一種基于MSP430 F6723的無(wú)線一體化示功儀設(shè)計(jì)方案

劉 星 關(guān)建聰 衛(wèi) 乾 朱潤(rùn)平

（北京中油瑞飛信息技術(shù)有限責(zé)任公司 北京 102200）

一種基于MSP430 F6723的無(wú)線一體化示功儀設(shè)計(jì)方案

劉 星 關(guān)建聰 衛(wèi) 乾 朱潤(rùn)平

（北京中油瑞飛信息技術(shù)有限責(zé)任公司 北京 102200）

本文介紹一種基于無(wú)線Zigbee技術(shù)和加速度傳感器技術(shù)的無(wú)線一體化示功儀實(shí)現(xiàn)方案。該方案充分利用硬件資源，實(shí)現(xiàn)了功圖的正常采集及無(wú)線傳輸，有低成本、低功耗的特點(diǎn)。通過(guò)模擬信號(hào)發(fā)生器對(duì)真實(shí)油井?dāng)?shù)據(jù)的模擬，驗(yàn)證了方案的可行性，可在常規(guī)性游梁式抽油機(jī)井口廣泛應(yīng)用。

示功儀；無(wú)線；一體化；低功耗

數(shù)字化油田的建設(shè)是自下而上所有流程和數(shù)據(jù)的信息化，感知層所采集的數(shù)據(jù)則是數(shù)字化油田建設(shè)最重要的信息。生產(chǎn)過(guò)程中，載荷傳感器記錄抽油機(jī)光桿周期性上下運(yùn)動(dòng)時(shí)不同位移處所承受的負(fù)荷，角位移傳感器記錄實(shí)時(shí)的位移。通過(guò)測(cè)取光桿懸點(diǎn)載荷拉力和懸點(diǎn)相對(duì)于井口的位移，在一個(gè)沖次中，測(cè)取幾十至幾百個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，由一個(gè)完整沖次的載荷和位移數(shù)據(jù)繪制出的封閉坐標(biāo)曲線稱為示功圖。因此，通過(guò)示功圖可以判斷和監(jiān)視抽油機(jī)的生產(chǎn)工況。傳統(tǒng)的示功圖測(cè)試儀需要通過(guò)拉線的方式測(cè)量位移數(shù)據(jù)，且需要人工定期去井口測(cè)試，有測(cè)試時(shí)間周期長(zhǎng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大、無(wú)法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)等缺點(diǎn)。

由于簡(jiǎn)單易行、成本低、功耗低等特點(diǎn)，無(wú)線通訊方式開始被引入到各種工控領(lǐng)域的儀表應(yīng)用中。目前無(wú)線通訊技術(shù)主要有Wi-Fi、Zigbee、RFID、UWB、NFC等幾種，其中RFID、NFC一版用于電子標(biāo)簽場(chǎng)合，Wi-Fi功耗高，不適合于工控領(lǐng)域。Zigbee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議，Zigbee技術(shù)的特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率等，可以嵌入各種設(shè)備，主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域。

在以前研究的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了一種新型的、采用Zigbee無(wú)線技術(shù)和以MSP430 6723為主芯片的載荷、位移一體化示功儀。通過(guò)加速度傳感器和載荷傳感器分別提取光桿的實(shí)時(shí)加速度和實(shí)時(shí)載荷，通過(guò)Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄畧?chǎng)RTU(Remote Terminal Unit遠(yuǎn)程終端單元)控制器。

1 無(wú)線一體化示功儀的硬件設(shè)計(jì)方案

新型一體化示功儀是一種基于MSP430 6723芯片為控制核心的通用產(chǎn)品，包括單片機(jī)模塊、電源模塊、ADC采集模塊、無(wú)線通訊模塊、存儲(chǔ)模塊等模塊（圖1）。各個(gè)模塊對(duì)應(yīng)不同的功能和作用，他們各司其職又互相配合，完成指定的功能（表1）。

1.1 單片機(jī)模塊

本設(shè)計(jì)采用的是TI公司的MSP430F6723芯片。該芯片內(nèi)集成了24的差分AD，可直接使用片內(nèi)的AD模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，有低功耗、高性能、低成本等特點(diǎn)。芯片的工作溫度范圍是-40℃到80℃，是工業(yè)級(jí)的。另外，單片機(jī)計(jì)劃采用模塊化設(shè)計(jì)，利于后續(xù)的升級(jí)。

1.2 電源模塊

一體化示功儀采用2節(jié)7.2V電池供電，由于主芯片MSP430F6723采用3.3V供電，故首先使用TPS62125降壓轉(zhuǎn)換器。TPS62125是一款高效同步降壓轉(zhuǎn)換器，可針對(duì)低和超低功耗提供300mA輸出電流的應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化，并支持3～17V寬輸入電壓范圍，便于后續(xù)擴(kuò)展，最后使用SPX3819將輸出轉(zhuǎn)為MCU所需的3.3V電壓（圖2）。

