示、記錄或控制。無(wú)線壓力變送器的傳感元件采用的是擴(kuò)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(shí), 電橋失去平衡。當(dāng)給橋路加一恒流激勵(lì)電源時(shí), 可以將壓力信號(hào)線性地轉(zhuǎn)化為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的4~20 m A的電流信號(hào)或者1~5 V的電壓信號(hào), 再經(jīng)放大電路轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào), ***后由無(wú)線模塊發(fā)送至上位機(jī)。

本系統(tǒng)需要將壓力參數(shù)通過(guò)壓力電橋采集出來(lái)并通過(guò)放大器進(jìn)行放大處理, ***后在LCD上顯示并可通過(guò)Zig Bee與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換?，F(xiàn)實(shí)中的壓力采集模塊是由壓力電橋構(gòu)成, 本次設(shè)計(jì)中由于無(wú)法測(cè)得實(shí)際壓力參數(shù), 故用電位器代替電橋, 通過(guò)對(duì)電位器的調(diào)節(jié)來(lái)模擬電橋因壓力變化而產(chǎn)生的電流變化。

本設(shè)計(jì)中以MSP430處理器為核心, 通過(guò)5 V鋰電池來(lái)控制壓力傳感器和放大器的供電, 傳感器將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后, 經(jīng)過(guò)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(guò)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(hào)就轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)了。然后處理器根據(jù)存儲(chǔ)于RAM中的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)計(jì)算出測(cè)得的壓力, ***后將壓力數(shù)值送液晶顯示器顯示。在校準(zhǔn)過(guò)程中建立起測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)壓力的對(duì)應(yīng)關(guān)系, 校準(zhǔn)數(shù)據(jù)保存于外部存儲(chǔ)器中。電池經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓后, 為長(zhǎng)期工作的部件:處理器、存儲(chǔ)器、顯示器供電 (存儲(chǔ)器本來(lái)也可以通過(guò)單片機(jī)來(lái)控制其電源, 因?yàn)榇鎯?chǔ)器的存儲(chǔ)功能只在上電或復(fù)位初始化以及校準(zhǔn)時(shí)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(chǔ)器內(nèi)的看門狗, 因此需要長(zhǎng)期工作) 。數(shù)據(jù)采集部分代碼如下:

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(shí)間進(jìn)入等待延時(shí)循環(huán), 經(jīng)過(guò)一個(gè)采樣周期后, 計(jì)時(shí)結(jié)束, 系統(tǒng)退出休眠模式, 打開(kāi)傳感器、放大器電源, 開(kāi)始測(cè)量, 進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換, 然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和計(jì)算, ***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(gè)過(guò)程結(jié)束后, 立刻進(jìn)入休眠模式, 開(kāi)始下一個(gè)采樣周期循環(huán), 系統(tǒng)就這樣周而復(fù)始地運(yùn)作[3]。

測(cè)量?jī)x器儀表包括壓力測(cè)量?jī)x器的總的發(fā)展趨勢(shì)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(wú)線數(shù)字壓力變送器的設(shè)計(jì)滿足了市場(chǎng)對(duì)電池供電方式、長(zhǎng)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(chǎng)前景。