油井压力、数据采集系统的设计及其实用方法

1、.PAGE ：.；Linux设备驱动程序实现的功能包括驱动程序的注册与注销、设备的翻开与释放、设备的读写操作、设备的控制操作等。当用户需求经过设备文件与硬件通讯时，必需经过调用open、read、write、close、ioctl等系统函数实现，这些函数都由file_operations构造体的函数指针成员给出入口地址，file_operations构造体的每一个成员名都对应一个系统函数嗍。用户进程利用系统调用在对设备文件进展诸如read、write操作时，系统调用经过设备文件的主设备号找到相应的设备驱动程序，然后读取该数据构造相应的函数指针，接着把控制权交给该函数。因此，编写设备驱动程序就是

2、编写file_operations数据构造的各个函数指针对应的各个函数，随着Linux设备驱动程序的复杂程度越来越高，file operations构造体的成员数越来越多，但并不是每种设备的驱动程序都需求利用file_operations中的全部功能，大多数驱动程序只是利用其中一部分，对于驱动程序中无需提供的功能，只需将相应位的数值设为NULL。本系统将 HYPERLINK ic/ex/t.php?cid=&xh=ADS o 位 kSPS ADC，具有并行输出、 x FIFO 和 个通道 t _blank ADS作为字符型设备设计驱动程序，对于字符设备来说，file_operations构造体

3、中要提供的主要入口有：翻开设备文件open()、释放设备文件release()、读取AD转换的数据read()、启动AD转换和选取AD转换的读数通道号write()、AD转换参数快速设置ioctl()。 结合ADS与SclO的接口电路，设计驱动程序时，采用中断方式或者查询方式读取转换数据。采用查询方式在驱动程序中需将通用输入输出引脚GPF设置成输入方式，在运用程序中反复查询GPF的输入形状，当查询到低电平常阐明AD转换器完成一次转换，此时可调用驱动程序中的read()函数读取转换结果；采用中断方式需在驱动程序中将GPF设置中断方式，将中断触发方式设置下降沿触发，ADS产生的EOC信号触发Lin

4、ux系统的外中断EINT，运用程序只需翻开ADS所对应的设备文件，并采用write()函数启动相应通道开场转换，然后由驱动程序中的中断效力函数将数据存放到一个全局变量中，运用程序经过read()函数读取数据，因此，利用中断方式采集数据速度更高、读数控制更简单。图为采用中断方式的程序流程。 测试结果 该系统已运用于某油田的井口多参数采集安装，前端分别接压力、流量、流速、温度等传感器，用来丈量采油井井口的多种参数。经测试，该系统与传统的基于单片机的多参数丈量安装相比，具有界面美观，易操作，精度高，可方便利用存储卡或U盘存储重要设置参数、系统运转形状的数据和丈量数据，便于运用者管理和维修等优点。表为

5、该系统设计所丈量值与实践值的对比情况。 从表看出，该系统的丈量误差很小，其中所丈量的多个电压点，相对误差都小于O，这样的精度可满足数据采集运用需求。 终了语 本文提出的基于嵌入式Linux技术的便携式数据采集系统，与传统的单片机或DSP技术实现的数据采集系统相比较，具有功耗低、体积小、用户操作界面友好、采集精度高、便于扩展晋级等优点。ARM的片上资源丰富，Linux操作系统的功能强大，该系统经过外接不同传感器可实现多种参数采集，利用系统的丰富GPIO接口编程设计多个外部设备控制动作，完成多通道PWM输出。该系统在石油钻采、工厂自动化等领域具着广泛的运用前景。 目 录 TOC o - h z u

6、 HYPERLINK l _Toc 前言 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc 井下压力、流速数据采集系统概述 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 设计目的 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 设计描画 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc 硬件系统设计 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc .信号电路板设计 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 压力传感器 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc .

7、压力传感器的定义 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc .压力传感器原理 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 磁电式转速传感器 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc .信号调理电路 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc .压力信号调理电路 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 流速信号调理电路 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 仪表放大器 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 仪表放大器的概念

8、 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc .主机板电路设计 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 通讯电路板设计 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc 软件设计 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc .压力数据采集子程序 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . 流速数据采集子程序 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc .串行口设置和串行中断效力子程序 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc . IDL方式，延时等

9、待子程序 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc 调试过程 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc 软件调试 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc 仿真调试 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc 结论 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc 附录 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc 什么是压力传感器以及其分类 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc 什么是磁电式传感器 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l

10、 _Toc 仪表放大器及运用 PAGEREF _Toc h HYPERLINK l _Toc 参考文献 PAGEREF _Toc h 油井压力、流速数据采集系统前言目前, 我国油井测试仍以手工测试为主, 半自动为辅。在测试过程中, 由于外界干扰及人为要素呵斥的测试稳定性和准确性较差等问题较为突出。因此, 迫切需求研讨具有高效、高性能的测试方法和测试设备。计算机功能强大, 可以协助 他们处理这一难题, 但由于计算机过于笨重, 携带不方便, 对现场工况条件要求较高, 抗干扰才干较差, 通常无法胜任于条件较为恶劣的环境。因此, 他们思索用单片机去完成。目前, 单片机以其集成度高、运算速度快、体积小、

11、运转可靠、价钱低廉等优点, 在过程控制、数据采集、机电一体化方面得到了广泛运用。在石油开采过程中，需求确切地了解油井内部的原油压力和流速，这对于有效地提高油井的产量有非常重要的意义。本系统可以随油井钻头深化井下，实地采集并存储第一手的压力和流速数据。前往地面后，把数据送入计算机内，为分析油井情况提供准确的原始资料基于上述条件, 他们设计出一种用于井下压力、流量数据采集系统, 可以方便地到油田现场采集数据。 井下压力、流速数据采集系统概述. 设计目的本系统运用C作为控制芯片，对压力及流速传感器的信号进展采集，并把采集到的数据存放在数据存储器中。系统可以任务在标定和实践丈量两种任务形状下。标定形状

12、是为了修正系统误差而在丈量前进展一组规范压力和流量数据的丈量。具有可与通用计算机衔接的串行通讯接口。在等待形状时，系统任务在低功耗方式。系统具有任务形状显示系统，可以显示标定、丈量、通讯、等待等不同的任务形状。. 设计描画为获得特定油井深度下的原油压力及流速数据，本系统的任务时序必需与钻头进入油井的时间和所到达的深度相符合。在转头进入油井后确实定时间内，系统处于等待形状；当钻头到达预定的深度以后，系统自动开启并开场采集第一次数据；随后进入等待形状，等待下一次的数据采集。这样的采集进展六次，随后系统便停顿任务，处于低功耗形状；系统框图如下复位电路串行通讯接口压力传感器流量传感器参考电源 外部数据

13、存储器主控单元C晶振V-F变换器仪表放大器模拟电源脉冲整形、放大形状指示图- 系统框图待重新回到地面后，再与计算机衔接，把采集到的数据输入计算机进展进一步的处置。由于系统在任务前可以进展标定，所以处置后的数据能比较准确地反映油井内原油的压力和流速的真实情况。由于系统处于地下高温的任务环境中，对于一切芯片的温度要求比较苛刻；再者受钻头尺寸大小的限制，需求整个系统小型化；系一致次任务时间能够长达八小时，仅靠小型电池供电；所以要求整个系统的功耗极低。选用C芯片，它的丰富的I/O功能满足了系统的要求。其特有的低功耗任务方式用于系统的等待形状可以极大地降低功耗。硬件系统设计.信号电路板设计信号电路板由压

14、力传感器和流量传感器组成。. 压力传感器.压力传感器的定义传感器是可以感受规定的被丈量并按照一定的转换规律转换成可用的输出信号的器件或安装压力传感器是以压力为被丈量，进而转换为电信号的安装，它具有广泛的用途。.压力传感器原理电阻应变式传感器是基于这样一个原理：弹性体弹性元件，敏感梁在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他外表的电阻应变片转换元件也伴随产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化增大或减小，再经相应的丈量电路把这一电阻变化转换为电信号电压或电流，从而完成了将外力变换为电信号的过程。 由此可见，电阻应变片、弹性体和检测电路是电阻应变式称重传感器中不可短少的几个主要部分。图- 压力传感

15、器. 磁电式转速传感器磁电式转速传感器, 又称变磁阻式转速传感器以下简称传感器它和测速发电机都属于感应式转速变换器, 都是利用法拉弟电磁感应原理将机械转速量转换成电量的能量转换型检测器。传感器的根本构造如图-所示。它主要由两部分组成。由磁铁、感应线圈以下简称线圈和用软铁制成的极靴又称极掌构成固定部分。这里的磁铁可以是永久磁铁, 也可以是套在软铁上并通以直流电流的线圈一一电磁铁。传感齿轮是可动部分。它是用铁磁资料制成的, 可随被测轴转动, 又称为感应齿轮或脉冲齿轮以下简称齿轮。传感器的可动部分还可以制成叶轮、槽轮或凸轮等外形, 常以制成齿轮外形为多。将线圈套在磁铁或极靴上, 极靴对准齿轮轮齿并与