1.4 ADC模塊

一體化示功儀的核心在于對(duì)光桿位移數(shù)據(jù)和載荷數(shù)據(jù)的采集。故ADC電路設(shè)計(jì)關(guān)系到產(chǎn)品的精度和可靠性。MSP430F6723具有內(nèi)置的24位差分AD模塊，故直接使用MCU片內(nèi)AD，可降低產(chǎn)品成本。同時(shí)在外圍接入MCP6002運(yùn)算放大器，搭建3級(jí)模擬濾波電路，可大大降低采集噪聲。

1.4 Zigbee通訊模塊

本模塊的功能是實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和通訊模塊的通訊，通過(guò)對(duì)通訊模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，單片機(jī)將數(shù)據(jù)處理后回送給通訊模塊。根據(jù)zigbee通訊模塊和單片機(jī)的特點(diǎn)，單片機(jī)的P1.2連接通訊模塊的DOUT，P1.3連接通訊模塊的DIN，P3.1連接通訊模塊的RESET（圖3）。通訊模塊和單片機(jī)的工作電壓都是3.3V，所以可只用單片機(jī)供電，不再增加電壓轉(zhuǎn)換電路。

1.5 存儲(chǔ)模塊

存儲(chǔ)模塊是對(duì)采集的功圖數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，AT45DB161-E是美國(guó)ATMEL公司推出的大容量串行FLASH存儲(chǔ)器芯片，采用NOR技術(shù)制造，有16M的存儲(chǔ)空間。

2 無(wú)線一體化示功儀的軟件設(shè)計(jì)方案

MSP430F6723具有集成的軟件開發(fā)環(huán)境，IAR V5.4版本（該版本有多文件工程管理功能、可視化軟件編程界面、支持多種文件格式、支持軟件模擬仿真等優(yōu)點(diǎn)）。

2.1 主程序流程設(shè)計(jì)

作為儀表產(chǎn)品，一體化示功儀對(duì)任務(wù)的實(shí)時(shí)性要求不高卻對(duì)功耗的要求較高，所以不太適合使用uC-OSIII實(shí)時(shí)內(nèi)核系統(tǒng)，但是主程序也并未采用傳統(tǒng)的循環(huán)方式，而是采用狀態(tài)機(jī)進(jìn)行編程，實(shí)行事件驅(qū)動(dòng)模式。有限狀態(tài)機(jī)思想廣泛用于硬件控制電路的設(shè)計(jì)，同時(shí)也是軟件上一種常用的處理方法，它可以把復(fù)雜的控制邏輯分解成有限個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，同時(shí)在每個(gè)狀態(tài)上判斷事件，把一個(gè)連續(xù)處理的時(shí)間變?yōu)殡x散數(shù)字處理，使其更符合計(jì)算機(jī)的工作特點(diǎn)。

本項(xiàng)目分別分為低功耗狀態(tài)、等待狀態(tài)、喚醒狀態(tài)、采集狀態(tài)、分析狀態(tài)和發(fā)送狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)上電之后，程序開始運(yùn)行，進(jìn)行初始化，主要對(duì)系統(tǒng)的時(shí)鐘、ADC模塊、Flash模塊、通訊模塊等進(jìn)行初始化；對(duì)于系統(tǒng)的時(shí)鐘，主要是選定合適的時(shí)鐘頻率，同時(shí)對(duì)于各種不同情況下的時(shí)鐘源進(jìn)行初始化；ADC模塊進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換模式進(jìn)行初始化，本設(shè)計(jì)采用連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，當(dāng)開始數(shù)據(jù)采集之后，對(duì)于載荷和加速度信號(hào)進(jìn)行一段時(shí)間的連續(xù)采集；Flash模塊主要進(jìn)行模塊校驗(yàn)、壞區(qū)標(biāo)記；通訊模塊進(jìn)行版本信息讀取、復(fù)位操作。

當(dāng)系統(tǒng)初始化完成后，首先進(jìn)入低功耗狀態(tài)，直至到達(dá)示功圖數(shù)據(jù)采集時(shí)間開始進(jìn)入數(shù)據(jù)采集狀態(tài)。經(jīng)過(guò)180s的數(shù)據(jù)采集之后進(jìn)入示功圖算法分析流程，當(dāng)示功圖分析完成之后發(fā)送示功圖數(shù)據(jù)至手操器或者井場(chǎng)RTU等數(shù)據(jù)采集設(shè)備，發(fā)送完成之后再次進(jìn)入低功耗狀態(tài)（圖4）。

2.2 示功圖分析程序設(shè)計(jì)

