无线通信抽油机数据记录仪设计研究

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1引言

迅速发展的计算机技术极大地提高了油田自动化管理水平。在实际生产中，采油设备工作的周边环境恶劣，地理位置分散，野外作业占了绝大多数，人工检测有一定的困难，另一方面抽油机的井下工况复杂，抽油机经常发生故障，这不仅影响到油田的生产，还会造成资源的浪费，使效益降低。因此，及时准确地对抽油机井下工况实时监测是避免抽油机经常发生故障的重要手段。在采油工艺技术中，通常以示功图作为分析抽油机井下工况的主要依据。常见抽油机即游梁式抽油机是油田广泛应用的传统抽油设备。游梁式抽油机在运行时，运行情况总是根据油井的情况有所变化，尤其是想得到不同时间段的示功图，可是示功仪价格昂贵，不能安装在无人值守的抽油机上，只能在某一时人工测量。因此此开发能在不同时间自动记录抽油机的抽油杆拉力、行程、电压、电流等数据具有重要意义。

2抽油机数据记录仪硬件设计

基于无线通信抽油机数据记录仪旨在无人看守的情况下，可以自动在不同时间记录抽油机的抽油杆拉力、行程、电压和电流等工作参数，然后通过无线方式将这些数据传送到手抄器上，再进一步传到PC机上，进行数据分析，得出抽油机的运行数据。该系统分为硬件设计和软件设计，硬件主要完成数据的采集、转换、放大、检波和显示等功能；软件部分完成数据处理和控制[2]。

2.1传感器和信号放大电路

传感器是测试系统的首要环节。现场传感器包括测抽油杆拉力的传感器，测抽油机行程位置的加速度传感器，电压互感器，电流互感器。载荷传感器将抽油杆的拉力转换为电量输出；加速度传感器放在抽油杆的平衡铁上，对加速度传感器采集到的数据进行二次积分得到位移量，将载荷传感器和加速度传感器联合使用，测得的实时的位移和载荷，构成示功图。利用电压互感器和电流互感器得到抽油机的电压值和电流值。本设计信号放大电路采用TLC2254四运算集成放大器，该放大器输入阻抗高，噪声低，是高阻抗源的小信号调理电路的理想芯片。放大电路图。放大电路分为四级，第一级构成电压跟随器，具有高输入阻抗，低输出阻抗的特点，作隔离电路。第二级是构成放大倍数10倍的放大电路，第三级构成的半波检波器与第四级的加法器组成简单的绝对值电路。

2.2主控模块

主控模块选择的中央处理器是宏晶科技生产的STC12LE5A60S2芯片。该芯片是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8～12倍。芯片3V供电，与无线模块可以直接相连，不需要进行电平转换。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换（250K/S）。与普通的8051相比，STC12C5A60S2芯片还拥有SPI接口、两个串口、EEPROM和1K内部扩展RAM。单片机通过I/O口输出相应的高低电平控制8通道模拟多路复用器，分时对位移、载荷、电压和电流数据采集。8通道模拟多路复用器在同一时刻只允许一路信号经过，由传感器产生的电信号经过放大和检波电路输入到MCU进行AD转换，并将数据存入存储模块。基于STC12C5A60S2芯片具有的A/D转换功能，无需采用单独的数模转换模块，大大减低了设计成本。当单片机收到手抄器进行数据读取的通信信号后，单片机将数据处理完成后将数据通过无线发射模块发送给手抄器，实现无线通信，还可以通过液晶显示器将数据显示出来。

2.3无线通信模块

无线通信模块采用nRF2401芯片。该芯片是单片射频收发器，其ISM频段为各国通用的2.4～2.5GHZ。输出功率和频率通道可以通过3个串行接口进行编程配置。主控模块控制数据的采集、读取、A/D转换、存储和无线通信。该设备通过模拟SPI模式实现主控模块和无线通信模块的连接，通过单片机STC12LE5A60S2的P2口与nRF2401相应引脚相连，对其写入读取控制字实现无线通信。单片机P25、P24、P23分别与nRF2401的PWR_UP、CE、CS相连，单片机的P22、P21、P20分别与nRF2401的DR、CLE、DATA相连。单片机控制无线模块发送数据时首先要配置芯片的工作模式。nRF2401芯片有四种工作模式：收发模式、配置模式、空闲模式和关机模式。

3抽油机数据仪的软件实现

3.1数据采集的软件设计

数据仪的功能实现需要在硬件的基础上利用软件部分实现控制和通信。对于抽油机数据采集仪来说，不可能实现完全意义上的实时监测，因为每时每刻的监测会使短时间内数据量过大，且传感器等硬件的响应都有一定的界限，并且由于抽油机自身具有的稳定性和可靠性，可以在相同间隔的不同时刻对抽油机的状态进行监测。本系统每隔一个小时对数据采集一次。记录仪上电开始工作时，进行单片机、无线模块等外设参数的初始化，利用单片机自带的定时器，再编写计数程序，当时间达到一小时时，单片机分时读取拉力、行程、电压和电流的数据，并进行存储。存储模块主要由两个24C512组成。手抄器想要获得记录仪采集的数据首先向记录仪发送验证数据，通知记录仪需要提取数据，记录仪的主控芯片收到验证数据后向手抄器发送应答信号，在确认应答信号正确的前提下，手抄器发送抄数据指令，此时记录仪将存储的数据信息通过无线模块传送给手抄器。

3.2无线通信的软件设计

本设计无线通信采用的是异步半双工通信模式。以nRF2401芯片为核心的无线收发器有ShockBurstTM和直接收发两种收发模式，收发模式由单片机写入的配置字决定。与直接收发相比，ShockBurstTM收发模式功耗低，在与单片机进行数据传输时速率较慢，但是在2.4GHZ的频带下空中传输速率最大是1Mbps，这样就可以提高无线通信在空中的可靠性和稳定性。无线传送开始前需对单片机的I/O口进行初始化并设置系统时钟，通过写控制字的方式初始化nRF2401。单片机向nRF2401写入接收装置的地址的需要发送的数据，并置CE引脚为高电平，此时nRF2401自动添加CRC校验码，然后置CE为低，nRF2401自动加入报头并开始空中数据发送。当发送过程完成后，数据准备好引脚通知微处理器数据发射完毕。内有无线接收模块的手抄器接收数据，手抄器可以与PC机相连，接收到数据后传送给PC机，再进一步进行数据处理和分析，得出抽油机的工作状态。

作者：康金 单位：承德石油高等专科学校