16、其相隔一定任务问隙就构成一个最根本的传感器。当使传感器任务时, 齿轮由被测轴带动旋转。其齿顶和齿谷交替经过极靴。由于极靴与轮齿间空气间隙的交替变化引起磁场中磁路磁阻Rm的改动, 使经过线圈的磁通也交替变化, 从而线圈两端就产生电势。齿轮每转过一个齿, 电势正好阅历一个周期T。假设齿轮齿数为Z, 转动数度为ns/min, 那么 T=/Zn(s) (-)电势频率为 f=Zn/(Hz) (-) 可见传感器的电势频率与被测转速成正比, 故人们可以用电子计数器经过丈量信号频率来确定被测转速。 图-磁电式转速传感器.信号调理电路信号电路板原理图如图-所示。它经过插座W与压力传感器相连，经过插座W与流速传感

17、器相连。其中包含压力信号调理电路流速信号调理电路、流速信号调理电路和模拟电源控制电路。模拟电源控制电路：为了降低整个系统的功耗，模拟电路的电源仅在采集信号和流速信号时才开通，而在其他时间是封锁的。电源开关由三极管P担当其基极由单片机的P.口线控制.压力信号调理电路这里包含稳电源、仪表放大器、负电压发生电路及VF变换电路。 稳电源电路是为压力传感器桥路提供恒压源。由稳压管Z(LM),电阻R及运放U组成。运放U:B(LM)的作用是加强驱动才干。 负电压发生电路主要产生一个V的电压，为仪表放大器U(INA)提供负电源。电路由U和电容C、C组成。 仪表放大器UINA可将压力传感器桥路输出毫伏mV级电压

18、放大，以顺应VF变换器U(AD)的需求。电阻R是调理仪表放大器的放大倍数用的。 VF变换电路：由VF变换U(AD)/、输入电阻R、R及电容C组成。输入信号的范围为V，频率输出范围在kHz。频率输出信号输入单片机的T端，用定时器/计数器 T 来记录脉冲数，以与传感器感受的压力成比例关系。 . 流速信号调理电路由磁电式转速传感器输出的慢变信号经电容C隔直之后，先由运放U:A放大，然后经运放U:D、U:D和相关的电阻及电容整形输出到单片机的T端，用定时器/计数器 来记录脉冲数，以与传感器数成比例关系。. 仪表放大器. 仪表放大器的概念仪表放大器是一种具有差分输入和相对参考端单端输出的闭环增益组件，具

19、有差分输出和相对参考端的单端输出，随着电子技术的飞速开展，仪表放大器也得到广泛的运用。图-信号电路板原理图.主机板电路设计其中包含单片机CU、扩展外部数据存储器U、任务形状指示单元、复位电路及晶振等。为了降低功耗，晶振的频率选的很低，为了通讯波的计算，晶振频率选为. MHz。片外数据存储器为KB的随机存储器，用于存放采集的数据。 (图- 主机板电路原理图. 通讯电路板设计通讯接口板电路的原理图如下图。当系统从井下采集完数据回到地面或进展标定实验时，该板用插座W与主机板上的W衔接。当系统进展标定时，按下按钮S，接通系统电源，系统将开场运转标定程序；假设不压下按钮S接通电源，系统将开场运转任务程序

20、。在系统采集完标定数据或井下数据与PC机通讯时，此时系统处于休眠形状。按下按钮S唤醒单片机，从而开场数据传送任务。 图- 通讯接口板电路的原理图软件设计主程序的流程见图可以看出，整个程序分为数据采集和流速标定程序两部分；假设为，那么转入流速标定程序。数据采集程序从数据采集的流程看，程序的执行可以分为个阶段：等待数据采集、数据采集、采集终了等待前往及数据回放。在等待数据采集阶段，系统处于低功耗的等待形状，主要是等待油井钻头深化地下，到达预定部位后再开场采集数据。计时采用定时器T,IDE方式等待中断，时间约为个小时。时间到达个小时后，系统进入数据采集阶段。本阶段共采集组数据，每组数据约需min。完