2.2.1 示功圖概述

基于載荷和角位移所畫出的示功圖為井上示功圖。示功圖展現(xiàn)的是抽油機(jī)在一個(gè)沖次的上下沖程中各位置對(duì)應(yīng)的載荷值，最終要得到的結(jié)果是在大量數(shù)據(jù)中找到一個(gè)周期內(nèi)的位移與載荷值的對(duì)應(yīng)關(guān)系。顯然，首要任務(wù)就是要找到這個(gè)周期，即示功圖分析程序（圖5）。一次完整的示功圖分析過(guò)程包括原始數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)濾波處理、得到正確的示功圖、示功圖保存等多個(gè)環(huán)節(jié)。

2.2.2 功圖數(shù)據(jù)分析

圖6是一組位移和載荷曲線，數(shù)據(jù)來(lái)源海南福山油田某稠油井。其中，位移圖的橫軸為時(shí)間、縱軸為位移值；載荷曲線圖的橫軸為時(shí)間、縱軸為載荷值。

從圖6可以看出，位移、時(shí)間曲線圖為近似的正弦波，而載荷、時(shí)間曲線圖為近似的方波，顯然從正弦波找到周期會(huì)比較容易。經(jīng)過(guò)歸一化處理之后得到位移、載荷曲線圖，即示功圖（圖7）。

2.2.3 示功圖數(shù)據(jù)周期分析

從以上數(shù)據(jù)可以知道，位移原始數(shù)據(jù)一般近似正弦波，故可以通過(guò)尋找兩個(gè)最大值之間的差來(lái)判斷位移的周期：首先將位移數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑濾波，然后通過(guò)尋找一個(gè)參考周期的最大值，然后將指針往后移動(dòng)半個(gè)參考周期，再開始尋找一個(gè)參考周期的最大值，最后將兩個(gè)最大值之間的差即為位移的周期。

得到位移數(shù)據(jù)的周期之后，將對(duì)應(yīng)的位移原始數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)的載荷原始數(shù)據(jù)取出一個(gè)周期，進(jìn)行平滑處理，即可得到一個(gè)完整的示功圖。

1.8 通訊程序設(shè)計(jì)

通訊模塊使用Zigbee通訊模塊，ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議，ZigBee技術(shù)是一種短距離、低功耗的無(wú)線通信技術(shù)。其在工業(yè)中廣泛應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)就是可以自由組網(wǎng)，且不產(chǎn)生運(yùn)營(yíng)費(fèi)用。但由于其使用的是2.4G高頻傳輸，其穿透性及傳輸距離都受到制約，實(shí)際傳輸距離從幾十米到幾百米。由于實(shí)際井場(chǎng)一般擁有數(shù)據(jù)井場(chǎng)RTU來(lái)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的上傳，故示功儀只需傳遞幾百米的井場(chǎng)距離即可。

Zigbee通訊模塊使用串口和單片機(jī)進(jìn)行通訊（圖8）。使用Zigbee通訊模塊可以極大地減輕產(chǎn)品的開發(fā)工作量，勿需具體了解Zigbee協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文提出的無(wú)線一體化示功圖采集方案，有如下特點(diǎn)：1)實(shí)時(shí)性強(qiáng)：能實(shí)時(shí)反應(yīng)抽油機(jī)的示功圖；2)量程范圍廣：沖程1～10m、沖次1～10次；3)采集精度高：位移精度0.01m、載荷精度0.01kN；4)存儲(chǔ)能力強(qiáng)：能保存1000副以上示功圖數(shù)據(jù)；5)功耗低：電池工作1.5年以上。

該設(shè)計(jì)方案不僅解決了之前采集示功圖需要人工現(xiàn)場(chǎng)周期性進(jìn)行采集的弊端，還可實(shí)時(shí)連續(xù)地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，有組網(wǎng)靈活、安裝方便、無(wú)需布線、可多點(diǎn)分布測(cè)量等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于常規(guī)型油梁式抽油機(jī)油井示功圖采集。不僅為井況分析提供了有力保障，同時(shí)也為數(shù)字化油田建設(shè)提供了一種新的解決方案。

[1]陳術(shù)，張學(xué)典，姚晨，張平.新型油田無(wú)線示功儀的研制[J].機(jī)電工程技術(shù)，2012，41（5）：42-46.

[2]檀革勤.一體化無(wú)線示功儀的研制與應(yīng)用[J].中國(guó)石油和化工，2014（1）：62-65.

[3]李鵬程.一種抽油機(jī)無(wú)線示功儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].新疆大學(xué)，2013.

[4]李云飛，吳仲城，吳寶元，申飛，沈春山.用于抽油機(jī)井示功儀的載荷位移一體化智能變送器架[J].儀表技術(shù)與傳感器，2012（2）：15-17，21.