（测试计量技术及仪器专业论文）油气田井口数据实时检测及远程传输系统.pdf

油气田井口数据实时检测及远程传输系统 学科：测试计量技术及仪器 研究生签字：土蛊 指导教师签字_ 幻锄 摘要 目前我国的采油井9 5 以上是机采，大多数数据采集依靠人工完成，无法实现高效的 采油自动化管理。针对油气田井口数据的人工采集存在数据更新周期长、维护困难等问题， 在充分调研国内外数据实时检测及远程传输技术的基础上，设计和开发了油气田井口数据 实时检测及远程传输系统。 本系统主要采用a t m e g a l 2 8 单片机控制技术、数据采集技术、串口通信技术、短波 超短波远程无线通信技术，实现对油气田井口的温度、油压、套压、流量等参数的实时检 测及远程无线传输；利用数据存储技术、u s b 通信技术，实现u s b 便携存储模块，使采 集到的数据还可以长期存储随时导入到u 盘等u s b 移动设备中；利用v b 及s o l s e r v e r 数据库设计上位机监控软件，可接收到下位机发送的数据并生成数据报表和曲线、报警显 示、打印汇总表、远程控制井口截止阀等功能。 通过安装在油气井的数据采集设备、基于短波超短波远程无线数据传输设备和安装在 控制室的上位机监控软件，建立油气田生产无线实时监控系统，可以将现场油气井工作状 况的有关数据传送到采油部门的监控中心，实时地提供给操作人员。短波超短波数据传 输具有速度快、分布范围广、维护简单、扩展容易、运行费用低等特点，与有线通信和无 线c d m a g p r s 通信方式相比则显得非常灵活。 本系统已成功在某油田投入运行，可实现远距离传输。其运行状况良好，系统工作稳 定，基本无误码，满足了生产需要，为油气田井口数据采集提供一种全新的手段，是理想 的油田的生产自动化设备。该系统在边远地区和海上油气田具有广泛的应用前景，有良好 的经济效益与社会效益。 关键词：数据采集；便携存储；短波超短波通信；远程传输；远程监控 ar e a l t i m ed a t ac o l l e c t i o na n dt r a n s m i s s i o ns y s t e mf o r o i l 1 l m e i lm e a s u r e m e n t d i s c i p l i n e ：m e a s u r i n ga n dt e s t i n gt e c h n o l o g i e sa n di n s t r u m e n t s s t u d e n ts i g n a t u r e ：岫1 ，幽 s u p e r v i s o rs i g n a t u r e ： 一 一 岬d 吗j 讪 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，m o r et h a n9 5p e r c e n to fw e l l sa r ee x p l o i t e db yu s i n gm i n i n gm a c h i n e si no i l f i l e di nc h i n a ，m o s to ft h e mr e l yo nm a n u a ld a t ac o l l e c t i o n i ti sd i f f i c u l tt or e a l i z e l o n g d i s t a n c ed a t ac o l l e c t i o na n dt r a n s m i s s i o nf r o mw e l l h e a di nr e m o t ed e s e r tb yo p e r a t o r s a k i n do fd a t ac o l l e c t i o na n dt r a n s m i s s i o ns y s t e mw a sd e s i g n e dt os o l v et h i sp r o b l e m t h es y s t e mu t i l i z e sa t m e g a l 2 8m i c r o c o n t r o l l e ra n ds o m ep e r i p h e r a ld e v i c e st oc o l l e c t t e m p e r a t u r e ，p r e s s u r e ，f l o wr a t ea n do t h e ri m p o r t a n td a t ao fw e l l h e a di nr e a lt i m e t h ed a t a w a st r a n s m i t t e dt or e m o t em o n i t o rc e n t e rt h r o u g hs h o r t w a v e u l t r a s h o r tw a v ec o m m u n i c a t i o n i no r d e rt or e d u c et h ep o s s