21、成组数据采集后，系统进入采集终了等待前往阶段，等待钻头前往地面。到达地面后，即可将系统与主机相衔接。按下S键，系统首先处于等待串行口中断，等待主机将数据回收、存盘。至此就完成一次数据采集义务。流速标定程序整个标定程序主要是，为了修正系统误差而测定的一组规范压力和流速数据，据此计算出实践传感器的压力和流速系数，作为最后数据处置的根据。整个标定程序又分压力标定程序和流速标定程序两部分，标定的过程与数据采集的过程类似，只是起始的等待时间缩短为min，每组数据的采集间隔为min。.压力数据采集子程序设定定时器T为定时方式，定时时间为 ms。晶振为. MHz时，定时时间常数为EH。同时设定定时器T为计数

22、方式，所计压力脉冲写入片外RAM中。YALI: MOV TMOD,#H ;T为定时方式，T为计数方式MOV TL,#H ;清计数器MOV TH,#HMOV TL,#H ;时间常数为EH(. MHz)MOV TH,#EH ORL IP,#H ;定时器T中断具有最高优先权开场初始化置P.为输入口关模拟电源等待个小时置组计数器为开模拟电源关模拟电源延时min置组数计数器为延时min置组数计数器为开模拟电源开模拟电源P.-=?P.=?延时 ms测压力次延时ms延时ms 延时半个小时测压力次延时ms关模拟电源测流速次关模拟电源初始化串行口允许串行口中断开中断IDE方式等待串行口中断IDE方式等待中断组数

23、-=？组数-=？组数-=？中断否？中断否？延时ms测速次测流速次延时ms关模拟电源允许外部中断开中断图- 主程序流程图SETB TR ;启动计数器SETB TR ;启动定时器SETB ET ;开定时中断SETB EA ;开CPU中断ORL PCON,#H ;IDL方式等待定时中断CLR TR ;封锁计数器CLR ET ;关定时器CLR EA ;关中断MOV A,TH ;存压力脉冲值，高位在前MOVX DPTR,AINC DPTRMOV A,TLMOVX DPTR,AINC DPTRMOV A,TLMOVX DPTR,AINC DPTRRET. 流速数据采集子程序设定为定时器，定时时间为ms/次

24、，采集时间为S=ms/次*次；设定T为计数方式，所计流量脉冲写入片外RAM中LIU: MOV TMOD,#H ;T为定时方式，T为计数方式MOV TMOD,#H ;反复设定一次MOV TL,#H MOV THI,#H ;清计数器MOV TL,#H ;定时时间为msMOV TH,#H ;时间常数为H. MHzORL IP,#H ;定时器T中断具有最高优先权SETB TR ;启动计数器TSETB TR ;启动定时器TMOV R,# ;延时s=ms/次*次LIUI: SETB ET ;开定时中断SETB EA ;开CPU中断ORL PCON,#H ;IDL方式等待定时中断DJNZ R,LIUI CL

25、R TR ;封锁计数器TCLR TR ;封锁定时器TMOV A,TH ;存流量脉冲值，高位在前MOVX DPTR,AINC DPTRMOV A,TLMOVX DPTR,AINC DPTRRET.串行口设置和串行中断效力子程序串行口设置SM(SCON.)=，SMSCON。=.位，波特率可变，SMSCON.=，REN= 允许串行接纳MOV SCON,#DHSETB P. ;置P.口为输入形状CLR RI ;清串行中断标志CLR ET ;制止定时器T中断SETB TR ;启动比特率发生器ORL IP,#H ;串行通讯中断具有最高优先权SETB ES ;开串行通讯中断SETB EA ;开CPU中断CL

26、R P. ;红灯亮，等待接纳PC机的信号ORL PCON,#H ;IDL等待串行中断CLR TR ;关波特率发生器CLR ES ;关串行中断CLR EA ;关CPU中断;SPINTI: AJIMP SPINT ;串行中断效力子程序;SPINT: CLR RICLR RS ;指向体存放器SETB RSCLR IE.SPLP: MOV R,#H ;接纳PC机的同步信号MOV A,SBUFSPLP: CJNE A,#H,SPRET ;接纳个HACALL SPINDJNZ SPINCJNE A,#H,SPRET ;接纳个HACALL SPINCJZE A,#H,SPLP ;假设PC机发来H，表示发出

