基于嵌入式處理器STM32的抽油機井實時監控系統設計

楊 京，梁華慶，曹旭東，艾毅然，孫云龍

（中國石油大學（北京）地球物理與信息工程學院，北京102249）

抽油機井大多都分布在地理位置偏遠、環境惡劣的地區，給工作人員對抽油機井的管理與維護工作造成困難。隨著信息技術在石油工業領域的大量應用，抽油機井的實時監控系統大大改善了這一現狀。采用低成本、高性能、低功耗的微控制器以及無線傳感技術來研制抽油機井實時監控系統，可以使系統具有更佳的性能。該系統能夠讓原油的開采更加便捷安全和穩定高效。本系統能夠實時地反應抽油機井的工作狀況，及時發現并解決抽油機井在工作中出現的故障。采用該系統，可以有效提高設備的可靠性、減輕工作人員的工作量、降低采油成本，極大地提高了生產效率。

1 總體方案設計

系統總體結構如圖1所示，由6部分組成：現場傳感器（壓力傳感器、溫度傳感器等）、傳感器信號采集板、互感器模塊、電量參數采集板、示功圖采集模塊、ZigBee通信模塊和上位機。

圖1 系統總體結構圖Fig.1 The overall block diagram of the system

油壓、油溫、示功圖以及電機的電力參數是抽油機井工作的重要參數，是抽油機井工況判斷的依據。現場傳感器將油溫、油壓等物理量轉換成4～20 mA的電流信號后，輸出給傳感器信號采集板。示功圖采集模塊內部有加速度傳感器和負荷傳感器，采集的數據通過ZigBee無線方式，發送到傳感器信號采集板。信號采集板通過繼電器來控制抽油機啟停。三相電壓電流經過電壓互感器模塊后，由電量采集模塊來采集。上位機使用Modbus通信協議，采用RS485總線與電量采集板和傳感器信號采集板進行通信，以獲取采集的數據和發送控制命令。Modbus是工業控制系統通信中最普遍的協議，它具有兼容性好，可靠性高等優勢[1]。上位機軟件能夠顯示電量參數、各個傳感器的數據以及示功圖；更改采集參數和控制抽油機的啟停。

2 系統硬件設計

2.1 主控芯片選型

主控芯片選擇嵌入式處理器STM32F103RC，這是一款Cortex M3內核的 32位單片機，有 48KB SRAM、256KB FLASH，片上集成 6個定時器、3個 12位 ADC、3個 SPI、2個IIC、5個串口等豐富的外設，主頻最快可以達到72 MHz。相比于其他的單片機，STM32系列具有更強大的運算處理能力，更快的速度，使用起來更加靈活方便[2]。

2.2 傳感器信號采集板

圖2為傳感器信號采集板框圖，由電源電路、信號調理電路、STM32及其外圍電路、繼電器及其驅動電路、RS485以及RS232通信接口電路組成。

圖2 傳感器信號采集板框圖Fig.2 Block diagram of the sensor signal acquisition board

由于現場的環境惡劣，在傳感器調理電路前端增加了起限流保護作用的保險絲，以及起靜電保護作用的TVS管。采樣電阻將傳感器輸出的4～20 mA的標準電流信號轉換成STM32內部AD可以采集的電壓信號。

開關信號的調理電路與電流信號調理電路相似，采用光耦隔離進行電壓隔離保護，同時將外部開關信號的電壓轉換為芯片內部可以測量的電壓。

圖3為STM32電路原理圖，包括：復位電路、供電電路、啟動模式選擇電路、濾波電容等。 PA4（20）、PA5（21）為引腳為內部 ADC 的輸入通道。 PC10（51）、PC11（52）引腳為內部USART4的輸入輸出通道，用來實現RS485通信。PC12（53）、PD2（54）引腳為內部USART5的輸入輸出通道，用來實現與ZigBee通信模塊之間的RS232通信。PC14(3)、PC15(4)引腳用來輸出開關信號。

