便攜式壓力采集系統(tǒng)的數據通信

王 捷 艾 紅

(1.北方工業(yè)大學機電工程學院，北京 100144；2.北京信息科技大學自動化學院，北京 100192)

壓力測井是采油過程中的一個重要環(huán)節(jié)，壓力數據的正確采集與獲取關系到油井的工況，通過對壓力數據的采集與分析可以對油井采取維護措施，提高采油效率。便攜式壓力采集系統(tǒng)是由壓力傳感器、微處理器和外圍電路構成的，測井時可以通過測量與記錄壓力數據，經分析后評估油井工作狀態(tài)并給出維護方法。電子壓力計已逐步取代機械壓力計成為井下壓力采集的主流[1]，尋求一種適用于油田的壓力采集系統(tǒng)具有實際應用價值。在此，筆者給出一種便攜式壓力采集系統(tǒng)及其數據通信方案的設計過程。

1 系統(tǒng)構成①

采油過程中壓力測井用便攜式壓力采集系統(tǒng)的構成如圖1所示，包括信號處理與放大、數據存儲、鍵盤與液晶顯示操作接口。采用電池供電，軟開機控制。高效率的開關式電源轉換模式。壓力信號采用應變式不平衡電橋測量，信號放大采用AD620差分放大器，將采集到壓力傳感器的模擬信號放大，通過調節(jié)與其連接的電位器阻值確定放大倍數。采集中需要設置開始時間、采樣間隔和結束時間。系統(tǒng)用到的芯片還有MAX813、MAX735及LM2574-5.0等。

圖1 便攜式壓力采集系統(tǒng)構成示意圖

2 數據通信方案選擇

由于測量地點大多在野外現(xiàn)場，不方便攜帶數據處理的主計算機，當數據采集完畢之后需要將便攜式設備帶到數據處理中心進行數據上傳、匯總與分析。可以考慮選用兩種方案：無線傳輸和人工帶回數據。無線傳輸受條件限制，在有些

地方網絡覆蓋和服務不是很好，無線信號無法使用。由于設計的便攜式壓力采集系統(tǒng)對實時性要求不是很高，采集周期一般2～3天，因此將采集的壓力數據存儲起來，由人工帶回數據處理場所，優(yōu)點是不用無線傳輸模塊，可以節(jié)省高昂的數據傳輸成本；受無線電干擾的可能性降低。

3 壓力數據的采集與存儲

3.1 數據采集

壓力傳感器是將壓力轉換成電信號的器件，采用的壓力傳感器主要技術參數，量程0～20MPa、過載壓力150%、供電電壓5V、零點輸出-0.18mV、滿量程輸出16.2mV、線性0.12%、遲滯和重復性0.2%、輸入阻抗13.35kΩ、輸出阻抗12.55kΩ。選用此傳感器的優(yōu)勢：傳感器的量程和精度符合工藝要求；供電5V容易提供；信號輸出為差動信號，抗干擾能力強；器件的外形尺寸和安裝方法符合工藝要求；選用AD620將壓力傳感器輸出信號進行放大，根據工藝要求壓力采集的時間間隔大于1s，數據采集采用A/D轉換芯片TLC2543，TLC2543具有11路模擬輸入信號，是逐次逼近式A/D轉換器，具有12位分辨率的高精度，最大±1LSB的線性誤差及低噪聲等優(yōu)點。

3.2 存儲器接口硬件

數據存儲器接口電路如圖2所示，存儲器芯片AT24C1024的容量是128KByte，需要17位地址線。寫操作有字節(jié)寫和頁寫兩種方式，字節(jié)寫和頁寫均需向AT24C1024發(fā)送設備地址字節(jié)，在設備地址字節(jié)中包含P0、A1和R/W選擇，其中A1位為片選地址，即I2C總線上最多可并聯(lián)兩個串行EEPROM芯片；P0為存儲器頁地址，加上后面的兩個字節(jié)組成存儲器物理地址；R/W為讀寫控制位，“0”為寫操作，“1”為讀操作。值得注意的是，對存儲器操作時，每讀/寫一個字節(jié)，單片機必須送一個應答位ACK，釋放一下SDA數據線，以便存儲器能繼續(xù)接收數據。在讀取結束后要發(fā)送一個負的應答信號NACK。

圖2 數據存儲電路

設計串行E2PROM存儲器AT24C1024寫程序時的地址有3個：addr_p是頁地址，addr_hi是高位地址，addr_lo是低位地址。AT24C1024有頁寫入功能，在頁寫入時AT24C1024會自動增加低位地址順序寫入數據，一頁256Byte；然而當數據寫到AT24C1024的頁尾時，如果繼續(xù)寫入存儲器不會自動增加高位地址addr_hi，而是覆蓋頁首地址位置上的數據。如果不對存儲地址做出調整，AT24C1024的存儲空間不會連續(xù)而且會造成存儲上的錯誤，因此必須進行地址調整得到連續(xù)的存儲空間。地址調整步驟：先判斷在本頁內存儲器是否有足夠的空間寫入，如果有則直接進行寫入；否則將要寫入的數據前半部分寫入本頁的剩余空間，其余部分寫入高位地址增加后的存儲空間，這樣就可以使分頁寫入的存儲器空間變成一個全部連續(xù)的存儲器空間了。

4 數據通信程序

4.1 通信協(xié)議與功能

便攜式壓力采集系統(tǒng)的數據通信程序需要實現(xiàn)的主要功能包括：下位機發(fā)送采集的壓力值給上位機，或者是由上位機發(fā)送系統(tǒng)時間給下位機(表1)。進入串口中斷服務程序后，要判斷檢測字符是“RR”(即下位機發(fā)送數據標志符)還是“TT”(即下位機接收系統(tǒng)時間標識符)。在實現(xiàn)通信程序設計中，要使上位機和下位機的波特率和傳輸數據格式一致。在數據通信時上位機和下位機的初始化波特率為9 600b/s、8位數據位和1位停止位。

