抽油機(jī)電參數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

胡家華，徐 鵬，鄭昌雨，周 揚(yáng)，梁春陽(yáng)，寧 宇

（哈爾濱理工大學(xué)，黑龍江 哈爾濱150080）

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，無(wú)線技術(shù)也得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，尤其是無(wú)線通信技術(shù)可以用日新月異來(lái)形容。無(wú)線技術(shù)中包含射頻技術(shù)、集成電路技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)，這些技術(shù)的發(fā)展都給無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了極其便利的條件，也使無(wú)線數(shù)傳系統(tǒng)日益完善，其應(yīng)用的范圍也越來(lái)越廣泛。數(shù)據(jù)傳輸可以簡(jiǎn)單分為有線（光纜、電纜、電信專用線）和無(wú)線（建立專用的無(wú)線傳輸系統(tǒng)，頻率在433 MHz或2.4 GHz頻段；或者是借用CDPD、GSM、CDMA等公用網(wǎng)信息平臺(tái)）兩大類。相比較而言，用無(wú)線數(shù)傳模塊建立專用無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)方式比較其他方式有如下優(yōu)點(diǎn)：成本低廉、建設(shè)工程周期短、適應(yīng)性好、擴(kuò)展性好，工況惡劣不易架線的環(huán)境更適應(yīng)采用無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。油田抽油機(jī)運(yùn)行參數(shù)是油田生產(chǎn)部門分析單井產(chǎn)量、單井生產(chǎn)損耗、機(jī)井是否運(yùn)行正常以及機(jī)井作業(yè)的有效數(shù)據(jù)，以此可以分析抽油機(jī)系統(tǒng)效率，探討抽油機(jī)系統(tǒng)效率的影響因素，包括油井供液不足、大馬拉小車和井深、高氣油比等的影響。而油田抽油機(jī)井大部分都分布在野外，其工作環(huán)境比較惡劣。本文介紹采用KYL-102L模塊結(jié)合STC12C560S2單片機(jī)設(shè)計(jì)油田抽油機(jī)運(yùn)行電參數(shù)測(cè)量的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的無(wú)線收發(fā)。

1 概述

1.1 KYL-102L簡(jiǎn)介

KYL-1020L是一款低功率無(wú)線數(shù)傳模塊，適合制作遠(yuǎn)距離的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)品。其體積小、功耗低、穩(wěn)定性強(qiáng)，為用戶提供雙向的數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸、檢測(cè)和控制功能，比較適合水電氣三表、門禁系統(tǒng)、智能儀器儀表、樓宇控制等設(shè)備。其特點(diǎn)是：發(fā)射功率為500 mW；接收靈敏度為-118 dB/m（對(duì)應(yīng)9 600 b/s）；載頻頻率為433 MHz，無(wú)需申請(qǐng)頻點(diǎn)；采用FSK/GFSK調(diào)制方式，其傳輸距離可達(dá)2 km（空曠地）。其信號(hào)連接采用單排9針連接器，引腳信號(hào)如表1所示。

表1 KYL-1020L模塊引腳信號(hào)說(shuō)明

由表1可見，該模塊的串行數(shù)據(jù)收發(fā)引腳有6#和7#以及3#和4#引腳，這兩對(duì)引腳在使用時(shí)是有區(qū)別的。如果單片機(jī)采用RS232串行異步通信方式，則KYL-1020L模塊要用6#和7#引腳與單片機(jī)系統(tǒng)的RS232串行通信的收、發(fā)引腳互聯(lián)，兩者的電平是RS232電平；如果單片機(jī)系統(tǒng)采用單片機(jī)本身的串行通信引腳對(duì)外進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)傳遞，此時(shí)，KYL-1020L模塊要使用4#和3#引腳與單片機(jī)的串行通信的收發(fā)引腳互連，兩者的信號(hào)電平都是TTL電平。

