1 設計背景

在石油開(kāi)采的過(guò)程中，通常會(huì )根據井口的油壓和套管壓力的變化對油井的生產(chǎn)進(jìn)行分析，所以對井口壓力的測量必須做到及時(shí)準確。油田的生產(chǎn)環(huán)境較為惡劣，對儀器的測量要求也比較苛刻，一般需要在﹣30~﹢50 ℃，0~10 Mpa的條件下進(jìn)行準確測量。

 

壓力變送器是一種用來(lái)測量壓力參數的儀表，目前市面上很多壓力變送器都采用有線(xiàn)的方式進(jìn)行測量數據的傳輸，電源也采用的是集中式供電，非常不利于設備的安裝和維護，給油井的日常生產(chǎn)管理造成了極大的不便。因此，系統的通信模式必須換成無(wú)線(xiàn)通信的形式，供電方式也必須換成鋰電池供電的形式。同時(shí)為了提高電池的使用時(shí)間，整個(gè)系統就必須做到低功耗，所以無(wú)論從芯片和供電電池的選擇，還是電路以及程序的設計，都需要進(jìn)行綜合考慮。本文采用的是MSP430處理器，研究并設計了一種無(wú)線(xiàn)低功耗壓力變送器，從而實(shí)現了井口壓力參數的準確快速測量。

 

2 系統設計

本系統用Altium Designer作為平臺，設計出基于MSP430單片機的無(wú)線(xiàn)壓力變送器的原理圖，參照原理圖繪制壓力變送器的PCB電路板并進(jìn)行元件的焊接，#后用IAR Embedded Workbench IDE調試平臺編寫(xiě)程序，下載進(jìn)MSP430單片機進(jìn)行調試。#終能在LCD顯示屏上顯示壓力等參數，并可以通過(guò)ZigBee模塊將數據以無(wú)線(xiàn)的方式發(fā)送出去。

 

總體設計應該是全面考慮系統的總體目標，進(jìn)行硬件初步選型，然后確定一個(gè)系統的草案，同時(shí)考慮軟硬件實(shí)現的可行性 [1-2] �？傮w方案經(jīng)過(guò)反復推敲，確定了以美國德州公司（Texas Instrument）推出的MSP430F161超低功耗單片機為數字壓力表的核心，并選擇低功耗和低成本的存儲器、放大器、液晶顯示器等元件，所以可將系統總體結構分為壓力采集模塊、無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊、MSP430單片機、LCD液晶顯示器、脈沖輸入模塊、JTAG調試接口，其總體框架如圖1所示。

壓力變送器是一種接受壓力變量，經(jīng)傳感轉換后，將壓力變化量按一定比例轉換為標準輸出信號的儀表。變送器的輸出信號傳輸到中控室進(jìn)行壓力指示、記錄或控制。無(wú)線(xiàn)壓力變送器的傳感元件采用的是擴散硅力敏器件，敏感芯片利用集成電路工藝，在晶體硅片上制成敏感電阻，組成惠斯通電橋，作為力電轉換的敏感器件。當收到外力作用時(shí)，電橋失去平衡。當給橋路加一恒流激勵電源時(shí)，可以將壓力信號線(xiàn)性地轉化為工業(yè)標準的4~20 mA的電流信號或者1~5 V的電壓信號，再經(jīng)放大電路轉化為數字信號，#后由無(wú)線(xiàn)模塊發(fā)送至上位機。

 

本系統需要將壓力參數通過(guò)壓力電橋采集出來(lái)并通過(guò)放大器進(jìn)行放大處理，#后在LCD上顯示并可通過(guò)ZigBee與上位機進(jìn)行數據交換�，F實(shí)中的壓力采集模塊是由壓力電橋構成，本次設計中由于無(wú)法測得實(shí)際壓力參數，故用電位器代替電橋，通過(guò)對電位器的調節來(lái)模擬電橋因壓力變化而產(chǎn)生的電流變化。

 

3 軟件設計

本設計中以MSP430處理器為核心，通過(guò)5 V鋰電池來(lái)控制壓力傳感器和放大器的供電，傳感器將壓力信號轉換為電信號后，經(jīng)過(guò)放大器放大轉換為適合于A(yíng)/D轉換的電壓范圍，然后通過(guò)MSP430處理器內部集成的A/D轉換器進(jìn)行數模轉換，壓力信號就轉換為數字信號了。然后處理器根據存儲于RAM中的校準數據計算出測得的壓力，#后將壓力數值送液晶顯示器顯示。在校準過(guò)程中建立起測量值與標準壓力的對應關(guān)系，校準數據保存于外部存儲器中。電池經(jīng)過(guò)穩壓后，為長(cháng)期工作的部件：處理器、存儲器、顯示器供電（存儲器本來(lái)也可以通過(guò)單片機來(lái)控制其電源，因為存儲器的存儲功能只在上電或復位初始化以及校準時(shí)讀取數據才需要，但是由于系統需要使用集成于存儲器內的看門(mén)狗，因此需要長(cháng)期工作）。數據采集部分代碼如下：

 

while(1)  //主循環(huán)---------------------------------------

--------------

{

clear_watch_dog();

LPM3; //休眠

ai_power_on();

//打開(kāi)AI電源

DELAY50; 

//延時(shí)

ad_on();

//打開(kāi)AD AD采集時(shí)間9ms 

ai_cj();

//AI采集

slpt_timeout++; //AD采集計時(shí)

if(slpt_timeout<mdnml_data.slpt)

continue;

slpt_timeout=0;

ai_power_on();

//打開(kāi)AI電源

DELAY10; 

//延時(shí)

ad_on();

//打開(kāi)AD AD采集時(shí)間9ms 

bt_cj();

//電池電壓采集

ad_off(); 

//關(guān)AD

ai_power_off();

//關(guān)閉儀表電源

bt_cal();

//電池電壓計算

}

 

系統上電初始化之后，shou先切斷傳感器和放大器的供電，進(jìn)入休眠模式，然后根據設定的采樣時(shí)間進(jìn)入等待延時(shí)循環(huán)，經(jīng)過(guò)一個(gè)采樣周期后，計時(shí)結束，系統退出休眠模式，打開(kāi)傳感器、放大器電源，開(kāi)始測量，進(jìn)行A/D轉換，然后進(jìn)行數據處理和計算，#后將結果送顯示器顯示并將數據以數據幀的形式發(fā)送出去，整個(gè)過(guò)程結束后，立刻進(jìn)入休眠模式，開(kāi)始下一個(gè)采樣周期循環(huán)，系統就這樣周而復始地運作 [3] 。

 

4 結語(yǔ)

測量?jì)x器儀表包括壓力測量?jì)x器的總的發(fā)展趨勢是數字化、高性能、集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò )化。電池供電的無(wú)線(xiàn)數字壓力變送器的設計滿(mǎn)足了市場(chǎng)對電池供電方式、長(cháng)壽命、低功耗、低成本數字式、質(zhì)量高的變送器的需求，具有較為廣闊的市場(chǎng)前景。