i b l ed a t am i s s i n g ，s o m ev a l u a b l ed a t aw e r ea l s os t o r e di nu s bf l a s h s t o r a g ed e v i c eb e f o r et r a n s m i t t i n g ac o m p r e h e n s i v ea n a l y s i sp r o g r a mi sd e s i g n e dt op r o c e s s t h e s ed a t ac o n v e n i e n t l y p cm o n i t o r i n gs o f t w a r ei sd e s i g n e db yu s i n gv ba n ds q ls e r v e r d a t a b a s e ，m e a n w h i l et h ed a t ac o u l db es t o r e da n dd i s p l a y e d t h i ss o f t w a r ec o u l da l s or e a l i z e t h ef u n c t i o n so fa l a r m ，r e m o t ec o n t r o lo fw e l l h e a ds t o pv a l v e ，a n dr e p o r tp r i n t i n g b yi n s t a l l i n gm o n i t o r i n ge q u i p m e n t ，a d o p t i n gs h o r t - w a v e u l t r a 。s h o r tw a v e c o m m u n i c a t i o n a n di n s t a l l i n gp cm o n i t o r i n g ，t h ew i r e l e s sr e a l t i m em o n i t o r i n gs y s t e mi se s t a b l i s h e d s u c c e s s f u l l yt op r o v i d et h ed a t ao fw e l l h e a dt oo p e r a t o r si nr e a lt i m e c o m p a r e dw i t ho t h e r c o m m u n i c a t i o n s ，t h es h o r t w a v e u l t r a s h o r tw a v ec o m m u n i c a t i o nh a sl o t so ff e a t u r e so fh i g h s p e e d ，w i d ed i s t r i b u t i o n ，c o n v e n i e n tm a i n t e n a n c e ，e a s ye x p a n s i o na n dl o wo p e r a t i o n c o s t t h es y s t e mh a sa l r e a d yb e e nu s e di no i lf i e l d ，a n dl o n g d i s t a n c et r a n s m i s s i o nh a sb e e n r e a l i z e d a tp r e s e n t ，t h es y s t e mi si m p l e m e n t e ds t a b l ya n dr e l i a b l y i tc o m p l e t e l ym e e t st h e r e q u i r e m e n t so fp r o d u c t i o nm e a n w h i l ei th a sp r o v i d e dan o v e lm e t h o df o rd a t ac o l l e c t i o ni no i l f i e l dw i t hi t sb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t si nt h er e m o t ea r e a sa n do b v i o u se c o n o m i ca n ds o c i a l b e n e f i t s k e yw o r d s ：d a t ac o l l e c t i o n ；p o r t a b l es t o r a g e ；s h o r t - w a v e u l t r a s h o r tw a v ec o m m u n i c a t i o n ； l o n g - d i s t a n c et r a n s m i s s i o n ；r e m o t em o n i t o r i n g 学位论文知识产权声明 学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工业大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 学位论文工作的知识产权属于西安工业大学。