王樂(lè)毅

（青島科技大學(xué) 自動(dòng)化與電子工程學(xué)院，山東 青島266042）

石油溫度與壓力智能測(cè)試儀在石油開(kāi)采工業(yè)中是必不可少的，主要用來(lái)監(jiān)測(cè)采油管道的運(yùn)行狀況、采集生產(chǎn)井正常生產(chǎn)時(shí)的井下流溫流壓數(shù)據(jù)［1－2］。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間完成采集任務(wù)后，采集的數(shù)據(jù)與上位機(jī)通信進(jìn)行數(shù)據(jù)回放、校驗(yàn)、初始化、處理并顯示等操作。它獨(dú)立工作于2～3km的井下，儀器在地下一次工作時(shí)間較長(zhǎng)（一般為1～2個(gè)月）［3］且工作環(huán)境較為惡劣，要求系統(tǒng)具有較強(qiáng)的低功耗、高抗干擾能力［4－5］。

1 系統(tǒng)組成原理

智能測(cè)試儀是基于PIC單片機(jī)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過(guò)傳感器將流體的溫度、壓力信號(hào)放大轉(zhuǎn)換成0～5V的模擬電信號(hào)，再通過(guò)A／D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，單片機(jī)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、采集、存儲(chǔ)并通過(guò)USART接口將數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)做進(jìn)一步的處理。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 智能測(cè)試儀組成

2 工作狀態(tài)及功能

基于現(xiàn)場(chǎng)的要求，系統(tǒng)有兩種工作狀態(tài)：與上位機(jī)聯(lián)機(jī)狀態(tài)；脫離上位機(jī)進(jìn)行獨(dú)立數(shù)據(jù)采集狀態(tài)。

2.1 聯(lián)機(jī)狀態(tài)的功能

a）實(shí)時(shí)校驗(yàn)。使用儀器前應(yīng)在實(shí)驗(yàn)室完成儀器的校準(zhǔn)，之后輸入零點(diǎn)和滿量程的溫度和壓力信號(hào)。在單片機(jī)存儲(chǔ)器中存入溫度和壓力的校正系數(shù)，這些系數(shù)由采集的數(shù)據(jù)分別計(jì)算得出。這樣用軟件方法既確保了儀器的精度，又免除了設(shè)置零點(diǎn)和量程電位器的必要。

b）數(shù)據(jù)回放。采集任務(wù)完成后，取回儀表通過(guò)USB接口將采集的數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)，上位機(jī)對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后得到實(shí)際的溫度、壓力值，然后進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)。

c）初始化。上位機(jī)對(duì)下位機(jī)進(jìn)行采集任務(wù)設(shè)定，其中包括采集的時(shí)間間隔、采集組數(shù)、延時(shí)時(shí)間等。

2.2 脫機(jī)采集狀態(tài)的功能

在與上位機(jī)完成采集任務(wù)設(shè)定后，測(cè)試儀裝入電池送入井下，在經(jīng)過(guò)設(shè)定的延時(shí)時(shí)間后開(kāi)始按預(yù)定的時(shí)間間隔自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)。

3 主硬件電路

主硬件電路如圖2所示，以PIC16F88單片機(jī)為核心組成。

3.1 電源模塊

在數(shù)據(jù)采集工作狀態(tài)時(shí)，測(cè)試儀的電源由2塊3.6V的鋰離子電池串聯(lián)供電，采用具有低壓差、低功耗、低溫漂特性的低壓差（LDO）線性穩(wěn)壓電路進(jìn)行穩(wěn)壓，在提高電源精度的同時(shí)又降低了系統(tǒng)功耗。而且，將輸入輸出壓差降到100mV左右，在負(fù)載電流為0～250mA時(shí)，靜態(tài)電流最大為300μA。

圖2 PIC16F88單片機(jī)硬件電路示意

3.2 時(shí)鐘模塊

a）系統(tǒng)時(shí)鐘。采用內(nèi)部RC振蕩器INTRC作為系統(tǒng)時(shí)鐘，既可以簡(jiǎn)化外部電路又有利于降低功耗。受溫度影響，INTRC產(chǎn)生的誤差對(duì)該系統(tǒng)影響并不大，而且INTRC起振快（約為數(shù)百納秒），更適用于頻繁工作在喚醒—休眠狀態(tài)的系統(tǒng)。

b）實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）模塊。定時(shí)／計(jì)數(shù)器TMR1在T1OSI腳和T1OSO腳外接一個(gè)32.768MHz的低功耗晶體振蕩器組成實(shí)時(shí)時(shí)鐘，用于采集時(shí)間間隔定時(shí)，單片機(jī)休眠時(shí)RTC仍然工作。

