基于單片機的井場儀表參數無線傳輸系統設計

摘 要：應用STC單片機和無線通信模塊FC211設計開發了鉆井井場儀表數據無線傳輸系統。本系統可以采集直流4~20 mA模擬量、直流1~5 V模擬量、開關量、脈沖，并可以輸出開關控制量對井場電機等進行無線控制。系統具體分為主機和從機兩部分，從機主要負責將分布在現場的儀表采集的數據無線發送至控制室內的主機，主機再把數據傳到計算機內進行處理和顯示。經過實際現場運行檢驗效果是令人滿意的。

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關鍵詞：井場;儀表數據;無線傳輸;通信協議

中圖分類號：TN925文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2008)07-071-02

Design of Wireless Transmission System for Parameters of Instruments

in Well Site Based on Single Chip

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GUAN Xuezhong，GUO Xiaoyong，ZHANG Hong，LIU Chuanjia，SUN Shengyong，ZHAO Liyin

(Daqing Petroleum Institute，Daqing，163318，China)

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Abstract：The wireless transmission system for parameters of instruments in well site is developed by the use of STC single chip and wireless communication module FC211.This system can collect DC 4~20mA analog signals，DC 1~5V analog signals，binary signals，impulse signals，and it can also output binary signals to realize wireless control for motors in well site.The slave machine send data collected by the instruments distributed in well site to the master machine which is in the control room by the way of wireless transmission.Then the master machine transmit the data to the computer where the data is processed and displayed.The applied situation indicate that the running results of the system are good.

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Keywords：well site;parameters of instruments;wireless transmission;communication protocol

1 引 言

目前，全國油田鉆井現場基本都是有線數據傳輸。有線傳輸有很多缺點，現場布線復雜而且存在安全隱患，鉆井是流動作業，每鉆一口井就要重新布一次線，這樣既費時又費力，有時還會由于布線走向的問題導致線路被碰斷。一般說來，數據線都是空中架設，風吹日曬使數據線老化的較快，這樣就帶來直接的經濟損失。鉆井現場有很多公司在作業，有些參數各公司是共用的，同一個參數每個公司都要讀取一次，就需要在同一個測量點上安裝兩臺甚至更多的變送器，這樣既造成了浪費又使得現場變送器安裝位置緊張。

本系統采用無線通信技術，一點發射多點接收，可以實現信息共享，避免了布線的麻煩，而且流動作業時可以方便地安裝和拆卸，很好地提高了工作效率。

2 系統硬件設計

如圖1所示，本系統主要分為控制室主機和現場從機，且所有元件均選用符合工業級要求的產品，大大提高了系統的可靠性、耐高溫性和抗震性。

2.1 控制室主機

控制室主機分為控制主機和旁聽主機，這是因為鉆井現場有多個單位共同作業，都需要現場的數據。對于只需要現場數據的單位可安裝旁聽主機，只接收現場的各種數據；對于同時需要對現場電機進行控制的單位可安裝控制主機。工作原理如圖1所示。

主機由計算機、單片機和無線通信模塊FC211等部分組成。主要功能是：訪問分布在現場各種儀表處的從機，采集他們的各項數據，并向從機發送控制命令控制電機的啟/停。

2.2 現場從機

現場從機由單片機部分、電源供電部分、數據采集部分、無線通信部分組成。本系統無線通信部分采用FC211無線通信模塊。該模塊數據接口為全雙工串行接口，無線傳輸距離為800 m(空曠地)，完全滿足現場使用條件，而且此模塊性能穩定，使得整個系統在多機通信時能夠穩定運行，實現了對現場數據的準確管理。

3 系統軟件設計

如圖2所示，該系統的工作原理是：現場從機分布在鉆井現場的各個位置，將附近的儀表數據采集到單片機內的存儲單元，等待控制室主機查詢。控制室主機以點名的方式查詢現場從機，將數據采集到主機內，并送到上位機進行處理。當控制室主機查詢從機時，分布在現場的各個單位的旁聽主機也會收到現場從機的數據，這樣就實現了現場數據的實時更新。當控制室需要對現場電機控制時，就可以向控制電機的從機發控制命令，從機接到命令將電機開啟或停止，并將所檢測的電機狀態發回主機。

通信協議設計如下：

現場每個從機都有一個固定的8位地址(通過撥碼開關設定)，所以整個網絡能容納256個從機?，F場從機一直處于偵聽狀態，等待主機點名。點名命令是一個4 B的命令包，分為兩種，查詢命令和控制命令，格式如下:

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命令包頭：一個命令包的開始，并說明是哪種命令。0xAA：查詢命令；0xBB：控制命令。

從機地址：被點名的從機地址，地址范圍是0~255。

命令數據：當為控制命令時，該字節的后四位表示4路開關量的狀態。

命令包尾：數據包的結束標志，也是從機判斷命令是否正確接收的標志。

當從機收到點名命令時，首先判斷命令包中的從機地址與自己的地址是否相符，如果不是則等待下一次點名，如果是再判斷是哪種命令。如果是查詢命令則首先將自己地址發送給主機作為點名確認信息，隨后再將數據包發送出去，數據包為一個13 B數據包，具體格式如下：

字節1：從機地址；

字節2：主機用來判斷是否是更新數據的標志字節，此字節為1；

字節3：開關量輸入輸出，高4位為開關量輸入，低4位為開關量輸出；

字節4：脈沖計數；

字節5 ~字節12：4路十位A/D轉換數據；

字節13：數據包結束字節。

如果是控制命令則首先返回自己的地址作為點名確認信息，主機收到后，將發送5次命令數據，從機收到后，將這5次收到的數據與開始收到的控制命令里的命令數據比較，如果一致則將命令輸出到I/O口，控制繼電器，0.5 s后再采集一次數據，將開關量數據傳回到主機來顯示電機的工作狀態，這樣就完成控制室主機控制現場電機的過程。

當控制室主機訪問現場從機時，那些旁聽主機也收到了現場傳來的數據，從而不斷更新數據。

4 結 語

目前此系統已經應用到鉆井現場。經過實踐，本系統運行穩定，實時性能良好，可以滿足現場的要求。而且本系統采用的無線通信模塊是基于FSK的調制方式，采用高效信道編碼技術，具有抗突發干擾和隨機干擾的能力。

參 考 文 獻

［1］于海斌，曾鵬.智能無線傳感器網絡系統［M］.北京：科學出版社，2006.

［2］孫利民，李建中，陳渝，等.無線傳感器網絡［M］.北京：清華大學出版社，2005.

［3］張培仁.基于C語言編程MCS-51單片機原理與應用［M］.北京：清華大學出版社，2002.

［4］張毅剛，彭喜元，姜守達，等.新編MCS-51單片機應用設計［M］.哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2003.

［5］蔡美琴，張為民，沈新群，等.MCS-51系列單片機系統及其應用［M］.北京：高等教育出版社，1992.

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作者簡介 關學忠 男，教授。主要研究方向為無線傳感器網絡。