1.2 STC12C5A60S2單片機(jī)簡(jiǎn)介

STC單片機(jī)是宏晶科技公司開發(fā)的完全兼容MCS-51系列的單片機(jī)，其芯片的內(nèi)核和指令系統(tǒng)完全兼容MCS-51單片機(jī)，并在51單片機(jī)的基礎(chǔ)上增加了許多功能部件，如芯片本身集成了大容量程序存儲(chǔ)器、提高芯片的時(shí)鐘運(yùn)行頻率等，尤其是在程序下載方面更具特色，它完全拋棄了以往單片機(jī)程序下載需要編程器的概念，而是直接通過臺(tái)式計(jì)算機(jī)的RS232串口將編寫好的程序下載到單片機(jī)芯片中的程序存儲(chǔ)器中，目前還可以通過芯片轉(zhuǎn)換技術(shù)將單片機(jī)的普通串行通信口轉(zhuǎn)換為USB接口，由臺(tái)式計(jì)算機(jī)或筆記本電腦的USB接口將程序直接下載到單片機(jī)芯片中，特別方便現(xiàn)場(chǎng)對(duì)程序的修改和下載以及筆記本電腦沒有RS-232串口的使用情況。本文采用的是STC12C5A60S2單片機(jī)，其主要的特點(diǎn)是：芯片本身集成有10位8路A/D轉(zhuǎn)換器，能滿足一般工程的需要；集成在芯片上的60 KB Flash程序存儲(chǔ)器，方便用戶的程序下載；芯片的工作電壓為3.5 V～5.5 V，電壓范圍比較寬，適應(yīng)在工業(yè)環(huán)境中用；芯片本身集成有上電復(fù)位電路，省去了片外上電復(fù)位電路，簡(jiǎn)化了印刷電路板的結(jié)構(gòu)等。

2 系統(tǒng)硬件電路

采用STC12C5A60S2單片機(jī)結(jié)合KYL-1020L模塊構(gòu)成的油田抽油機(jī)運(yùn)行電參數(shù)測(cè)量的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，系統(tǒng)接收部分的部分電路原理圖如圖1和圖2所示。圖1是STC單片機(jī)與KYL-1020L模塊連接原理示意圖，其中元件U11表示KYL-1020L模塊的連接器，根據(jù)表1所示引腳信號(hào)，將U11的7、6、5號(hào)引腳分別與STC單片機(jī)的P3.1、P3.0、GND引腳相連，這樣STC單片機(jī)與KYL-1020L模塊之間串行通信數(shù)據(jù)的邏輯電平為TTL電平，當(dāng)KYL-1020L模塊接收到無(wú)線數(shù)據(jù)后，通過模塊內(nèi)部的調(diào)制解調(diào)電路將接收到的數(shù)據(jù)解調(diào)為TTL電平的數(shù)字信號(hào)，再通過串行通信的形式傳給單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和保存。U5元件是串行的非易失的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，用來(lái)保存數(shù)據(jù)，系統(tǒng)掉電后，數(shù)據(jù)不丟失，該器件I2C是總線接口，單片機(jī)的P1.2、P1.3引腳分別與該器件的時(shí)鐘線（6腳）和數(shù)據(jù)線（5腳）相連，單片機(jī)用軟件來(lái)模擬I2C總線時(shí)序。U2元件是數(shù)據(jù)總線驅(qū)動(dòng)器，用來(lái)提高數(shù)據(jù)口（P0口）的驅(qū)動(dòng)能力。

圖2是無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)接收部分的鍵盤顯示電路的原理圖。采用了7279芯片作為鍵盤顯示管理芯片，該芯片是串行接口芯片，與單片機(jī)之間的連接只需4根信號(hào)線：片選信號(hào)（/CS）、時(shí)鐘信號(hào)（CLK）、數(shù)據(jù)信號(hào)（DATA）、狀態(tài)信號(hào)（/KEY）。該芯片自動(dòng)完成對(duì)鍵盤和顯示器（數(shù)碼管顯示器）的掃描工作，無(wú)需單片機(jī)的過問。單片機(jī)只需將要顯示的數(shù)據(jù)通過串行方式傳給該芯片或是從該芯片讀出按鍵的鍵值即可，故讀鍵和顯示的程序設(shè)計(jì)能簡(jiǎn)化一些。由圖2可見，該芯片的片選信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)、數(shù)據(jù)信號(hào)和狀態(tài)信號(hào)分別與STC單片機(jī)的P4.3、P4.2、P4.0、P4.1引腳相連，與單片機(jī)的連接線非常簡(jiǎn)單。

