一种基于MSP430 F6723的无线一体化示功仪设计方案

刘星¹关建聪²卫乾³朱润平⁴

（1,2,3,4北京中油瑞飞信息技术有限责任公司，北京昌平，102200）

摘要：本文介绍一种基于无线zigbee技术和加速度传感器技术的低成本、低功耗的无线一体化示功仪实现方案。该方案设计充分利用硬件资源特点，实现了功图的正常采集及无线传输，具备低成本、低功耗的特点。通过模拟信号发生器对真实油井数据的模拟，验证了方案的可行，可广泛应用在常规性游梁式抽油机井口。

关键词：示功仪；无线；低功耗

0 引言

数字化油田的建设需要自下而上所有流程和数据的信息化，而感知层所采集的数据则是数字化油田建设最重要的信息。通过示功图可以判断抽油机的生产工况，其中载荷传感器记录抽油机光杆周期性上下运动时不同位移处所承受的负荷，角位移传感器记录实时的位移。通过测取的光杆悬点载荷拉力和悬点相对于井口的位移，在一个冲次中，测取几十至几百个数据点，由一个完整冲次的载荷和位移数据绘制出的封闭坐标曲线称为示功图。通过分析示功图可以监视抽油机的工作状况。传统的功图测试仪式需要通过拉线的方式测量位移数据，且需要人工定期去井口测试，存在测试时间周期长，劳动强度大的缺点，无法实现长期连续监测。

目前无线通讯方式由于简单易行、成本低、功耗低等特点，开始被引入到各种工控领域的仪表应用中。无线通讯技术主要有Wi-Fi、Zigbee、RFID、UWB、NFC等等。其中RFID、NFC一版用于电子标签场合，Wi-Fi功耗高，不适合于工控领域。Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术，其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee就是一种便宜的、低功耗的近距离无线组网通讯技术。ZigBee协议是一种低速短距离传输的无线网络协议。因此，本文提出的一种新型的一体化无线示功仪采用zigbee无线技术。

本文在以前研究的基础上，设计了一种采用MSP430 6723为主芯片的载荷、位移一体化示功仪。通过加速度传感器和载荷传感器分别提取光杆的实时加速度和实时载荷，通过zigbee无线网络将数据传输到井场RTU(Remote Terminal Unit 远程终端单元)控制器。

1无线一体化示功仪的硬件设计方案

提出一种基于MSP430 6723芯片为控制核心的通用产品，包含以下模块：单片机模块、电源模块、ADC采集模块、无线通讯模块、存储模块等，如图1所示：

其中各个模块之间对应不同的功能和作用，各司其职，互相配合，完成指定的功能。各个模块的主要作用如表1所示：

表1 各模块的作用

图1 硬件模块框图

1.1  单片机模块

本设计采用TI公司的MSP430F6723，此芯片具有低功耗、高性能的特点。此外此芯片片内集成了24的差分AD，可直接使用片内的AD模块进行数据采集，降低了产品成本。同时该芯片工作温度范围是工业级的由-40℃到80℃。同时计划采用模块化设计，利于后续的升级。

1.2  电源模块

一体化示功仪采用2节7.2V电池供电，由于主芯片MSP430F6723采用3.3V供电，故首先使用TPS62125降压转换器，TPS62125 是一款高效同步降压转换器，此转换器针对低和超低功耗提供 300mA 输出电流的应用进行了优化。同时可支持3V到17V宽输入电压范围，便于后续扩展，最后使用SPX3819将输出转为MCU所需的3.3V电压。

图2电源模块框图

1.3  ADC模块

一体化示功仪的核心在于对光杆的位移数据和载荷数据的采集。故ADC电路设计关系到产品的精度和可靠性。MSP430F6723具有内置的24位差分AD模块，故直接使用MCU片内AD，可降低产品成本。同时在外围接入MCP6002运算放大器，搭建3级模拟滤波电路，可极大的降低采集噪声。

1.4  Zigbee通讯模块

根据zigbee通讯模块和单片机的特点，电路连接图如下图所示，单片机的P1.2连接通讯模块的DOUT，P1.3连接通讯模块的DIN，P3.1连接通讯模块的RESET。

