基于單片機(jī)的井場(chǎng)儀表參數(shù)無線傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1引 言

目前，全國(guó)油田鉆井現(xiàn)場(chǎng)基本都是有線數(shù)據(jù)傳輸。有線傳輸有很多缺點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)布線復(fù)雜而且存在安全隱患，鉆井是流動(dòng)作業(yè)，每鉆一口井就要重新布一次線，這樣既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，有時(shí)還會(huì)由于布線走向的問題導(dǎo)致線路被碰斷。一般說來，數(shù)據(jù)線都是空中架設(shè)，風(fēng)吹日曬使數(shù)據(jù)線老化的較快，這樣就帶來直接的經(jīng)濟(jì)損失。鉆井現(xiàn)場(chǎng)有很多公司在作業(yè)，有些參數(shù)各公司是共用的，同一個(gè)參數(shù)每個(gè)公司都要讀取一次，就需要在同一個(gè)測(cè)量點(diǎn)上安裝兩臺(tái)甚至更多的變送器，這樣既造成了浪費(fèi)又使得現(xiàn)場(chǎng)變送器安裝位置緊張。

本系統(tǒng)采用無線通信技術(shù)，一點(diǎn)發(fā)射多點(diǎn)接收，可以實(shí)現(xiàn)信息共享，避免了布線的麻煩，而且流動(dòng)作業(yè)時(shí)可以方便地安裝和拆卸，很好地提高了工作效率。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

如圖1所示，本系統(tǒng)主要分為控制室主機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)從機(jī)，且所有元件均選用符合工業(yè)級(jí)要求的產(chǎn)品，大大提高了系統(tǒng)的可靠性、耐高溫性和抗震性。

2.1控制室主機(jī)

控制室主機(jī)分為控制主機(jī)和旁聽主機(jī)，這是因?yàn)殂@井現(xiàn)場(chǎng)有多個(gè)單位共同作業(yè)，都需要現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)。對(duì)于只需要現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的單位可安裝旁聽主機(jī)，只接收現(xiàn)場(chǎng)的各種數(shù)據(jù)；對(duì)于同時(shí)需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)進(jìn)行控制的單位可安裝控制主機(jī)。工作原理如圖1所示。

主機(jī)由計(jì)算機(jī)、單片機(jī)和無線通信模塊FC211等部分組成。主要功能是：訪問分布在現(xiàn)場(chǎng)各種儀表處的從機(jī)，采集他們的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，并向從機(jī)發(fā)送控制命令控制電機(jī)的啟／停。

2.2現(xiàn)場(chǎng)從機(jī)

現(xiàn)場(chǎng)從機(jī)由單片機(jī)部分、電源供電部分、數(shù)據(jù)采集部分、無線通信部分組成。本系統(tǒng)無線通信部分采用FC211無線通信模塊。該模塊數(shù)據(jù)接口為全雙工串行接口，無線傳輸距離為800 m(空曠地)，完全滿足現(xiàn)場(chǎng)使用條件，而且此模塊性能穩(wěn)定，使得整個(gè)系統(tǒng)在多機(jī)通信肘能夠穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確管理。[next]

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

如圖2所示，該系統(tǒng)的工作原理是：現(xiàn)場(chǎng)從機(jī)分布在鉆井現(xiàn)場(chǎng)的各個(gè)位置，將附近的儀表數(shù)據(jù)采集到單片機(jī)內(nèi)的存儲(chǔ)單元，等待控制室主機(jī)查詢?？刂剖抑鳈C(jī)以點(diǎn)名的方式查詢現(xiàn)場(chǎng)從機(jī)，將數(shù)據(jù)采集到主機(jī)內(nèi)，并送到上位機(jī)進(jìn)行處理。當(dāng)控制室主機(jī)查詢從機(jī)時(shí)，分布在現(xiàn)場(chǎng)的各個(gè)單位的旁聽主機(jī)也會(huì)收到現(xiàn)場(chǎng)從機(jī)的數(shù)據(jù)，這樣就實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新。當(dāng)控制室需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)控制時(shí)，就可以向控制電機(jī)的從機(jī)發(fā)控制命令，從機(jī)接到命令將電機(jī)殲啟或停止，并將所檢測(cè)的電機(jī)狀態(tài)發(fā)回主機(jī)。

通信協(xié)議設(shè)計(jì)如下：

現(xiàn)場(chǎng)每個(gè)從機(jī)都有一個(gè)固定的8位地址(通過撥碼開關(guān)設(shè)定)，所以整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能容納256個(gè)從機(jī)?，F(xiàn)場(chǎng)從機(jī)一直處于偵聽狀態(tài)，等待主機(jī)點(diǎn)名。點(diǎn)名命令是一個(gè)4 B的命令包，分為兩種，查詢命令和控制命令，格式如下：

命令包頭：一個(gè)命令包的開始，并說明是哪種命令。0xAA：查詢命令；0xBB：控制命令。
從機(jī)地址：被點(diǎn)名的從機(jī)地址，地址范圍是0～255。
命令數(shù)據(jù)：當(dāng)為控制命令時(shí)，該字節(jié)的后四位表示4路開關(guān)量的狀態(tài)。
命令包尾：數(shù)據(jù)包的結(jié)束標(biāo)志，也是從機(jī)判斷命令是否正確接收的標(biāo)志。

當(dāng)從機(jī)收到點(diǎn)名命令時(shí)，首先判斷命令包中的從機(jī)地址與自己的地址是否相符，如果不是則等待下一次點(diǎn)名，如果是再判斷是哪種命令。如果是查詢命令則首先將自己地址發(fā)送給主機(jī)作為點(diǎn)名確認(rèn)信息，隨后再將數(shù)據(jù)包發(fā)送出去，數(shù)據(jù)包為一個(gè)13 B數(shù)據(jù)包，具體格式如下：

字節(jié)1：從機(jī)地址；
字節(jié)2：主機(jī)用來判斷是否是更新數(shù)據(jù)的標(biāo)志字節(jié)，此字節(jié)為1；
字節(jié)3：開關(guān)量輸入輸出，高4位為開關(guān)量輸入，低4位為開關(guān)量輸出；
字節(jié)4：脈沖計(jì)數(shù)；
字節(jié)5～寧節(jié)12：4路十位A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)；
字節(jié)13：數(shù)據(jù)包結(jié)束字節(jié)。

如果是控制命令則首先返回自己的地址作為點(diǎn)名確認(rèn)信息，主機(jī)收到后，將發(fā)送5次命令數(shù)據(jù)，從機(jī)收到后，將這5次收到的數(shù)據(jù)與開始收到的控制命令里的命令數(shù)據(jù)比較，如果一致則將命令輸出到I／O口，控制繼電器，0.5 s后再采集一次數(shù)據(jù)，將開關(guān)量數(shù)據(jù)傳回到主機(jī)來顯示電機(jī)的工作狀態(tài)，這樣就完成控制室主機(jī)控制現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)的過程。 當(dāng)控制室主機(jī)訪問現(xiàn)場(chǎng)從機(jī)時(shí)，那些旁聽主機(jī)也收到了現(xiàn)場(chǎng)傳來的數(shù)據(jù)，從而不斷更新數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 語

日前此系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用到鉆井現(xiàn)場(chǎng)。經(jīng)過實(shí)踐，本系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)時(shí)性能良好．可以滿足現(xiàn)場(chǎng)的要求。而且本系統(tǒng)采用的無線通信模塊是基于FSK的調(diào)制方式，采用高效信道編碼技術(shù)，具有抗突發(fā)干擾和隨機(jī)干擾的能力。