無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)發(fā)送部分的電路原理圖仍采用圖2所示原理圖，該部分應(yīng)該和油田抽油機(jī)運(yùn)行電參數(shù)測(cè)量部分連接在一起，形成一個(gè)裝置。油田抽油機(jī)運(yùn)行電參數(shù)測(cè)量的數(shù)據(jù)主要是電壓、電流、功率、功率因數(shù)和電能的測(cè)量。

圖1 STC單片機(jī)與KYL-1020L連接原理示意圖

圖2 接收系統(tǒng)的鍵盤與顯示電路原理圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送程序的設(shè)計(jì)

KYL-1020L模塊能將要發(fā)送的數(shù)據(jù)調(diào)制成適合無(wú)線發(fā)送的模擬信號(hào)，由天線發(fā)送出去，無(wú)需STC單片機(jī)的過問，只需完成STC單片機(jī)與KYL-1020L模塊之間的數(shù)據(jù)傳遞問題即可。由于STC單片機(jī)與KYL-1020L模塊之間是串行通信，因此要完成串行通信的初始化工作。設(shè)定串行通信的波特率為9 600 b/s，用單片機(jī)的定時(shí)器1作為串行通信的波特率發(fā)生器，并將其設(shè)定在定時(shí)器的工作方式2，即T1工作在自動(dòng)重裝的8位定時(shí)方式，這時(shí)定時(shí)器T1的溢出率取決于TH1中的初值。而單片機(jī)的串行通信的方式采用方式1，數(shù)據(jù)發(fā)送是10位幀格式，串行通信采用異步半雙工通信方式，即通信雙方發(fā)送和接收信息是分時(shí)段交替進(jìn)行的，雙方不能同時(shí)進(jìn)行收發(fā)操作。通信的數(shù)據(jù)格式為每幀10位，其中0位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位。一幀數(shù)據(jù)的格式如圖3所示。數(shù)據(jù)的發(fā)送是低位在先，高位在后。

圖3 發(fā)送一個(gè)字節(jié)的幀格式

串行通信方式1的波特率的計(jì)算公式為：

其中，SMOD是單片機(jī)芯片內(nèi)部的電源控制寄存器PCON中的D7位，可取值為0或?yàn)?；fosc是表示單片機(jī)外接的晶體振蕩器的頻率。

在實(shí)際應(yīng)用中，數(shù)據(jù)傳送的波特率最好選擇標(biāo)稱值，又由于TH1的初值是整數(shù)，為了減小波特率計(jì)算誤差，單片機(jī)外接的晶振頻率盡量選用11.0 592 MHz，這樣串行通信方式1的波特率與TH1的初值的對(duì)應(yīng)關(guān)系基本上是一個(gè)確定值，如表2所示。

表2 串行通信方式1與TH1初值關(guān)系表

根據(jù)表2，如果串行通信的波特率選用9 600 b/s，則裝入單片機(jī)定時(shí)器1的TH1中的初值就是FDH，通過下面的程序完成初始化。

初始化程序：

以上是初始化程序，發(fā)送一個(gè)字節(jié)的程序如下：

3.2 無(wú)線數(shù)據(jù)接收程序的設(shè)計(jì)

KYL-1020L模塊能將接收到的無(wú)線數(shù)據(jù)信號(hào)解調(diào)為數(shù)字信號(hào)，再通過串行通信的方式傳遞給STC單片機(jī)。因此這里同樣存在著串行通信的初始化設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)過程與3.1節(jié)介紹的初始化過程完全一樣。下面給出接收一個(gè)字節(jié)的程序樣單。

接收一個(gè)字節(jié)的程序如下：

采用STC12C5A60S2單片機(jī)結(jié)合KYL-1020L模塊構(gòu)成的油田抽油機(jī)運(yùn)行電參數(shù)測(cè)量的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，已在某油田的一個(gè)環(huán)境比較惡劣的小區(qū)塊試運(yùn)行，其效果還是比較理想。該系統(tǒng)減輕了上井人員的工作強(qiáng)度，提高了數(shù)據(jù)采集的效率。通過無(wú)線收發(fā)系統(tǒng)接收的數(shù)據(jù)與直接上井采集的數(shù)據(jù)相比較，收發(fā)數(shù)據(jù)的錯(cuò)碼率非常低，比較適合在油田推廣應(yīng)用。

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