在石油開采的過程中, 通常會根據井口的油壓和套管壓力的變化對油井的生產進行分析, 所以對井口壓力的測量必須做到及時準確。油田的生產環境較為惡劣, 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據的傳輸, 電源也采用的是集中式供電, 非常不利于設備的安裝和維護, 給油井的日常生產管理造成了極大的不便。因此, 系統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計, 都需要進行綜合考慮。本文采用的是MSP430處理器, 研究并設計了一種無線低功耗壓力變送器, 從而實現了井口壓力參數的準確快速測量。

本系統用Altium Designer作為平臺, 設計出基于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調試平臺編寫程序, 下載進MSP430單片機進行調試。***終能在LCD顯示屏上顯示壓力等參數, 并可以通過Zig Bee模塊將數據以無線的方式發送出去。

總體設計應該是全面考慮系統的總體目標, 進行硬件初步選型, 然后確定一個系統的草案, 同時考慮軟硬件實現的可行性[1-2]。總體方案經過反復推敲, 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, 所以可將系統總體結構分為壓力采集模塊、無線發射模塊、MSP430單片機、LCD液晶顯示器、脈沖輸入模塊、JTAG調試接口, 其總體框架如圖1所示。

壓力變送器是一種接受壓力變量, 經傳感轉換后, 將壓力變化量按一定比例轉換為標準輸出信號的儀表。變送器的輸出信號傳輸到中控室進行壓力指示、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化為工業標準的4~20 m A的電流信號或者1~5 V的電壓信號, 再經放大電路轉化為數字信號, ***后由無線模塊發送至上位機。

本系統需要將壓力參數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與上位機進行數據交換。現實中的壓力采集模塊是由壓力電橋構成, 本次設計中由于無法測得實際壓力參數, 故用電位器代替電橋, 通過對電位器的調節來模擬電橋因壓力變化而產生的電流變化。

本設計中以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換為電信號后, 經過放大器放大轉換為適合于A/D轉換的電壓范圍, 然后通過MSP430處理器內部集成的A/D轉換器進行數模轉換, 壓力信號就轉換為數字信號了。然后處理器根據存儲于RAM中的校準數據計算出測得的壓力, ***后將壓力數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關系, 校準數據保存于外部存儲器中。電池經過穩壓后, 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位初始化以及校準時讀取數據才需要, 但是由于系統需要使用集成于存儲器內的看門狗, 因此需要長期工作) 。數據采集部分代碼如下:

系統上電初始化之后, 首先切斷傳感器和放大器的供電, 進入休眠模式, 然后根據設定的采樣時間進入等待延時循環, 經過一個采樣周期后, 計時結束, 系統退出休眠模式, 打開傳感器、放大器電源, 開始測量, 進行A/D轉換, 然后進行數據處理和計算, ***后將結果送顯示器顯示并將數據以數據幀的形式發送出去, 整個過程結束后, 立刻進入休眠模式, 開始下一個采樣周期循環, 系統就這樣周而復始地運作[3]。

測量儀器儀表包括壓力測量儀器的總的發展趨勢是數字化、高性能、集成化、智能化、網絡化。電池供電的無線數字壓力變送器的設計滿足了市場對電池供電方式、長壽命、低功耗、低成本數字式、質量高的變送器的需求, 具有較為廣闊的市場前景。