表1 上位機發(fā)送命令與下位機功能

下位機發(fā)送數據標志符RR是上傳命令字。便攜式壓力采集系統(tǒng)收到此命令字時，將壓力數據上傳給計算機。下位機系統(tǒng)會從AT24C1024 EEPROM存儲器中將全部數據轉換成ASCII碼后通過串口上傳到上位機。將壓力數據的BCD碼數據轉換為兩個ASCII碼數據上傳，直到上傳完地址00000 H到存儲器中地址指針所指的數據，包含最后的0B和0E結束標志，液晶顯示畫面此時顯示“數據上傳中…”。CC是清除內存命令字，此命令把E2PROM數據指針調整回00000H，并寫入結束標志0B 0E到地址00000H和00001H中，內存清除后液晶顯示“內存清除完畢”。

下位機系統(tǒng)在收到TT命令后進行對時操作，將TT后面的時間數據轉換成BCD碼數據寫入便攜式壓力采集系統(tǒng)的時鐘存放單元，并在液晶顯示器上顯示當前時間。5s后返回停止狀態(tài)。

4.2 上位機對上傳數據的處理

上位機程序設計功能中有判斷數據是否傳送完畢的功能。當數據傳輸時每經過一段時間查詢上傳到數據緩沖區(qū)的字符數是否有增加，若有增加說明仍有數據在傳輸，需要繼續(xù)等待。當數據緩沖區(qū)內的字符數沒有增加了，說明已經完成上傳數據，并彈出對話框顯示“數據上傳完畢”。

4.3 上位機發(fā)送系統(tǒng)時間

上位機為下位機發(fā)送系統(tǒng)時間。利用VB中的now函數返回系統(tǒng)當前的時間，利用format函數格式化這個日期和時間值。組成相應的字符串即系統(tǒng)時間，激活MSComm控件，將系統(tǒng)時間發(fā)送到下位機。發(fā)送系統(tǒng)時間的部分程序代碼如下：

Private Sub Command12_Click()

Dim mystr1,mystr2,mystr3,mystr4,mystr5,mystr6,mystr7 As String

mystr3=Format(Month(Now),"00")′系統(tǒng)時間的月份

mystr4=Format(Day(Now),"00")′日

mystr5=Format(Hour(Now),"00")′小時

mystr6=Format(Minute(Now),"00")′分鐘

mystr7=Format(Second(Now),"00")′秒

mystr1=right(year(Now),2)′年份

Comm1.Output=Trim("TT"&mystr1&mystr3&mystr4&mystr5&mystr6&mystr7)′組合成通信協(xié)議形式發(fā)送

End Sub

5 上位機接收數據的處理方法

上位機對上傳的壓力數據及采樣間隔時間等數據要進行處理。根據通信協(xié)議，每個數據包都是按照協(xié)議的格式上傳到上位機的，這個數據包是一個若干長度的字符串，包含井號、采樣間隔時間、采集壓力的最初時間和若干個壓力數據。要運用字符串處理的一些函數來分割、截取數據包讓這些數據段找到各自的相應屬性，步驟如下：

a. 判斷數據包的整個長度，若長度不夠說明這個數據包是錯誤的，則退出數據處理的程序。

b. 分割字符串。接收到一個正確的字符串要將它分割并截取，再確定字頭的位置。利用num1=InStr(n2,buf,"B")函數找到字頭位置為這個字符串的第一位，字頭后的四位為井號，截取后再放到儲存井號的寄存器t0里。用類似方法把每個數據段分別存儲好。

c. 加工。分割好的字符數據并不帶有任何意義，利用對時間函數的操作將最初采樣時間的數據段合成為一個返回值作為時間屬性的數據，year=t4&","&t5&","&t6 mytime=DateValue(year)取得年月日，b=t7×3600+t8×60+t9取得時分秒。同樣把采樣間隔時間換算成秒，c=t1×3600+t2×60+t3′間隔時間。

d. 存儲數據。當字符串處理到第24位時，井號、采樣間隔時間和采樣最初時間都已處理完畢，下面的字符都是每四位一個的壓力數據了，那么判斷字尾的“B”找到它的位置，只要計算好有多少個壓力值就可以用for語句循環(huán)多少次，把所有的壓力數據和它的采樣時間一一對應，并保存到相應的寄存器里，以便在報表、數據庫和曲線繪制的應用中提取這些數據。VB可以定義一個很大的數組來存儲壓力數據。

e. 循環(huán)判斷。協(xié)議規(guī)定每個數據包都以B為字頭，一個字符串中可以有若干個數據包，那么就有很多個B作為字頭，而且也作為上一個數據包的結尾。取數據包最后一位，設為N，取整個字符串最后一位E的位數是M。判斷N+1和M的大小，如果相等那么說明已經處理完所有得數據包；若N+1

6 結束語

便攜式壓力采集系統(tǒng)為了提高電池性能，可以使用采樣和休眠兩種工作方式，采樣時處于全速工作狀態(tài)，其余時間處于休眠節(jié)電狀態(tài)。存儲系統(tǒng)采用128KByte的E2PROM芯片，最大存儲的測量壓力數據約為60KByte。當采樣間隔為10s時，對應采樣時間可長達約166h。系統(tǒng)利用VB語言編程，建立了人機交互界面，通過管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了技術人員對采集數據的分析與處理。通過分析壓力數據為油井維護方案提供了依據和針對性措施。