氣井參數檢測系統

何亞平 秦曉明 貴州理工學院 焦作師范高等專科學校

氣井參數檢測系統

何亞平1秦曉明21貴州理工學院 2焦作師范高等專科學校

為了實現數字化、智能化油氣田建設，針對油氣井口參數進行檢測，設計了一種基于FPGA的油氣井參數檢測系統。系統通過采用多種傳感器可以實現氣井參數的檢測，利用FPGA作為主控處理器實現了采集后數據的預處理，并利用無線傳感器網絡技術進行無線數據的傳輸。本系統設計中采用了FPGA，其具有可編程性、設計靈活的特點，豐富的I/O接口可滿足大量傳感器的檢測與控制，可擴展性強。ZigBee網絡技術的應用，使得整個系統具有分布性廣的特點，適合于油氣田系統應用。

氣井參數；多傳感器；FPGA；無線傳感器網絡技術

數字化油氣田建設在現代油氣田管理中具有重要的現實意義，開展數字化、智能化油氣田監測與管理，一方面降低了人力資源的耗費，另一方面提高了油氣田開采的效率。

為了實現數字化、智能化油氣田建設，針對油氣井口參數進行檢測，設計了一種基于FPGA（現場可編程邏輯陣列）的油氣井參數檢測系統。

1 總體設計

目前氣井參數檢測系統主要可以實現油溫、油壓、位移、溫度、濕度等參數的檢測[1]。分別采用不同種類的傳感器實現非電量到電量的轉換，采用信號調理電路調整電量信號滿足后端ADC輸入信號的要求，利用ADC實現模擬量到數字量的轉換，并將數字量送到FPGA中實現預處理。FPGA控制無線數據傳輸模塊實現氣井參數的無線傳輸，上報到數據終端。氣井參數檢測系統具體結構設計如圖1所示。

氣井參數檢測系統主要包括多路傳感器電路、信號調理電路、ADC電路、FPGA電路、電源電路以及無線數據傳輸電路。

圖1 氣井參數檢測系統結構設計

2 硬件電路設計

2.1 多傳感器電路設計

（1）溫濕度傳感器電路。溫濕度傳感器電路采用了溫濕度一體傳感器SHT11，該傳感器是瑞士Sensirion公司生產的一款將溫濕度檢測、信號變換、A/D轉換等功能集成到一體的芯片。利用溫度敏感元件、濕度敏感元件將溫度和濕度轉換成電信號后進行微弱信號的放大，然后利用14位的A/D轉換器實現模數轉換[2]。其輸出接口采用二線串行數字接口輸出數字信號。

（2）位移傳感器電路。本設計中位移傳感器電路采用了美國生產的MEMS微機電加速度傳感器芯片，該芯片可將被測物的振動加速度轉換為各種標準電氣信號，可用于軍用、民用等多個行業[3]。

（3）油壓力傳感器電路。油壓力傳感器采用的是PTC301壓力傳感器/變送器，該傳感器采用了德國進口彈性體原件以及先進的高精度應變設計，具有靈敏度高和穩定性好的特點，可廣泛應用于工業設備、車輛制動、化工、醫療、供水等壓力測量與控制[4]。

2.2 信號調理電路

信號調理電路采用了TI公司的儀用放大器INA114實現微弱信號的放大。INA114是一種通用儀用放大器，該儀器的芯片只需一個外部電阻就可以設置1～10 000之間的任意增益值，INA114采用8引腳塑料封裝或SOL—16表面封裝貼件，具有尺寸小、精度高等特點，適用于在各類數據采集、醫療儀器中使用。

2.3 FPGA及其外圍電路

FPGA控制器選擇了Altera公司芯片EP2C8Q208C8，該芯片是CycloneⅡ芯片系列中的一款，具有可擴展性強、高性能、低成本、低功耗等優點。EP2C8Q208C8芯片內部具有18個18Bit× 18Bit的嵌入式乘法器、兩個PLL模塊、8 256個邏輯單元（LE），具有182個可以供用戶使用的I/O口、36個M4K RAM塊，可基本滿足系統的需求[5]。

2.4 電源電路

系統電源電路設計的輸入電壓+5 V，通過DC插座引入。由于FPGA的供電電壓采用了+3.3 V和+ 1.2 V兩種，因此需要電源模塊實現電壓轉換。電源濾波采用了鉭電容，可有效地濾除引入電源的尖峰脈沖。其中LT1764AEQ實現+5 V到+3.3 V的電壓轉換，AMS1117—ADJ實現+5 V到+1.2 V的電壓轉換。

2.5 無線數據傳輸電路

系統無線數據傳輸電路采用了ZigBee網絡無線射頻收發器，該收發器可以實現無線數據傳輸，其芯片型號為CC2420。CC2420芯片是CHIPCON公司在2003年底推出的一款兼容2.4 GHz IEEE802.15.4的無線收發芯片。傳輸距離最大200 m，碼片速率達2 Mchip/s，數據速率達250 kbps[6]。該芯片通過FPGA實現對其配置，其與FPGA接口采用SPI接口方式。

3 結論

采用了傳感器技術、FPGA技術以及無線數據傳輸技術，設計了一種基于FPGA的氣井參數檢測系統。該系統通過采用多種傳感器可以實現氣井參數的檢測，利用FPGA作為主控處理器實現了采集后數據的預處理，并利用無線傳感器網絡技術進行了無線數據的傳輸。本系統設計中采用了FPGA，其具有可編程性、設計靈活的特點，豐富的I/O接口可滿足大量傳感器的檢測與控制，可擴展性強。ZigBee網絡技術的應用，使得整個系統具有分布性廣的特點，適合于油氣田系統應用。因此，該系統的設計在推廣數字化、智能化油氣田建設方面具有一定的參考價值及應用價值。

[1]萬志平，金永敏，楊亦紅．基于ZigBee的無線數據釆集系統的設計[J]．信息技術，2009（9）：22-55.

[2]王金旗，孟金煥，紀常杰．智能井系統——發展現狀與趨勢[J]．國外油田工程，2004，20（2）：37-39．

[3]孫善超．無線傳感器網絡在油氣井遠程監測系統中的應用[J]．貴州大學學報：自然科學版，2008，25（2）161-164.

[4]竇洪恩．當今世界上最新的石油技術[J]．石油礦場機械，2003，32（2）：1-4．

[5]張蕓薇．基于ZigBee無線傳感網數據采集的設計與實現[D]．大連：大連理工大學，2007.

[6]林少鋒，何一．基于CC2420的ZigBee無線網絡節點設計[J]．電子設計工程，2009，17（3）：66-68.

（欄目主持 關梅君）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.1.034