何亞平 秦曉明 貴州理工學(xué)院 焦作師范高等?？茖W(xué)校

氣井參數(shù)檢測系統(tǒng)

何亞平1秦曉明21貴州理工學(xué)院 2焦作師范高等專科學(xué)校

為了實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化油氣田建設(shè)，針對(duì)油氣井口參數(shù)進(jìn)行檢測，設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的油氣井參數(shù)檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)通過采用多種傳感器可以實(shí)現(xiàn)氣井參數(shù)的檢測，利用FPGA作為主控處理器實(shí)現(xiàn)了采集后數(shù)據(jù)的預(yù)處理，并利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行無線數(shù)據(jù)的傳輸。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用了FPGA，其具有可編程性、設(shè)計(jì)靈活的特點(diǎn)，豐富的I/O接口可滿足大量傳感器的檢測與控制，可擴(kuò)展性強(qiáng)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用，使得整個(gè)系統(tǒng)具有分布性廣的特點(diǎn)，適合于油氣田系統(tǒng)應(yīng)用。

氣井參數(shù)；多傳感器；FPGA；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

數(shù)字化油氣田建設(shè)在現(xiàn)代油氣田管理中具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，開展數(shù)字化、智能化油氣田監(jiān)測與管理，一方面降低了人力資源的耗費(fèi)，另一方面提高了油氣田開采的效率。

為了實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化油氣田建設(shè)，針對(duì)油氣井口參數(shù)進(jìn)行檢測，設(shè)計(jì)了一種基于FPGA（現(xiàn)場可編程邏輯陣列）的油氣井參數(shù)檢測系統(tǒng)。

1 總體設(shè)計(jì)

目前氣井參數(shù)檢測系統(tǒng)主要可以實(shí)現(xiàn)油溫、油壓、位移、溫度、濕度等參數(shù)的檢測[1]。分別采用不同種類的傳感器實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換，采用信號(hào)調(diào)理電路調(diào)整電量信號(hào)滿足后端ADC輸入信號(hào)的要求，利用ADC實(shí)現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，并將數(shù)字量送到FPGA中實(shí)現(xiàn)預(yù)處理。FPGA控制無線數(shù)據(jù)傳輸模塊實(shí)現(xiàn)氣井參數(shù)的無線傳輸，上報(bào)到數(shù)據(jù)終端。氣井參數(shù)檢測系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

氣井參數(shù)檢測系統(tǒng)主要包括多路傳感器電路、信號(hào)調(diào)理電路、ADC電路、FPGA電路、電源電路以及無線數(shù)據(jù)傳輸電路。

圖1 氣井參數(shù)檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 多傳感器電路設(shè)計(jì)

（1）溫濕度傳感器電路。溫濕度傳感器電路采用了溫濕度一體傳感器SHT11，該傳感器是瑞士Sensirion公司生產(chǎn)的一款將溫濕度檢測、信號(hào)變換、A/D轉(zhuǎn)換等功能集成到一體的芯片。利用溫度敏感元件、濕度敏感元件將溫度和濕度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后進(jìn)行微弱信號(hào)的放大，然后利用14位的A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換[2]。其輸出接口采用二線串行數(shù)字接口輸出數(shù)字信號(hào)。

（2）位移傳感器電路。本設(shè)計(jì)中位移傳感器電路采用了美國生產(chǎn)的MEMS微機(jī)電加速度傳感器芯片，該芯片可將被測物的振動(dòng)加速度轉(zhuǎn)換為各種標(biāo)準(zhǔn)電氣信號(hào)，可用于軍用、民用等多個(gè)行業(yè)[3]。

（3）油壓力傳感器電路。油壓力傳感器采用的是PTC301壓力傳感器/變送器，該傳感器采用了德國進(jìn)口彈性體原件以及先進(jìn)的高精度應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)，具有靈敏度高和穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備、車輛制動(dòng)、化工、醫(yī)療、供水等壓力測量與控制[4]。