本人保证毕业离校后，使用学位论文工作成 果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工业大学。大学有权保留送交的 学位论文的复印件，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名： 王莹 指导教师签名：哥叼另力 日期： 2 0 0 $ 耳5 月5 日 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师 指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的成果，不包含本人己申请学位或他人 已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：工益 指导教师签名：黄历7 励 日期： 2 0 0 8 卓5 目5 日 7 5 1 绪论 1 1 课题背景及意义 1 绪论 油气田的采油厂由很多口油井组成，能否及时掌握整个采油厂的各个油井采出油品的 数据( 主要有温度、压力、流量等) ，并对它们进行科学的分析、监控，就直接关系到油 气田生产的效率和油气田管理的水平。目前大多数油气田由人工每日定时检查设备运行情 况并测量、统计采油数据。由于油井数量多且分布范围从几十到上百平方公里，而且交通 路况往往十分恶劣，夏季阳光直射下的地表温度可达7 0 度，冬季则达零下4 0 度，自然环 境恶劣，不仅直接造成井口数据采集的困难与数据更新周期的延长，使油区的管理停顿在 较低的水平，生产成本居高不下，而且还要面对日益严重的破坏设备、盗取原油的事件， 这已严重威胁到油气田的正常生产秩序。原有的人工定时巡检、抽查的维护方式已经远远 不能适应维护工作的需要。 随着石油科技的发展，石油工业正在向智能化和信息化过渡，石油的开发生产与信息 技术的紧密结合成为石油工业发展的必然。 本课题研究的油气田井口数据实时检测及远程传输系统主要任务是对井口参数( 油气 体温度、油压、套管压力、流量等) 的实时检测【，采用轮询一应答的通信方式，将检测 到的油气井状态，通过短波超短波方式【2 - 3 j 传送给采油厂的控制室，并实现事故报警功能 和远程控制截止阀开关油气井功能。使生产管理的各个部门能够及时掌握油气井的工作状 态【训，缩短油气井故障处理时间，提高开井时率，增加原油产量，提高工作效率。运用现 代的数据采集及通讯技术，实现油气田生产管理和油井、管线维护监控的信息化，自动化， 已经成为石油企业加强管理、减少停机时间、提高工作效率的首选。 1 2 远程传输系统通信方式及其比较 1 2 1 远程传输系统通信方式 国内外远程数据传输系统有多种不同通信方式【5 】，可以实现高效可靠的数据传输，结 合不同的数据采集装置，完成数据采集、处理、存储以及传输等任务，并可实现系统的远 程控制管理。这些通信方式一般可分为有线( p s t n 、专线等) 、无线( 短波、超短波、微 波) 、g p r s g s m 移动通信网及卫星通信( 海事卫星、v s a t 、全线通、全球通、北斗卫 星) 等通信组网方式。 1 2 2 各种通信方式的比较 1 ) 有线通信方式 有线通信方式是指通过架设光缆、铺设电缆、租用电话或公众电话网( p s t n ) 进行 西安工业大学硕士学位论文 远程终端与控制中心间的数据传输方式。有线通信的开通必须架设电缆，或挖掘电缆沟或 架设架空明线。这种通信方式成本投入大且电缆数量固定，通信容量有限。有线通信方式 是最可靠的通信方式，但在野外铺设极其困难。 2 ) g p r s g s m 移动通信网及卫星通信方式 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 9 0 通用无线分组业务，是一种基于g s m 系统的无 线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线i p 连接。g p r s 是一项高速数据处理技术， 方法是以分组的形式传送资料到用户手上。虽然g p r s 是作为现有g s m 网络向第三代 移动通信演变的过渡技术，但是它在许多方面都具有显著的优势。卫星通信系统由卫星和 地球站两部分组成。卫星在空中起中继站的作用，即把地球站发上来的电磁波放大后再返 送回另一地球站。地球站则是卫星系统与地面公众网的接口，地面用户通过地球站出入卫 星系统形成链路。由于静止卫星在赤道上空3 6 0 0 k m ，它绕地球一周时间恰好与地球自转 一周一致，从地面看上去如同静止不动一般。三颗相距1 2 0 度的卫星就能覆盖整个赤道圆 周。故卫星通信易于实现越洋和洲际通信。最适合卫星通信的频率是1 - 1 0 g h z 频段，即 微波频段。