27、; 个数据区首地址MOV DPTR,#MOV R,#HSPLP: MOV R,#SPLP: ACALL SPINMOVX DPTR,AINC DPTRDJNZ R,SPLPCPL P. ;每接纳个字节，红灯闪一次DJNZ R,SPLP AJMP SPRET;SPLP: CJNE A,#H,SPTRET ;假设PC机发来H ;表示将由单片机发送形状MOV R,#FFHSPL: CLR RENCLR P.SETB P.DJNZ R,SPLPMOV R,# ;使发送处于空闲形状MOV A,#FFHSPLP: ACALL SPOUTDJNZ R,SPLPMOV R,# ;向PC机发送同步信号MOV A

28、,# ;发送个HSPLP: ACALL SPOUTMOV R,SPLPMOV A,# ;发送一个HACALL SPOUTMOV DPTR,# ;指向数;据区首地址MOV R,#H ;发送个数据SPLP: MOV R,# SPLP: MOVX A,DPTRACALL SPOUTINC DPTRDJNZ R,SPLPCPL P. ;每发送个字节 ;红灯闪一次DJNZ R,SPLPSTRET: CLR RS ;恢复体存放器CPL RSRETI ;串行中断前往ORG HSPIN: JNB RI,$ ;串行接纳子程序CLP RIMOV A,SBUFMOV C,PJNC SPINLJB RB,SPINRC

29、LR CSJMP SPINRSPINL:JB RB,SPINRSPINE: SETB CSPINL: RET SPOUT: MOV C,P ;串行发送子程序CPL CMOV TB,CMOV SBUF,AJNB TI,$CLR TIMOV R,#HSPOUT:NOPDJNZ R,SPOUTRET. IDL方式，延时等待子程序IDL方式，定时器T定时中断，每ms一次，晶振为. MHz时，定时时间常数为H 。 IDLT: MOV TMOD,#H ;T为定时方式MOV TL,#H ;定时时间常数为 ;HMOV TH,#H ORL IP,#H ;定时器T中断 ;具有最高优先权SETB TR ;启动定时器

30、SETB ET ;开定时器T中断SETB EA ;开CPU中断ORL PCON,#H ;IDL方式等待定时中断RETORG HMOV TL,#H ;T中断效力子程序MOV TH,#H ;定时时间常数为HCLR ETCLR EARETI调试过程 软件调试上电时对系统中进展检测是单片机程序中的一个良好设计，在硬件设计时也应该细细思索将各个运用到的芯片、接口设计成容易运用软件进展测试的方式。检测内容包括：检测RAM中的单元检测单片机与RAM之间的地址数据总线。总线即没有相互短路，也没有衔接到“地上。仿真调试单片机硬件仿真给单片机开发者带来了极大的方便，在硬件仿真之前，必需做好下面的任务：程序编完后，

31、对代码仔细逐行检查，检查代码的错误，检查代码能否符合编程规范。对各个子程序进展测试。假设代码有修正，再次对代码进展检查 结论目前，随着我国石油耗费量的继续增长，石油开采设备也得到了快速开展，需求一种可以在井下采集压力信号和流速信号采集的系统 。本文采用SCC“ISO，磁电式转速传感器以及单片机技术等实现了井下压力、流速数据采集系统的设计。方案在实际上是可行的，并且适用广泛，本钱较低。该系统根本可以实现对压力信号、流量信号的采集并进一步处置，从而由单片机分析出井下压力数据和流量数据。为石油开采提供了珍贵的数据。本系统还存在一些缺乏之处。一是编程复杂，本人还不够熟练。在另一方面由于没有在实践中进展

32、测试，所以需求进一步研讨与实际。附录什么是压力传感器以及其分类压力传感器是工业实际中最为常用的一种传感器，而他们通常运用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也称为压电传感器。 压力传感器有好多种,主要有: )利用晶体的压电效应的效应的压力传感器 )利压力传感器是工业实际中最为常用的一种传感器，而他们通常运用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也称为压电传感器。 在如今压力效应也运用在多晶体上，比如如今的压力陶瓷，包括钛酸钡压力陶瓷、PZT、铌酸盐系压力陶瓷、铌镁酸铅压力陶瓷等等。 压力效应是压力传感器的主要任务原理，压力传感器不能用于静态丈量，由于经过外力作用后的电荷，只需在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保管。实践的情况不是这样的，所以这决议了压力传感器只可以丈量动态的应力。 什么是磁电式传感器磁电式传感器简称感应式传感器，也称电动式传感器。它把被测物理量的变化转变为感应电动势，是一种机-电能量变换型传感器，不需求外部供电电源，电路简单，性能稳定，输出阻抗小，又具有一定的频率呼应范围(普通为Hz)，适用于振动、转速、扭矩等丈量。按任务原理