3.3 存儲(chǔ)模塊

外接一個(gè)256KB的Eeprom存儲(chǔ)器24LC256，以存儲(chǔ)采集數(shù)據(jù)，單片機(jī)通過(guò)IIC接口與其交換數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸可靠方便，其在電壓5.5V下最大寫(xiě)電流為3mA，最大讀電流為400μA。

3.4 串口通信模塊

通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部的USART模塊的全雙工異步模式，通過(guò)RS－232－USB的轉(zhuǎn)接橋接到上位機(jī)的USB接口來(lái)實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的串口通信。

3.5 A／D轉(zhuǎn)換模塊

使用單片機(jī)內(nèi)部的A／D轉(zhuǎn)換器，利用RA1，RA2，RA3 3路模擬輸入，參考電壓選擇AVDD和AVSS。進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換時(shí)，為提高轉(zhuǎn)換精度，要使單片機(jī)工作在休眠狀態(tài)。

3.6 傳感器及信號(hào)調(diào)理模塊

a）傳感器模塊。壓力檢測(cè)采用壓阻傳感器來(lái)檢測(cè)流體壓力；溫度檢測(cè)T1路采用Pt100熱電阻來(lái)檢測(cè)流體的溫度，T2路采用LM35精確集成溫度傳感器來(lái)檢測(cè)儀器的工作溫度。

b）信號(hào)調(diào)理模塊。選擇高精度、低功耗、溫漂小的運(yùn)算放大器對(duì)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行放大，輸出0～5V模擬信號(hào)。

3.7 聯(lián)機(jī)識(shí)別及前級(jí)電源控制模塊

a）聯(lián)機(jī)識(shí)別。通過(guò)判斷RB3腳的電平來(lái)判斷單片機(jī)的工作狀態(tài)。聯(lián)機(jī)狀態(tài)將單片機(jī)電池取下，RB3引腳通過(guò)通信電纜接地，被下拉為低電平，獨(dú)立數(shù)據(jù)采集狀態(tài)RB3被VCC上拉為高電平。

b）前級(jí)運(yùn)放及傳感器電源控制。由RA0腳來(lái)控制MOSFET導(dǎo)通和關(guān)斷來(lái)控制前級(jí)運(yùn)放及傳感器的電源。

4 數(shù)據(jù)的線性化處理

在上位機(jī)通過(guò)查表和分段線性化來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度傳感器的線性化處理。在實(shí)際非電量的檢測(cè)中，利用各類(lèi)傳感器把許多物理量轉(zhuǎn)化為電量時(shí)，大多數(shù)傳感器的輸出電量與被測(cè)物理量之間不是線性關(guān)系。為使測(cè)量?jī)x表的輸出量與輸入量之間具有線性關(guān)系，不僅對(duì)傳感器本身的設(shè)計(jì)和工藝采取措施，還利用上位機(jī)的線性插值程序來(lái)對(duì)輸出量的非線性進(jìn)行補(bǔ)償。

設(shè)X為被測(cè)變量，Y為輸出變量，它們呈非線性關(guān)系。根據(jù)精度要求，把曲線分成n段，用實(shí)驗(yàn)或計(jì)算的方法得到各分段點(diǎn)輸出和輸入的對(duì)應(yīng)值（坐標(biāo)值），將這些對(duì)應(yīng)的值（X1，Y1）…（Xn，Yn）編制成表格存儲(chǔ)起來(lái)。實(shí)際的傳感器輸出值Yi一定落在某個(gè)區(qū)間（Xk，Yk）之內(nèi)，即Yk＜Yi＜Yk＋1，插值法就是用一段簡(jiǎn)單的曲線，近似代替這段區(qū)間里實(shí)際的曲線，隨后，由簡(jiǎn)單曲線的表達(dá)式計(jì)算出被測(cè)量Xi。線性插值法則是用（Xk，Yk）和（Xk＋1，Yk＋1）兩點(diǎn)間的直線近似代替兩點(diǎn)間的函數(shù)曲線，此時(shí)被測(cè)量的計(jì)算公式：

該系統(tǒng)在上位機(jī)程序中建立一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，以1℃為單位來(lái)存儲(chǔ)熱電阻的溫度－電壓對(duì)應(yīng)表格，得到采集電壓值后，再通過(guò)查表和線性插值來(lái)確定實(shí)際采集的溫度。