g p r s g s m 移动通信网及卫星通信方式虽然有很广泛的用途【6 j ，但费用昂贵。 而对于某些偏僻地区，没有覆盖移动通信网络，用c d m a g p r s 实现数据远传失去了基 本的条件。 3 ) 短波超短波通信方式 短波超短波电台配上调制解调器，用以实现数据和图象的传输，在野外和某些极端 环境得到了越来越广泛的应用，如极地考察和远洋航天测量船岸通信，在国内外油气田数 据传输中的应用也越来越广泛。 短波通信距离远，不受地形地物的限制。十几年来，随着调频和自适应等新技术的引 入，短波通信系统的性能得到了进一步提高。特别是短波频率自适应技术的发展和应用， 保证了系统总是在最佳的信道上工作，大大地减小了发射功率，节省了能源，改善了电磁 环境。 超短波通信设备是先进的信息交换设备，其传输质量及性价比均高于短波通信方式， 常应用于数据采集和控制现场与分中心的通信【7 1 ，架设和安装都比较简单。 1 3 本课题的主要工作及方案优点 本课题采用短波超短波组网方式实现油气田数据远程采集传输及控制系统，包括传 感器信号的采集处理电路、a d 转换电路、实时时钟电路、野外供电电路、采集数据的存 储模块、u s b 便携存储模块、串口通信等电路的设计及控制程序的编写调试。通过对井口 参数的实时检测，采用轮询一应答的通信方式，将检测到的井口状态，以短波超短波通信 方式传送给几十几百公里外采油厂的控制室。设计开发上位机监控软件，实现数据的接 收存储、显示等功能，当出现危险和紧急情况时进行报警处理，操作人员可以随时在控制 室远程遥控井口控制阀实现开关采油井。使油气田各个部门能够及时掌握油井工作状态， 2 两安工业大学硕+ 学位论文 真正实现了野外无人职守的自动化工作。 油气田井口数据实时检测及短波超短波远程传输网络的特点： 网络结构简单清晰，采用点对点通信方式； 利用短波超短波电台，采用上位机对下位机轮询应答的通信组网模式； 数据的实时性要求高但数据流量较小( 多媒体应用除外) ，测控现场的油压、套 压、温度、流量等参数值都是实时数据； 网内井口数目较多( 几十至上百口油井) ，网络建立庞大。 3 2 基于a t m e g a l 2 8 的远程终端系统设计 本章的研究内容是基于数据采集、数据存储、串口通信等技术，在明确预期要达到的 研究目标的基础上，设计和开发出本系统的远程终端控制部分。本章首先介绍了系统总体 设计之后结合软硬件的设计过程，对整个系统的设计方法和流程进行了详细阐述，强调 了在设计过程中遇到的问题和解决方法。 2 1 系统总体设计方案 该系统包括a t m e g a l 2 8 单片机、6 路传感器和放大调整电路、6 4 k b 外部数据存储器 s r a m 、6 4 k b 外部数据存储器e e p r o m 、实时时钟提供电路、u s b 便携存储模块、流量 计和截止阀、串口与短波超短波电台通信等几个部分。由于油气田所处的特殊地理环境， 本系统采用太阳能电池板和蓄电池供电方案。设计相应的电压转换模块得到系统工作电 压。这里基于a t m e g a l 2 8 单片机的数据采集系统做到了高性能低成本，系统框图如图21 所示。 i 拶 、 图2 1 系统框图 系统采用高性能、低功耗的a t m c g a l 2 8 单片机作为主控芯片。a t m c g a l 2 8 是一个性 能优越的单片机，它的芯片内部集成了较大容量的存储器和丰富强大的硬件接口电路。 a v r 单片机是1 9 9 7 年由a t m e l 公司研发出的增强型内置f l a s h 的精简指令集c p u ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc p u ，r i s c ) 高速8 位单片机。a v r 的单片机广泛应用于军事、 工业、家用电器、智能玩具、便携式智能仪表和机器人制作等领域。使产品功能、精度和 质量大幅度提升，且电路简单，故障率低，可靠性高，成本低廉【“。 a v r 的主要特性： 高可靠性、功能强、高速度、低功耗和低价位： 西安工业大学硕士学位论文 采用精简指令集，以字作为指令长度单位，将内容丰富的操作数与操作码安排在一字 之中，取指令周期短，又可预取指令，实现流水作业，所以可高速执行指令，并以高 可靠性为其后盾； a v r 单片机采用8 位机与1 6 位机折中策略，即采用局部寄存器堆和单体高速输入输 出方案( 即输入捕获寄存器、输出比较匹配寄存器及其相应控制逻辑) 。它提高了指 令执行速度，克服了瓶颈现象，增强了功能，同时减少了对外设管理的开销，相对简 化了硬件结构，降低了成本； a v r 内嵌高质量的f l a s h 程序存储器，擦写方便，支持i s p 和l a p ，便于产品的调试、 开发、生产、更新。内嵌长寿命的e e p r o m 可长期保存关键数据，避免掉电丢失。 片内大容量的r a m 能满足一般的场合使用，同时也更有效地支持使用高级语言开发 系统程序，并可方便地扩展外部涨； a v r 的i o 端口线具有全部带有可设置的上拉电阻、可单独设定i o 、可设定( 初始) 高阻输入、驱动能力强( 可省去功率驱动器件) 等特性，使得i o 端口资源灵活、功 能强大，可充分利用； a v r 片内具备多种独立的时钟分频器，分别供u a r t 、1 2 c 、s p i 使用。