石油溫度與壓力智能測試儀設(shè)計

王樂毅

（青島科技大學(xué) 自動化與電子工程學(xué)院，山東 青島266042）

石油溫度與壓力智能測試儀在石油開采工業(yè)中是必不可少的，主要用來監(jiān)測采油管道的運行狀況、采集生產(chǎn)井正常生產(chǎn)時的井下流溫流壓數(shù)據(jù)［1－2］。經(jīng)過一段時間完成采集任務(wù)后，采集的數(shù)據(jù)與上位機通信進行數(shù)據(jù)回放、校驗、初始化、處理并顯示等操作。它獨立工作于2～3km的井下，儀器在地下一次工作時間較長（一般為1～2個月）［3］且工作環(huán)境較為惡劣，要求系統(tǒng)具有較強的低功耗、高抗干擾能力［4－5］。

1 系統(tǒng)組成原理

智能測試儀是基于PIC單片機設(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過傳感器將流體的溫度、壓力信號放大轉(zhuǎn)換成0～5V的模擬電信號，再通過A／D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，單片機對采集的數(shù)據(jù)進行濾波、采集、存儲并通過USART接口將數(shù)據(jù)上傳給上位機做進一步的處理。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 智能測試儀組成

2 工作狀態(tài)及功能

基于現(xiàn)場的要求，系統(tǒng)有兩種工作狀態(tài)：與上位機聯(lián)機狀態(tài)；脫離上位機進行獨立數(shù)據(jù)采集狀態(tài)。

2.1 聯(lián)機狀態(tài)的功能

a）實時校驗。使用儀器前應(yīng)在實驗室完成儀器的校準(zhǔn)，之后輸入零點和滿量程的溫度和壓力信號。在單片機存儲器中存入溫度和壓力的校正系數(shù)，這些系數(shù)由采集的數(shù)據(jù)分別計算得出。這樣用軟件方法既確保了儀器的精度，又免除了設(shè)置零點和量程電位器的必要。

b）數(shù)據(jù)回放。采集任務(wù)完成后，取回儀表通過USB接口將采集的數(shù)據(jù)上傳到上位機，上位機對采集數(shù)據(jù)進行處理后得到實際的溫度、壓力值，然后進行顯示、存儲。

c）初始化。上位機對下位機進行采集任務(wù)設(shè)定，其中包括采集的時間間隔、采集組數(shù)、延時時間等。

2.2 脫機采集狀態(tài)的功能

在與上位機完成采集任務(wù)設(shè)定后，測試儀裝入電池送入井下，在經(jīng)過設(shè)定的延時時間后開始按預(yù)定的時間間隔自動進行數(shù)據(jù)采集、存儲。

3 主硬件電路

主硬件電路如圖2所示，以PIC16F88單片機為核心組成。

3.1 電源模塊

在數(shù)據(jù)采集工作狀態(tài)時，測試儀的電源由2塊3.6V的鋰離子電池串聯(lián)供電，采用具有低壓差、低功耗、低溫漂特性的低壓差（LDO）線性穩(wěn)壓電路進行穩(wěn)壓，在提高電源精度的同時又降低了系統(tǒng)功耗。而且，將輸入輸出壓差降到100mV左右，在負(fù)載電流為0～250mA時，靜態(tài)電流最大為300μA。

圖2 PIC16F88單片機硬件電路示意

3.2 時鐘模塊

a）系統(tǒng)時鐘。采用內(nèi)部RC振蕩器INTRC作為系統(tǒng)時鐘，既可以簡化外部電路又有利于降低功耗。受溫度影響，INTRC產(chǎn)生的誤差對該系統(tǒng)影響并不大，而且INTRC起振快（約為數(shù)百納秒），更適用于頻繁工作在喚醒—休眠狀態(tài)的系統(tǒng)。

b）實時時鐘（RTC）模塊。定時／計數(shù)器TMR1在T1OSI腳和T1OSO腳外接一個32.768MHz的低功耗晶體振蕩器組成實時時鐘，用于采集時間間隔定時，單片機休眠時RTC仍然工作。

3.3 存儲模塊

外接一個256KB的Eeprom存儲器24LC256，以存儲采集數(shù)據(jù)，單片機通過IIC接口與其交換數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸可靠方便，其在電壓5.5V下最大寫電流為3mA，最大讀電流為400μA。