5 軟件組成及功能

下位機(jī)單片機(jī)軟件主要有主程序模塊、定時(shí)模塊、A／D轉(zhuǎn)換模塊、外掛Eeprom模塊、同步串行端口MSSP模塊、串口通信模塊、USART串行通信模塊、中斷模塊和聯(lián)機(jī)模塊。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，還進(jìn)行了看門(mén)狗的設(shè)置和程序的抗干擾設(shè)計(jì)。

上位工控機(jī)軟件使用Visual Basic編寫(xiě)，主要完成與下位機(jī)的通信，包括時(shí)間設(shè)定，實(shí)時(shí)校驗(yàn)，上傳數(shù)據(jù)、對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，通過(guò)表格、曲線查看上傳的數(shù)據(jù)并顯示所有數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)表等。軟件功能如圖3所示。

圖3 軟件功能

5.1 串行口的自動(dòng)識(shí)別

檢測(cè)串口通過(guò)調(diào)用API函數(shù)返回注冊(cè)表中串行口的信息實(shí)現(xiàn)。注冊(cè)表 HKEY＿LOCAL＿M(jìn)ACHINE，HARDWARE，DEVICEMAP，SERIALCOMM下為計(jì)算機(jī)串口信息，此鍵下有N個(gè)鍵值說(shuō)明有N個(gè)串口。

查詢數(shù)據(jù)表數(shù)據(jù)使用了用于操作注冊(cè)表的API函數(shù) RegOpenKey，RegCloseKey，RegEnum ValueAsAny，RegEnumValueAsAny2。自動(dòng)檢測(cè)串口由兩部分組成，注冊(cè)表串行口信息的讀取和處理，通過(guò)串行通信得到反饋信息從而得到測(cè)試儀連接的串口號(hào)。

5.2 MSCOMM控件

程序中使用此控件可以方便地實(shí)現(xiàn)串行通信，如時(shí)間參數(shù)設(shè)定、實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)上傳、系數(shù)校驗(yàn)。

5.3 實(shí)時(shí)校驗(yàn)軟件

單片機(jī)接收的經(jīng)過(guò)線性放大的信號(hào)，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換和中值濾波后保存在24LC256中，再上傳到上位機(jī)，而這些數(shù)據(jù)是沒(méi)有經(jīng)過(guò)處理的。零點(diǎn)校正和標(biāo)量轉(zhuǎn)換等數(shù)據(jù)處理工作，由上位機(jī)完成，這也是實(shí)時(shí)校驗(yàn)的核心。

5.4 上傳數(shù)據(jù)軟件

采用數(shù)據(jù)包的形式傳遞數(shù)據(jù)以保證數(shù)據(jù)高效正確地傳送，每個(gè)包60個(gè)數(shù)據(jù)，若傳遞有誤則要求單片機(jī)重新上傳。單片機(jī)中存放著所有參數(shù)信息和數(shù)據(jù)，可以只傳遞數(shù)據(jù)，但這樣上位機(jī)不僅要能夠取得下位機(jī)的各種參數(shù)還要能和數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)關(guān)聯(lián)，這樣會(huì)增大上位機(jī)和下位機(jī)的開(kāi)發(fā)難度，因而這里采用上傳時(shí)間設(shè)定、系數(shù)、數(shù)據(jù)指針。

5.5 曲線查看

繪制曲線首先要把數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取出來(lái)，處理后存放到數(shù)組DataTodisplay（4＊i）中，每4個(gè)為一組分別為壓力、油溫、儀溫、時(shí)間間隔。

5.6 表格查看

對(duì)從數(shù)據(jù)庫(kù)中得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后存放到數(shù)組DataTodisplay（），然后使用文件讀寫(xiě)函數(shù)寫(xiě)入文件中，格式為.htm，使用 API函數(shù)ShellExecute調(diào)用Internet Explorer打開(kāi)該文件。也可以使用數(shù)據(jù)庫(kù)中的報(bào)表控件來(lái)完成。

6 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)采用PIC16F88單片機(jī)，滿足了系統(tǒng)的低功耗、高性能和穩(wěn)定性要求，并依靠軟件完成數(shù)據(jù)上傳、實(shí)時(shí)校驗(yàn)、上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)的處理及顯示等工作。經(jīng)反復(fù)調(diào)試試驗(yàn)，該測(cè)試儀達(dá)到0.5級(jí)精度。

由于應(yīng)用環(huán)境惡劣、復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)安裝和調(diào)試要反復(fù)進(jìn)行多次，并精心設(shè)計(jì)調(diào)試運(yùn)行方案，否則不能保證系統(tǒng)的可靠性。

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