其中与8 1 6 位定时器配合的是具有多达1 0 位的预分频器，可通过软件设定分频系数提供多种档 次的定时时间。另有可生成占空比、频率可变、相位可变方波的脉宽调制p w m 的功 能； 增强型的高速同异步串口，具有硬件产生校验码、硬件检测和校验侦错、两级接收 缓冲、波特率自动调整定位( 接收时) 、屏蔽数据帧等功能，提高通信的可靠性，更 便于组成分布式网络和实现多机通信系统的复杂应用。加之a v r 单片机的高速度， 中断服务时间短，故可实现高波特率通信； 面向字节的高速硬件串口为t w l 和s p i 。t w i 与1 2 c 接口兼容，具备a c k 信号硬件 发送与识别、地址识别、总线仲裁等功能； a v r 包括自动上电复位电路、独立的看门狗电路、掉电检测电路，多个复位源( 自动 上下电复位、外部复位、看门狗复位、掉电检测复位) ，可设置启动后的延时运行程 序，增强了嵌入式系统的可靠性； a v r 具有多种省电休眠模式，且可宽电压运行( 2 7 - - 5 v ) ，抗干扰能力强，可降低一 般8 位机中的软件抗干扰设计的工作量和硬件的使用量。 通过将8 位r i s cc p u 与系统内可编程的f l a s h 集成在一个芯片，a t m e g a l 2 8 为许多嵌 入式控制应用提供了灵活而低成本的方案。 2 2 远程终端的基本硬件组成 2 2 1 传感器的应用及连接电路图 传感器广泛应用于各种工业自控环境【9 】，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产 5 西安工业大学硕士学位论文 自控、航空航天、军工、电力、船舶、机床、管道等众多行业。在油气田井1 5 1 数据采集项 目中也需要用到相应的传感器，用来把油气体的压力、温度、流量等模拟量转换为时间连 续、数值连续的电压或电流。 现在的传感器大都采用2 4 v 电源供电，4 , 、一2 0 m a 输出，主要有二线制、三线制、四 线制的连接方式。 二线制连接，如图2 2 所示 图2 2 二线制连接 二线制是2 4 v 电源、4 - 2 0 m a 信号共用这两根线其中2 4 v + 电源线接1 脚，4 2 0 m a 正信号线接2 脚，而2 4 v - 与4 2 0 m a 信号之间接2 5 0 q 采样电阻。 三线制连接，如图2 3 示 号 图2 3 三线制连接 三线制是2 4 v + ，4 2 0 m a 正信号单独各用一根线，2 4 v - 与4 - 2 0 m a 负信号共用一根线。 且4 - 2 0 m a 正信号与4 2 0 m a 负信号间接采样电阻。 四线制连接，如图2 4 示 图2 4 四线制连接 四线制是2 4 v 电源单独使用两根线，4 2 0 m a 信号单独使用两根线。且4 2 0 m a 正信 号与4 2 0 m a 负信号间接采样电阻。 实践证明上述采样电阻必需使用精密电阻( 一般精度为0 1 ) ，通常采用2 5 0 q ；若 仪表内部有可不接。具体选用哪种连接方式，要根据所选传感器的接线方式，在和仪表不 冲突的情况下选线少的连接方式，这样可以节约成本，减轻工作量。 2 2 2 信号的放大和滤波 1 ) 滤波电路 在传感器获得的测量信号中，往往包含有许多与被测量无关的信号，常常利用滤波电 6 西安t 业大学硕+ 学位论文 路进行测量信号的处理，如用于数据传送、抑制干扰等。滤波电路的作用实质上是“选频”， 即允许某一部分频率的信号顺利通过，而使另一部分频率的信号被急剧衰减( 即被滤掉) 。 在油气田井口数据采集过程中，为了滤除高频信号，采用了r c 低通滤波器【删。 2 ) 信号放大电路 在检测系统中，由于实际传感器采集到的模拟信号往往非常微弱，为毫伏量级，一般 要经过放大才能进行观测或驱动后续设备【1 1 - 1 2 1 ，记录及进行a d 转换。把较微弱的信号 放大到与a d 转换器输入电压相匹配，例如，把0 , 一4 0 m v 的信号放大到0 , - 5 v 。 前端放大电路的主要作用是提供足够大的增益，把传感器输出的微弱信号放大到足够 的幅度【”】，并且要有足够大的共模抑制比，排除各种外来的共模干扰。比较成熟的电路 是三运放仪表放大电路，在提供大的共模抑制比的情况下，通过调节外部的一个电阻即可 以灵活地设定增益范围，可以采用通用的运放和精密电阻搭建。其优点是元器件易得，价 格便宜，但是元器件的选择非常重要，必须保证各个元器件的精度，才能提高系统整体的 共模抑制能力。 本系统选用的是a d 6 2 0 仪表放大器，其内部是典型的仪表放大电路。它是高精度仪 器用放大器，它只需要一个外部电阻设置1 1 0 0 0 的增益，a d 6 2 0 尺寸小、功耗低 ( 1 3 m a ) 、精度高、具有优良的d c 性能( 最大输入失调电压1 2 5 u v ，最大输入失调漂 移l u v ，最大输入偏置电流2 0 n a ) ，低噪音、宽供电压范围( 2 3 v 1 8 v ) 。 