圖3 STM32F103RC電路原理圖Fig.3 STM32F103RCcircuit schematics

采用繼電器來控制抽油機啟停，其驅動電路如圖4所示。STM32的IO引腳與PNP型三極管的集電極相連。以增加STM32的電流驅動能力。

2.3 三相電壓電流轉換板

電壓電流轉換板由電壓互感器與電流采樣電路組成。電流采樣電路通過一個采樣電阻將電流信號轉換為電壓信號。互感器能夠起到降壓以及隔離保護的作用。電機的交流電信號通過它的初級輸入，進行電壓變換后，由次級輸出芯片能夠測量的電壓。電流則通過采樣電阻轉換成電壓信號。

2.4 電量參數采集板

電量采集板同樣采用STM32作為主控芯片，使用CS5463專用電量測量芯片分別測量三相的電量參數，使用RS485通信接口與上位機通信。其結構框圖如圖5所示。

CS5463是美國CirrusLogic公司新近推出的單相雙向功率/電能計量集成電路芯片。可以測量瞬時的電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率和功率因數等[3]。其電路原理圖如圖6所示。

圖4 繼電器及其驅動電路原理圖Fig.4 Relay and its drive circuit schematics

圖5 電量采集板方框圖Fig.5 Block diagram of power parameter acquisition board

圖6 CS5463及其外圍電路原理圖Fig.6 CS5463 and its peripheral circuit schematics

電量參數采集板上配備了三塊CS5463，分別來采集三相電壓電流。通過SPI方式與STM32通信，一個CS5463內部包含有兩個ADC，分別采集電壓與電流。

2.5 ZigBee通信模塊

ZigBee通信模塊由CC2430及其外圍電路、RS232通信接口電路、收發天線組成。該模塊由兩節5 V電池供電。具有小巧靈活等特點。CC2430是一款TI公司生產的SOC芯片，CC2430芯片內部包含了一個DSSS無線射頻前端，用于發送和接收無線射頻信號[4]。為了更加方便的實現Z-Stack協議棧[5]，在片內集成了一個8位的8051內核。

圖7 ZigBee通信模塊Fig.7 Block diagram of ZigBee communication module

2.6 示功圖采集模塊

示功圖采集模塊采用電池供電，安裝在抽油機連接桿上。內部包含一個加速度傳感器和一個負荷傳感器，將加速度信號進行二次積分得到位移，負荷傳感器的信號即為載荷，定時將測得的數據通過ZigBee方式發送出去。

3 系統軟件設計

3.1 傳感器信號采集板程序設計

傳感器信號采集板上STM32內部的程序分為初始化、信號的采集、ZigBee模塊的數據接收、Modbus數據幀的接收與發送等步驟。程序流程圖如圖8所示。

圖8 主程序流程圖Fig.8 The main program flow chart

在系統上電后，首先執行系統的初始化，包括系統時鐘的配置；中斷向量配置；ADC、USART、TIMER、GPIO 等外設的工作模式選擇，工作參數配置；外設的使能。

主程序是一個循環體，在循環體中，首先通過判斷串口4接收標志位是否置位，如果置位了說明接收到ZigBee模塊發送來的數據；然后將這些數據存儲在特定的寄存器中；之后判斷定時器中斷標志位是否到達，一旦到達，則啟動ADC，進行數據采集，數據處理，數據存儲等操作；最后判斷串口5的接收標志位是否置位，如果置位說明接收到了Modbus的協議幀，需要解包數據幀，響應操作，進行數據讀取，參數更改，啟停控制等操作。