2.2 信號(hào)調(diào)理電路

信號(hào)調(diào)理電路采用了TI公司的儀用放大器INA114實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)的放大。INA114是一種通用儀用放大器，該儀器的芯片只需一個(gè)外部電阻就可以設(shè)置1～10 000之間的任意增益值，INA114采用8引腳塑料封裝或SOL—16表面封裝貼件，具有尺寸小、精度高等特點(diǎn)，適用于在各類數(shù)據(jù)采集、醫(yī)療儀器中使用。

2.3 FPGA及其外圍電路

FPGA控制器選擇了Altera公司芯片EP2C8Q208C8，該芯片是CycloneⅡ芯片系列中的一款，具有可擴(kuò)展性強(qiáng)、高性能、低成本、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。EP2C8Q208C8芯片內(nèi)部具有18個(gè)18Bit× 18Bit的嵌入式乘法器、兩個(gè)PLL模塊、8 256個(gè)邏輯單元（LE），具有182個(gè)可以供用戶使用的I/O口、36個(gè)M4K RAM塊，可基本滿足系統(tǒng)的需求[5]。

2.4 電源電路

系統(tǒng)電源電路設(shè)計(jì)的輸入電壓+5 V，通過DC插座引入。由于FPGA的供電電壓采用了+3.3 V和+ 1.2 V兩種，因此需要電源模塊實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換。電源濾波采用了鉭電容，可有效地濾除引入電源的尖峰脈沖。其中LT1764AEQ實(shí)現(xiàn)+5 V到+3.3 V的電壓轉(zhuǎn)換，AMS1117—ADJ實(shí)現(xiàn)+5 V到+1.2 V的電壓轉(zhuǎn)換。

2.5 無線數(shù)據(jù)傳輸電路

系統(tǒng)無線數(shù)據(jù)傳輸電路采用了ZigBee網(wǎng)絡(luò)無線射頻收發(fā)器，該收發(fā)器可以實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸，其芯片型號(hào)為CC2420。CC2420芯片是CHIPCON公司在2003年底推出的一款兼容2.4 GHz IEEE802.15.4的無線收發(fā)芯片。傳輸距離最大200 m，碼片速率達(dá)2 Mchip/s，數(shù)據(jù)速率達(dá)250 kbps[6]。該芯片通過FPGA實(shí)現(xiàn)對(duì)其配置，其與FPGA接口采用SPI接口方式。

3 結(jié)論

采用了傳感器技術(shù)、FPGA技術(shù)以及無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的氣井參數(shù)檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過采用多種傳感器可以實(shí)現(xiàn)氣井參數(shù)的檢測，利用FPGA作為主控處理器實(shí)現(xiàn)了采集后數(shù)據(jù)的預(yù)處理，并利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行了無線數(shù)據(jù)的傳輸。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用了FPGA，其具有可編程性、設(shè)計(jì)靈活的特點(diǎn)，豐富的I/O接口可滿足大量傳感器的檢測與控制，可擴(kuò)展性強(qiáng)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用，使得整個(gè)系統(tǒng)具有分布性廣的特點(diǎn)，適合于油氣田系統(tǒng)應(yīng)用。因此，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在推廣數(shù)字化、智能化油氣田建設(shè)方面具有一定的參考價(jià)值及應(yīng)用價(jià)值。

[1]萬志平，金永敏，楊亦紅．基于ZigBee的無線數(shù)據(jù)釆集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]．信息技術(shù)，2009（9）：22-55.

[2]王金旗，孟金煥，紀(jì)常杰．智能井系統(tǒng)——發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J]．國外油田工程，2004，20（2）：37-39．

[3]孫善超．無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在油氣井遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]．貴州大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，25（2）161-164.

[4]竇洪恩．當(dāng)今世界上最新的石油技術(shù)[J]．石油礦場機(jī)械，2003，32（2）：1-4．

[5]張蕓薇．基于ZigBee無線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)采集的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]．大連：大連理工大學(xué)，2007.

[6]林少鋒，何一．基于CC2420的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[J]．電子設(shè)計(jì)工程，2009，17（3）：66-68.

（欄目主持 關(guān)梅君）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.1.034