在石油開采的過程中, 通常會根據(jù)井口的油壓和套管壓力的變化對油井的生產(chǎn)進行分析, 所以對井口壓力的測量必須做到及時準確。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的條件下進行準確測量。

壓力變送器是一種用來測量壓力參數(shù)的儀表, 目前市面上很多壓力變送器都采用有線的方式進行測量數(shù)據(jù)的傳輸, 電源也采用的是集中式供電, 非常不利于設(shè)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(tǒng)的通信模式必須換成無線通信的形式, 供電方式也必須換成鋰電池供電的形式。同時為了提高電池的使用時間, 整個系統(tǒng)就必須做到低功耗, 所以無論從芯片和供電電池的選擇, 還是電路以及程序的設(shè)計, 都需要進行綜合考慮。本文采用的是MSP430處理器, 研究并設(shè)計了一種無線低功耗壓力變送器, 從而實現(xiàn)了井口壓力參數(shù)的準確快速測量。

本系統(tǒng)用Altium Designer作為平臺, 設(shè)計出基于MSP430單片機的無線壓力變送器的原理圖, 參照原理圖繪制壓力變送器的PCB電路板并進行元件的焊接, ***后用IAR Embedded Workbench IDE調(diào)試平臺編寫程序, 下載進MSP430單片機進行調(diào)試。***終能在LCD顯示屏上顯示壓力等參數(shù), 并可以通過Zig Bee模塊將數(shù)據(jù)以無線的方式發(fā)送出去。

總體設(shè)計應(yīng)該是全面考慮系統(tǒng)的總體目標, 進行硬件初步選型, 然后確定一個系統(tǒng)的草案, 同時考慮軟硬件實現(xiàn)的可行性[1-2]?？傮w方案經(jīng)過反復(fù)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(shù)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(tǒng)總體結(jié)構(gòu)分為壓力采集模塊、無線發(fā)射模塊、MSP430單片機、LCD液晶顯示器、脈沖輸入模塊、JTAG調(diào)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(zhuǎn)換后, 將壓力變化量按一定比例轉(zhuǎn)換為標準輸出信號的儀表。變送器的輸出信號傳輸?shù)街锌厥疫M行壓力指示、記錄或控制。無線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(zhuǎn)換的敏感器件。當收到外力作用時, 電橋失去平衡。當給橋路加一恒流激勵電源時, 可以將壓力信號線性地轉(zhuǎn)化為工業(yè)標準的4~20 m A的電流信號或者1~5 V的電壓信號, 再經(jīng)放大電路轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號, ***后由無線模塊發(fā)送至上位機。

本系統(tǒng)需要將壓力參數(shù)通過壓力電橋采集出來并通過放大器進行放大處理, ***后在LCD上顯示并可通過Zig Bee與上位機進行數(shù)據(jù)交換。現(xiàn)實中的壓力采集模塊是由壓力電橋構(gòu)成, 本次設(shè)計中由于無法測得實際壓力參數(shù), 故用電位器代替電橋, 通過對電位器的調(diào)節(jié)來模擬電橋因壓力變化而產(chǎn)生的電流變化。

本設(shè)計中以MSP430處理器為核心, 通過5 V鋰電池來控制壓力傳感器和放大器的供電, 傳感器將壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號后, 經(jīng)過放大器放大轉(zhuǎn)換為適合于A/D轉(zhuǎn)換的電壓范圍, 然后通過MSP430處理器內(nèi)部集成的A/D轉(zhuǎn)換器進行數(shù)模轉(zhuǎn)換, 壓力信號就轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號了。然后處理器根據(jù)存儲于RAM中的校準數(shù)據(jù)計算出測得的壓力, ***后將壓力數(shù)值送液晶顯示器顯示。在校準過程中建立起測量值與標準壓力的對應(yīng)關(guān)系, 校準數(shù)據(jù)保存于外部存儲器中。電池經(jīng)過穩(wěn)壓后, 為長期工作的部件:處理器、存儲器、顯示器供電 (存儲器本來也可以通過單片機來控制其電源, 因為存儲器的存儲功能只在上電或復(fù)位初始化以及校準時讀取數(shù)據(jù)才需要, 但是由于系統(tǒng)需要使用集成于存儲器內(nèi)的看門狗, 因此需要長期工作) 。數(shù)據(jù)采集部分代碼如下:

系統(tǒng)上電初始化之后, 首先切斷傳感器和放大器的供電, 進入休眠模式, 然后根據(jù)設(shè)定的采樣時間進入等待延時循環(huán), 經(jīng)過一個采樣周期后, 計時結(jié)束, 系統(tǒng)退出休眠模式, 打開傳感器、放大器電源, 開始測量, 進行A/D轉(zhuǎn)換, 然后進行數(shù)據(jù)處理和計算, ***后將結(jié)果送顯示器顯示并將數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)幀的形式發(fā)送出去, 整個過程結(jié)束后, 立刻進入休眠模式, 開始下一個采樣周期循環(huán), 系統(tǒng)就這樣周而復(fù)始地運作[3]。

測量儀器儀表包括壓力測量儀器的總的發(fā)展趨勢是數(shù)字化、高性能、集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化。電池供電的無線數(shù)字壓力變送器的設(shè)計滿足了市場對電池供電方式、長壽命、低功耗、低成本數(shù)字式、質(zhì)量高的變送器的需求, 具有較為廣闊的市場前景。