但在本系统中采用的是输出1 到5 伏信号的传感器，这里采用a d 6 2 0 只是将信号放大了 一倍。 a d 6 2 0 应用时，外部电路虽然很简洁，但是必须注意以下的事项，才能充分发挥芯 片的性能【1 4 1 ： 增益的设定； 噪声的干扰； 输入端电荷泄放通路； 低电压运行； 输入保护。 以a d 6 2 0 为核心的前端小信号放大电路，如图2 5 所示。其中包括传感器的连接电 路，r c 低通滤波电路，a d 6 2 0 信号放大电路，电容滤波电路。 电路设计中遇到的问题及解决方法： 设计电路时电源采用_ 5 v 双电源供电； 接在1 脚和8 脚的可调电阻心设定电路的增益，调整时以放大后的信号不超过a d c 的输入范围为宜。利用精度为o 1 1 的电阻，a d 6 2 0 可以得到高精度的输出。 a d 6 2 0 的放大倍数为( 2 1 ) 式，改变心的值可以得到不同的放大倍数。如果放大倍 数为1 ，即g = i ，意味着电阻，此时尺g 不接悬空。为了得到任意的输出电阻 可以由( 2 2 ) 式计算得出； 7 西安工业大学硕十学位论文 压力 n2 拒 j 1 r i o 腮i l j - r ，i l j i i l -瞄 一 卜 ：i 2 4 v + l o k l l2 c o n 2 u 1 斟 孟b6 ， 犏一 障感嚣l 接口=三n c lb 3 z 口l 0 1 1 l f 1y 黟+ 1 u n 嵋a - 1 2 1 = 兰儿c 3 l o o i u f 寸 1 j l 勉 l 1 0 k 氯 图2 5 信号放大、滤波部分电路图 g ；4 9 4 k q + 1 ( 2 1 ) 疋：4 9 4 k q ( 2 2 ) 。 g 一1 传感器的正负信号从2 、3 脚输入。j 1 r 1 和j 1 c 2 组成输入负信号的r c 低通滤波器； j 1 r 2 和儿c 3 组成输入正信号的r c 低通滤波器； 6 脚是放大后的信号输出。电容j i c 6 是输出信号的滤波电容，一方面尽量降低输出 电压中的脉动成分，另一方面又要尽量保留其中的直流成分，使输出电压接近于理想 的直流电压。电容是主要的滤波元件，由于电容的储能作用，电路导通时存储一部分 能量，然后再逐渐释放出来，从而得到比较平滑的波形。而通常情况下，电容放电的 时间常数f = r l c 愈大，放电过程愈慢，则输出电压愈高，同时脉动成分也愈少，即 滤波效果愈好。如图2 6 所示，当尺，c 一( 可以认为负载开路) 时，输出电压的平 均值u o ，。矿、一4 - 2 v ，脉动系数s = 0 。为此，应选择大容量的电容作为滤波电容，其中“。 为电容 选择的 采集数 室显示 达到系 则不可 过实际 很好的 全满足实际系统需求。 图2 6r l c 变化对电容滤波电路“。的影晌图 8 西安工业大学硕士学位论文 2 2 3 a i ) 转换模块及程序设计 1 ) a d 转换电路 a d 转换的任务就是将模拟信号转换为数字信号，其方框图如图2 7 所示。输入圪( t ) 为时间上连续变化的模拟量，输出为n 位二进制数，图中圪盯为基准电压。 当应用中需要用到a d 转换器时，首先需 ， 要确定a d 转换精度、输入电压范围以及是否需 l 鬻一a t m a d c ，篙裟叫一 有一个1 0 位的逐次逼近型 ，通过对模拟量2 一 激i 喇 和逐次逼近的基准电压的不断比较，从高位到 r “ 地位逐位产生对应的数字代码，最后得到比较一 准确的结果。图2 7a d 转换框图 a t m e g a l 2 8 单片机的a d c 具有1 0 位精度，最高分辨率时采样率高达1 5 k b i t s ，1 3 2 6 0 l _ t s 的转换时间，可以灵活地选择基准源( 可选的0 v c c 的a d c 输入电压范围，2 5 6 v a d c 参考电压或其他外接参考电压) ，连续转换或单次转换模式，基于睡眠模式的噪声 抑制器。本系统采用5 v 参考电压，也就是说对此l o 位a d 转换器，最小的分辨电压是 5 y 2 1 0 0 0 0 5 v 。由于a t m e g a l 2 8 单片机的供电电压一般为2 7 5 5 v ，因此要想最大 限度地提高输入电压的动态范围，最好先通过前级的放大器，将输入电压值放大到最大值 不超过这个电压范围之内。本系统设计的由a t m e g a l 2 8 单片机组成的a d 转换电路如图 2 8 所示。 v 图2 8 基于a t m e g a l 2 8 单片机的a d 转换电路图 输入电压信号被运算放大器放大后，连接到单片机的a d 输入端。输入电压信号地 a g n d 和单片机电源地g n d 通过一个0q 电阻连接。由于选择v c c 做a d 转换器的参 考电压源，则在a r e f 脚接上一个0 1uf 的电容会提高电源的稳定性。如果需要外部参 考电压源，可以将外部参考电压源接到单片机a r e f 引脚。a v c c 引脚通过一个低通滤 波器和电源v c c 连接，a g n d 引脚则要与输入电压信号地连接。在p c b 板布线时，输 9 西安工业大学硕士学位论文 入的电压信号应该从信号地中走线。