3.2 電量參數采集板程序設計

類似的，電量參數采集板程序的系統初始化包括系統時鐘的配置； 中斷向量配置；TIMER、SPI、USART、GPIO 等外設的工作模式選擇；以及外設的使能。

首先通過SPI接口分別向3個CS5463發送初始化以及配置的命令字；其次啟動定時器、SPI、USART等外設；之后不斷查詢定時器標志位是否置位，如果定時到達，則通過SPI接口從CS5463中讀取電壓、電流、功率、功率因數等數據；最后判斷串口接收標志位是否置位，如果置位說明接收到了Modbus的協議幀，需要將數據打包成Modbus數據幀，將數據幀發送給上位機。

3.3 ZigBee通信模塊程序設計

ZigBee通信模塊的程序在TI的Z-Stack協議棧的程序框架下開發。Z-Stack協議棧是在OSAL操作系統下的一組函數包，通過Z-Stack可以很方便的進行ZigBee通信有關的程序編寫。

1)發送數據

在ZigBee協議棧中進行數據發送可以調用AF_DataRequest函數實現，該函數會調用協議棧里面的底層函數來打開發射機，調整發射機的發送功率等函數。最終將數據通過天線發送出去。

2)接收數據

當ZigBee模塊接收到ZigBee的數據幀后，OSAL將該數據幀中的數據封裝，然后放入操作系統的消息隊列中，每個消息都有自己的編號，即消息ID號，有新數據被接收到的消息ID號為AF_INCOMING_MSG_CMD（0x1A）。

首先使用osal_msg_receive()函數從消息隊列中接收一個消息，然后通過switch-case語句進行選擇（判斷消息ID），如果消息ID是AF_INCOMING_MSG_CMD，則進行相應的數據處理。

3)串口發送函數

CC2430的串口收發需要用到以下3個函數，這3個函數也是Z-Stack所提供的。

uint8 HalUARTOpen(uint8 port,halUARTCfg_t*config);//串口打開初始化

uint16 HalUARTRead(uint8 port,uint8*buf,uint16 len);//讀串口

uint16 HalUARTWrite(uint8 port,uint8*buf,uint16 len);//寫串口

使用HalUARTOpen()函數對串口進行初始化，該函數使用halUARTCfg_t結構體指針作為參數，在使用CC2430的串口時，需要定義一個halUARTCfg_t結構體來初始化CC2430的串口。

uartConfig.Configured = TRUE;

uartConfig.baudRate = HAL_UART_BR_115200;

uartConfig.callBackFunc= Mgr_ProcessZAppData;

在CC2430接收到數據之后，調用HalUARTWrite()函數發送數據，通過串口發送給STM32。

3.4 上位機軟件程序設計

在VC++2010環境下，使用微軟的功能庫MFC編寫上位機軟件。由于PC機沒有RS485的接口，需要通過一個RS485到RS232的轉接模塊將RS485的信號轉換成RS232的信號。利用MFC中的MSComm控件進行RS232串口的通信[6]。

在主窗口類CWorkDlg定義CString成員對象，用于顯示實時的壓力、溫度、三相電流電壓；定義繼承于CWnd類的子類，display類，用于顯示示功圖。在其OnPaint函數中添加坐標以及曲線的繪制代碼。

圖9 上位機界面Fig.9 Data display of PC

圖9為上位機界面。點擊菜單欄上的參數設置菜單，會彈出參數設置對話框。用戶可以在參數設置對話框上更改監控參數。監控的參數包括報警上限、報警下限以及采集間隔。當抽油機井的任意一項參數超出正常范圍后，都可以彈出報警提示，提示操作員對此進行處理。同時，操作員可以點擊停止按鈕，讓抽油機井急停。

4 結論

本文設計的監控系統采用低功耗、高性能、低成本的嵌入式處理器STM32作為主控芯片。可以實時準確地反映抽油機井的生產狀況，在出現故障時能夠及時進行抽油機井的啟停控制。與傳統的人工巡視監控相比，采用基于微控制器的油井實時監控系統，可降低工人勞動強度，減少用工總量，提高總體勞動效率；且可靠性高，可保證油氣生產安全、提高油田科學化管理水平和整體開發效益。

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