3.4 串口通信模塊

通過單片機內(nèi)部的USART模塊的全雙工異步模式，通過RS－232－USB的轉(zhuǎn)接橋接到上位機的USB接口來實現(xiàn)與上位機的串口通信。

3.5 A／D轉(zhuǎn)換模塊

使用單片機內(nèi)部的A／D轉(zhuǎn)換器，利用RA1，RA2，RA3 3路模擬輸入，參考電壓選擇AVDD和AVSS。進行A／D轉(zhuǎn)換時，為提高轉(zhuǎn)換精度，要使單片機工作在休眠狀態(tài)。

3.6 傳感器及信號調(diào)理模塊

a）傳感器模塊。壓力檢測采用壓阻傳感器來檢測流體壓力；溫度檢測T1路采用Pt100熱電阻來檢測流體的溫度，T2路采用LM35精確集成溫度傳感器來檢測儀器的工作溫度。

b）信號調(diào)理模塊。選擇高精度、低功耗、溫漂小的運算放大器對傳感器的輸出信號進行放大，輸出0～5V模擬信號。

3.7 聯(lián)機識別及前級電源控制模塊

a）聯(lián)機識別。通過判斷RB3腳的電平來判斷單片機的工作狀態(tài)。聯(lián)機狀態(tài)將單片機電池取下，RB3引腳通過通信電纜接地，被下拉為低電平，獨立數(shù)據(jù)采集狀態(tài)RB3被VCC上拉為高電平。

b）前級運放及傳感器電源控制。由RA0腳來控制MOSFET導(dǎo)通和關(guān)斷來控制前級運放及傳感器的電源。

4 數(shù)據(jù)的線性化處理

在上位機通過查表和分段線性化來實現(xiàn)對溫度傳感器的線性化處理。在實際非電量的檢測中，利用各類傳感器把許多物理量轉(zhuǎn)化為電量時，大多數(shù)傳感器的輸出電量與被測物理量之間不是線性關(guān)系。為使測量儀表的輸出量與輸入量之間具有線性關(guān)系，不僅對傳感器本身的設(shè)計和工藝采取措施，還利用上位機的線性插值程序來對輸出量的非線性進行補償。

設(shè)X為被測變量，Y為輸出變量，它們呈非線性關(guān)系。根據(jù)精度要求，把曲線分成n段，用實驗或計算的方法得到各分段點輸出和輸入的對應(yīng)值（坐標(biāo)值），將這些對應(yīng)的值（X1，Y1）…（Xn，Yn）編制成表格存儲起來。實際的傳感器輸出值Yi一定落在某個區(qū)間（Xk，Yk）之內(nèi)，即Yk＜Yi＜Yk＋1，插值法就是用一段簡單的曲線，近似代替這段區(qū)間里實際的曲線，隨后，由簡單曲線的表達式計算出被測量Xi。線性插值法則是用（Xk，Yk）和（Xk＋1，Yk＋1）兩點間的直線近似代替兩點間的函數(shù)曲線，此時被測量的計算公式：

該系統(tǒng)在上位機程序中建立一個數(shù)據(jù)庫，以1℃為單位來存儲熱電阻的溫度－電壓對應(yīng)表格，得到采集電壓值后，再通過查表和線性插值來確定實際采集的溫度。

5 軟件組成及功能

下位機單片機軟件主要有主程序模塊、定時模塊、A／D轉(zhuǎn)換模塊、外掛Eeprom模塊、同步串行端口MSSP模塊、串口通信模塊、USART串行通信模塊、中斷模塊和聯(lián)機模塊。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，還進行了看門狗的設(shè)置和程序的抗干擾設(shè)計。

上位工控機軟件使用Visual Basic編寫，主要完成與下位機的通信，包括時間設(shè)定，實時校驗，上傳數(shù)據(jù)、對數(shù)據(jù)存儲，通過表格、曲線查看上傳的數(shù)據(jù)并顯示所有數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)表等。軟件功能如圖3所示。

圖3 軟件功能

5.1 串行口的自動識別

檢測串口通過調(diào)用API函數(shù)返回注冊表中串行口的信息實現(xiàn)。注冊表 HKEY＿LOCAL＿MACHINE，HARDWARE，DEVICEMAP，SERIALCOMM下為計算機串口信息，此鍵下有N個鍵值說明有N個串口。