也就是说，信号周围应该铺地( 信号地) ，这样有利 于消除噪声对信号的影响。此a d 转换模块应用在本系统上，在满足要求的前提下，也 在功耗和电路板面积方面达到了最优化。利用内部的a d c 把经过放大调整后的模拟信号 先转化成数字量，然后通过串口，借助短波超短波传送到控制室的上位机。 a t m e g a l 2 8 单片机的a d c 与一个8 通道的模拟多路复用器连接，能对来自端1 2 1a 的8 路单端输入电压进行采样。单端电压输入以0 v ( g n d ) 为基准。器件还支持1 6 路差分 电压输入组合。两路差分输a ( a d c l 、a d c 0 与a d c 3 、a d c 2 ) 有可编程增益级，在a d 转换前给差分输入电压提供0 d b ( i x ) 、2 0 d b ( 1 0 x ) 或4 6 d b ( 2 0 0 x ) 的放大级。七路差分模拟输 入通道共享一个通用负端( a d c l ) ，而其他任何a d c 输入可作为正输入端。如果使用l x 或1 0 x 增益，可得到8 位分辨率。如果使用2 0 0 x 增益，可得到7 位分辨率。 此a d c 包括一个采样保持电路，以确保在转换过程中输入到a d c 的电压保持恒定。 a d c 由a v c c 引脚单独提供电源。a v c c 与v c c 之间的偏差不能超过士0 3 v 。标称值为 2 5 6 v 的基准电压，以及a v c c ，都位于器件之内。基准电压可以通过在a r e f 引脚上加 一个电容进行解耦，以更好地抑制噪声。 2 ) a d 转换程序设计( 开始 ) a a d 转换程序【_ 0 j 本系统设计单片机的a d 转换是否开始 由上位机控制，当接收到上位机的数据采集 命令后启动a d 转换。转换完成后把转换结 果寄存到存储区并通过串口经由电台发送到 上位机，由上位机进行显示和处理。 对于a d 转换部分设计，单片机上电后， 首先是一段初始化的程序，初始化串行口、 定时器和a d c 。主要包括串行口波特率、数 据格式、使能发送和接收、使能接收中断点、 定时器预分频、a d c 基准源选择等设置。因 为上位机发送命令给单片机会引起接收完成 中断，在接收完成中断服务程序里，判断收到 的是否是特定的启动数据采集指令，如果是就 启动定时器。在定时器溢出中断l - - 3 秒定时 采集转换6 路模拟信号，实时地把转换得到的 采集数据通过串口发送给上位机，同时存储到 数据存储区中，并判断是否6 路数据采集转换 完成，如果转换完成则等待下次启动采集命令。 程序流程见图2 9 所示。 l o 初始化定时器o 二二工二二 初始化a i ) c 二二 等待串1 2 1 中断 f 飞、迥翌采集指全多广 启动定时器oi 等待定时器o 溢出中断 + 否 _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ , 宕f c a a d c 兰工 a d c 转换 完成中断 童 发送数据 并存储 图2 9a d 转换程序流程图 两安工业大学硕士学位论文 b 定时器初始化 采用单片机进行数字信号处理，一种有效而准确的数据采集方式就是通过定时器中断 服务程序来控制a d 对输入信号进行精确采样【1 6 】。定时器的初始化包括预分频的设置， 溢出中断使能等。代码如下： v o i dt i m e r 0 _ i n i t ( v o i d ) t c c r o i = ( 0 f o c 0 ) i ( 0 w g m 0 0 ) i ( 0 c o m 0 1 ) i ( 0 c o m 0 0 ) i ( 0 w g m 0 1 ) i ( 1 c s 0 2 ) l ( 1 c s 0 1 ) l ( 1 c s o o ) ； 掌波形产生模式，定时器0 开始，预分频1 0 2 4 t i m s k i = ( 0 o c i e 2 ) i ( 0 t o i e 2 ) i ( 0 t i c e l ) i ( 0 o c i e i a ) ( 0 o c l e l b ) i ( 0 t o i e l ) i ( 0 o c i e 0 ) i ( 1 a t m e g a l 2 8 单片机的定时器的时钟是可以选择的，它的时钟部分包括预分频器和一 个多路选择器。预分频器可被认为是一个有多级输出的分频器。预分频是指时钟是由晶振 分频得到的，除预分频数可以是1 、8 、6 4 、2 5 6 、1 0 2 4 。本设计使用的是预分频数为1 0 2 4 ， 则每8 个晶振时钟周期后，t c n t 0 值加1 。这种情况下使用系统时钟作为预分频的输入， 尽管可以进一步选择分频比例，不过分频得到的时钟还是与系统时钟同步的。使用系统时 钟的好处是不需要外部电路。不过，系统时钟的频率一般比较高，所以这种情况下一般只 能实现比较短的时帧( 时间跨度) 。 t c c r 0 控制寄存器中的w g m 0 0 、w g m 0 1 位控制定时器的计数序列，定时器最大值 t o p 的来源，以及使用何种波形。