無線通信抽油機數據記錄儀設計研究論文
1引言
迅速發展的計算機技術極大地提高了油田自動化管理水平。在實際生產中，采油設備工作的周邊環境惡劣，地理位置分散，野外作業占了絕大多數，人工檢測有一定的困難，另一方面抽油機的井下工況復雜，抽油機經常發生故障，這不僅影響到油田的生產，還會造成資源的浪費，使效益降低。因此，及時準確地對抽油機井下工況實時監測是避免抽油機經常發生故障的重要手段。在采油工藝技術中，通常以示功圖作為分析抽油機井下工況的主要依據。常見抽油機即游梁式抽油機是油田廣泛應用的傳統抽油設備。游梁式抽油機在運行時，運行情況總是根據油井的情況有所變化，尤其是想得到不同時間段的示功圖，可是示功儀價格昂貴，不能安裝在無人值守的抽油機上，只能在某一時人工測量。因此此開發能在不同時間自動記錄抽油機的抽油桿拉力、行程、電壓、電流等數據具有重要意義。
2抽油機數據記錄儀硬件設計
基于無線通信抽油機數據記錄儀旨在無人看守的情況下，可以自動在不同時間記錄抽油機的抽油桿拉力、行程、電壓和電流等工作參數，然后通過無線方式將這些數據傳送到手抄器上，再進一步傳到PC機上，進行數據分析，得出抽油機的運行數據。該系統分為硬件設計和軟件設計，硬件主要完成數據的采集、轉換、放大、檢波和顯示等功能；軟件部分完成數據處理和控制[2]。
2.1傳感器和信號放大電路
傳感器是測試系統的首要環節。現場傳感器包括測抽油桿拉力的傳感器，測抽油機行程位置的加速度傳感器，電壓互感器，電流互感器。載荷傳感器將抽油桿的拉力轉換為電量輸出；加速度傳感器放在抽油桿的平衡鐵上，對加速度傳感器采集到的數據進行二次積分得到位移量，將載荷傳感器和加速度傳感器聯合使用，測得的實時的位移和載荷，構成示功圖。利用電壓互感器和電流互感器得到抽油機的電壓值和電流值。本設計信號放大電路采用TLC2254四運算集成放大器，該放大器輸入阻抗高，噪聲低，是高阻抗源的小信號調理電路的理想芯片。放大電路圖。放大電路分為四級，第一級構成電壓跟隨器，具有高輸入阻抗，低輸出阻抗的特點，作隔離電路。第二級是構成放大倍數10倍的放大電路，第三級構成的半波檢波器與第四級的加法器組成簡單的絕對值電路。
2.2主控模塊
主控模塊選擇的中央處理器是宏晶科技生產的STC12LE5A60S2芯片。該芯片是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051，但速度快8～12倍。芯片3V供電，與無線模塊可以直接相連，不需要進行電平轉換。內部集成MAX810專用復位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉換（250K/S）。與普通的8051相比，STC12C5A60S2芯片還擁有SPI接口、兩個串口、EEPROM和1K內部擴展RAM。單片機通過I/O口輸出相應的高低電平控制8通道模擬多路復用器，分時對位移、載荷、電壓和電流數據采集。8通道模擬多路復用器在同一時刻只允許一路信號經過，由傳感器產生的電信號經過放大和檢波電路輸入到MCU進行AD轉換，并將數據存入存儲模塊。基于STC12C5A60S2芯片具有的A/D轉換功能，無需采用單獨的數模轉換模塊，大大減低了設計成本。當單片機收到手抄器進行數據讀取的通信信號后，單片機將數據處理完成后將數據通過無線發射模塊發送給手抄器，實現無線通信，還可以通過液晶顯示器將數據顯示出來。
2.3無線通信模塊
無線通信模塊采用nRF2401芯片。該芯片是單片射頻收發器，其ISM頻段為各國通用的2.4～2.5GHZ。輸出功率和頻率通道可以通過3個串行接口進行編程配置。主控模塊控制數據的采集、讀取、A/D轉換、存儲和無線通信。該設備通過模擬SPI模式實現主控模塊和無線通信模塊的連接，通過單片機STC12LE5A60S2的P2口與nRF2401相應引腳相連，對其寫入讀取控制字實現無線通信。單片機P25、P24、P23分別與nRF2401的PWR_UP、CE、CS相連，單片機的P22、P21、P20分別與nRF2401的DR、CLE、DATA相連。單片機控制無線模塊發送數據時首先要配置芯片的工作模式。nRF2401芯片有四種工作模式：收發模式、配置模式、空閑模式和關機模式。
3抽油機數據儀的軟件實現
3.1數據采集的軟件設計
數據儀的功能實現需要在硬件的基礎上利用軟件部分實現控制和通信。對于抽油機數據采集儀來說，不可能實現完全意義上的實時監測，因為每時每刻的監測會使短時間內數據量過大，且傳感器等硬件的響應都有一定的界限，并且由于抽油機自身具有的穩定性和可靠性，可以在相同間隔的不同時刻對抽油機的'狀態進行監測。本系統每隔一個小時對數據采集一次。記錄儀上電開始工作時，進行單片機、無線模塊等外設參數的初始化，利用單片機自帶的定時器，再編寫計數程序，當時間達到一小時時，單片機分時讀取拉力、行程、電壓和電流的數據，并進行存儲。存儲模塊主要由兩個24C512組成。手抄器想要獲得記錄儀采集的數據首先向記錄儀發送驗證數據，通知記錄儀需要提取數據，記錄儀的主控芯片收到驗證數據后向手抄器發送應答信號，在確認應答信號正確的前提下，手抄器發送抄數據指令，此時記錄儀將存儲的數據信息通過無線模塊傳送給手抄器。
3.2無線通信的軟件設計
本設計無線通信采用的是異步半雙工通信模式。以nRF2401芯片為核心的無線收發器有ShockBurstTM和直接收發兩種收發模式，收發模式由單片機寫入的配置字決定。與直接收發相比，ShockBurstTM收發模式功耗低，在與單片機進行數據傳輸時速率較慢，但是在2.4GHZ的頻帶下空中傳輸速率最大是1Mbps，這樣就可以提高無線通信在空中的可靠性和穩定性。無線傳送開始前需對單片機的I/O口進行初始化并設置系統時鐘，通過寫控制字的方式初始化nRF2401。單片機向nRF2401寫入接收裝置的地址的需要發送的數據，并置CE引腳為高電平，此時nRF2401自動添加CRC校驗碼，然后置CE為低，nRF2401自動加入報頭并開始空中數據發送。當發送過程完成后，數據準備好引腳通知微處理器數據發射完畢。內有無線接收模塊的手抄器接收數據，手抄器可以與PC機相連，接收到數據后傳送給PC機，再進一步進行數據處理和分析，得出抽油機的工作狀態。
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