查詢數(shù)據(jù)表數(shù)據(jù)使用了用于操作注冊表的API函數(shù) RegOpenKey，RegCloseKey，RegEnum ValueAsAny，RegEnumValueAsAny2。自動檢測串口由兩部分組成，注冊表串行口信息的讀取和處理，通過串行通信得到反饋信息從而得到測試儀連接的串口號。

5.2 MSCOMM控件

程序中使用此控件可以方便地實現(xiàn)串行通信，如時間參數(shù)設(shè)定、實時顯示、數(shù)據(jù)上傳、系數(shù)校驗。

5.3 實時校驗軟件

單片機接收的經(jīng)過線性放大的信號，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換和中值濾波后保存在24LC256中，再上傳到上位機，而這些數(shù)據(jù)是沒有經(jīng)過處理的。零點校正和標(biāo)量轉(zhuǎn)換等數(shù)據(jù)處理工作，由上位機完成，這也是實時校驗的核心。

5.4 上傳數(shù)據(jù)軟件

采用數(shù)據(jù)包的形式傳遞數(shù)據(jù)以保證數(shù)據(jù)高效正確地傳送，每個包60個數(shù)據(jù)，若傳遞有誤則要求單片機重新上傳。單片機中存放著所有參數(shù)信息和數(shù)據(jù)，可以只傳遞數(shù)據(jù)，但這樣上位機不僅要能夠取得下位機的各種參數(shù)還要能和數(shù)據(jù)一一對應(yīng)關(guān)聯(lián)，這樣會增大上位機和下位機的開發(fā)難度，因而這里采用上傳時間設(shè)定、系數(shù)、數(shù)據(jù)指針。

5.5 曲線查看

繪制曲線首先要把數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)庫中讀取出來，處理后存放到數(shù)組DataTodisplay（4＊i）中，每4個為一組分別為壓力、油溫、儀溫、時間間隔。

5.6 表格查看

對從數(shù)據(jù)庫中得到的數(shù)據(jù)進行處理后存放到數(shù)組DataTodisplay（），然后使用文件讀寫函數(shù)寫入文件中，格式為.htm，使用 API函數(shù)ShellExecute調(diào)用Internet Explorer打開該文件。也可以使用數(shù)據(jù)庫中的報表控件來完成。

6 結(jié)束語

系統(tǒng)采用PIC16F88單片機，滿足了系統(tǒng)的低功耗、高性能和穩(wěn)定性要求，并依靠軟件完成數(shù)據(jù)上傳、實時校驗、上位機對數(shù)據(jù)的處理及顯示等工作。經(jīng)反復(fù)調(diào)試試驗，該測試儀達到0.5級精度。

由于應(yīng)用環(huán)境惡劣、復(fù)雜，現(xiàn)場安裝和調(diào)試要反復(fù)進行多次，并精心設(shè)計調(diào)試運行方案，否則不能保證系統(tǒng)的可靠性。

［1］趙玲.基于PIC單片機的分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［J］.工業(yè)控制計算機，2011（01）：82－83.

［2］杜金枝，王文賢，何友國.基于PIC單片機的無線溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計［J］.網(wǎng)絡(luò)與信息，2011，25（10）：60－60.

［3］王海峰.基于PIC單片機的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（23）：201－207.

［4］丁躍軍，吳清榮.PIC單片機抗干擾設(shè)計技術(shù)［J］.機電技術(shù)，2011，34（02）：44－45.

［5］夏汝華，吳杉.基于低功耗PIC單片機中斷技術(shù)的液位開關(guān)設(shè)計［J］.自動化與儀器儀表，2011（04）：57－59.

［6］劉篤仁.PIC軟硬件系統(tǒng)設(shè)計－基于PIC16F87X系列［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2005.

［7］謝晶石.PIC單片機USB接口應(yīng)用設(shè)計［J］.數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2011（08）：155－156.

［8］王昊天.PIC單片機原理與應(yīng)用——專業(yè)技能入門與精通［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2010.

［9］閻廣明.PIC單片機常用模塊與典型實例［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2011.

［10］李榮正，劉啟中，陳學(xué)軍.PIC單片機原理及應(yīng)用［M］.北京：北京航天航空大學(xué)出版社，2010.