t c 支持的模式有：普通模式，比较匹配发生时清除定 时器模式，以及两种p w m 模式。设计时选用的时普通模式，见表2 1 。 表2 1 t c 普通模式表 t c c r 0 控制寄存器中的c s 0 2 、c s 0 1 和c s 0 0 位用来选择t c 的时钟源并确定预分 频比，见表2 2 。 定时器的溢出频率能够很好地表示定时器可以覆盖的时间跨度。式( 2 3 ) 给出一个 表示定时器溢出频率加，最大计数值阳z 一，和系统时钟c k 以及分频比关系的方 程： tov。坠。(!墨f!：生c,。 一阳k阳k圪，v a t _ , ( 2 3 ) 本系统中工作频率是岛矿= 1 1 0 5 9 2 6 m h z ，定时器0 的分辨率是8 ( z 螂一2 5 5 ) ， 西安1 = 业大学硕士学位论文 预分频比为1 0 2 4 ，可以计算出每秒有多少次中断： z d 作。：血：o1 0 5 9 2 6 0 0 m h z 1 0 2 4 ) 4 2 次 “v a l m i x 2 5 5 ( 24 ) 每秒大约4 2 次中断，也就是说大约2 4 m s 中断一次，即1 秒钟执行4 2 次定时器中断。 通过这个值就可以精确设定a d 转换的时间间隔。 表2 2t c 时钟选择位定义表 c s 0 1c s 0 0 说明 000无时钟，t c 不工作 001 c 比啷( 没有预分频) 010 c 如琊8 ( 来自预分频器) 011 c 次卿3 2 ( 来自预分频器) 100 c 肷螂6 4 ( 来自预分频器) 101 c 次麟1 2 8 ( 来自预分频器) 11 0 c 肫删2 5 6 ( 来自预分频器) 1 11 c 次螂1 0 2 4 ( 来自预分频器) c a d 初始化 a d c 的参考电压源( ) 反映了a d c 的转换范围。若单端通道电平超过了v r e f ， 其结果将接近0 x 3 f f 。可以是a v c c 、内部2 5 6 v 基准或外接于a r e f 引脚的电压。 根据实际采用的压力传感器、温度传感器、流量传感器等采集到的模拟信号电压范围，确 定系统的a d c 参考电压为5 v ，所以选择v c c 基准源。 v o i da d _ i n i t ( v o i d ) a d m u x = ( 0 r e f s l ) i ( i r e f s 0 ) i ( 0 a d l a r ) i ( 0 m u x 4 ) i ( 0 m u x 3 ) i ( 1 m u x 2 ) i ( i m u x l ) i ( 1 m u x 0 ) ； 宰选择选择v c c 基准源、a r e f 引脚外加滤波电容，模拟输入通道选择7 ， a d c 转换结果右对齐木 a d c s r a = ( i a d e n ) i ( i a d s c ) i ( 0 a d f r ) i ( 0 a d i f ) i ( i a d i e ) i ( i a d p s 2 ) i ( i a d p s l ) i ( i a d p s 0 ) ； 幸a d c 转换使能，预分频为1 2 8 ，使能a d c 完成中断木 ) 函数a d i n i t ( ) 为a d 的初始化程序，该程序在单片机上电复位时执行，a d c 在使用 前也必须进行初始化，主要包括基准源选择，输入通道和a d c 时钟的选择，转换结果的 对齐方式，以及是否需要使能转换完成中断。在本程序中，设置的基准源为为v c c - - 5 0 v ，输入通道选择7 ，转换结果为右对齐，a d c 使能为系统时钟的1 2 8 分频，并且 1 2 西安工业大学硕士学位论文 使能a d c 完成中断。 d d 转换结果计算 转换结束后，转换结果被存入a d c 结果寄存器( a d c l 、a d c h ) 单端输入的转换 结果如下： 彳d c ；v a t d 0 2 4 y r e f ( 2 5 ) 即 = 等争 ( 2 6 ) 式中，为被选中引脚的输入电压；为参考电压。当转换结果值为a d c l = 0 x c 4 、 a d c h = 0 x 0 3 时，即二进制数为：0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 ，按照转换右对齐方式，取1 0 精度 有效数字，则为：1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 ，即十进制数9 6 4 。根据式( 2 6 ) 得： = 筹一 ( 2 7 ) 为实际的a d c 转换后的结果，再根据相关计算公式，就可以计算出油气体的温度、 压力、流量等参数的实际值。 e d 转换后的数据处理 a d 转换完成后，一般要对转换后的数字信号进行处理。例如采用软件滤波器滤除噪 声，从而提高输出信噪比。软件滤波算法的采用，无疑会在简化电路结构的同时，使系统 的硬件资源得到更加充分的利用，并满足降低成本的要求。常用的单片机滤波算法包括中 值滤波、均值滤波、滑动平均滤波以及符合滤波算法等，不过，要想在单片机上实现软件