通讯模块和单片机的工作电压都是3.3V，此部分可使用单片机的供电，不需要增加电压转换电路，本模块的功能是实现单片机和通讯模块的通讯，通过对通讯模块发送数据，单片机将数据处理后回送给通讯模块。

图3 通讯模块

1.5  存储模块

存储模块是对采集的功图数据进行保存，AT45DB161-E是美国ATMEL公司推出的大容量串行FLASH存储器芯片，采用NOR技术制造，有16-Mbits的存储空间。

2无线一体化示功仪的软件设计方案

MSP430F6723具有集成的软件开发环境，IAR V5.4版本。（该版本有如下优点：a.多文件工程管理功能；b.可视化软件编程洁面；c.支持多种文件格式；d.支持软件模拟仿真）.

1.6  主程序流程设计

由于一体化示功仪作为仪表产品对任务的实时性要求不高，同时对于功耗有较高的要求，所以不太适合使用uC-OSIII实时内核系统，但是主程序也并未采用传统的循环方式，而是采用状态机进行编程，实行事件驱动模式。有限状态机思想广泛用于硬件控制电路的设计，同时也是软件上一种常用的处理方法，它可以把复杂的控制逻辑分解成有限个稳定的状态，同时在每个状态上判断事件，把一个连续处理的时间变为离散数字处理，使其更符合计算机的工作特点。

本项目分别分为低功耗状态、等待状态、唤醒状态、采集状态、分析状态和发送状态。当系统上电之后，程序开始运行，进行初始化，主要对系统的时钟、ADC模块、Flash模块、通讯模块等进行初始化；对于系统的时钟，主要是选定合适的时钟频率，同时对于各种不同情况下的时钟源进行初始化；ADC模块进行AD转换模式进行初始化，本设计采用连续转换模式，当开始数据采集之后，对于载荷和加速度信号进行一段时间的连续采集；Flash模块主要进行模块校验、坏区标记；通讯模块进行版本信息读取、复位操作。

当系统初始化完成后，首先进入低功耗状态，等待定时器到达功图数据采集时间开始进入数据采集状态。当经过180秒的数据采集采集之后，进入功图算法分析流程，当功图分析完成之后，发送功图数据至手操器或者井场RTU等数据采集设备，发送完成之后再次进入低功耗状态。状态机如下图所示：

图4主程序状态机

1.7  功图分析程序设计

2.2.1 示功图概述

基于载荷和角位移所画出的功图为井上示功图。功图所展现的内容是抽油机在一个冲次的上下冲程中各位置对应的载荷值。所以在大量的数据中找到一个周期内的位移与载荷值的对应关系是功图算法最终要得到的结果。显然，首要任务就是要找到这个周期，功图分析程序主要处理的就是这个问题。以下是功图分析程序的主流程图：

首先通过定时器判断是否到达功图采集事件，如果到达功图采集时间，读取功图相关参数，确定好参数后，开始进行功图的原始数据采集，之后对采集到的数据进行滤波处理、数据处理，得到正确的示功图。将功图保存后，完成一次完整的功图分析过程。

图5主程序流程图

2.2.2 功图数据分析

首先看下图，是一组位移和载荷曲线，数据来源海南福山油田稠油井。

图6位移载荷曲线图

注：位移曲线图是以横轴单位为时间，纵轴为位移值；载荷曲线图是横轴单位为时间，纵轴为载荷值。从上图可以看出位移、时间曲线图为近似的正弦波，而载荷、时间曲线图为近似的方波。那么为了找到合适的周期，显然从正弦波找到周期会比较容易。

以下图是经过归一化处理之后的位移、载荷曲线图，即示功图：

图7示功图

2.2.3功图数据周期分析

从以上数据可以知道，位移原始数据一般呈近似的正弦波，故可以通过寻找两个最大值之间的差来判断位移的周期。首先将位移数据进行平滑滤波，然后通过寻找一个参考周期的最大值，然后将指针往后移动半个参考周期，再开始寻找一个参考周期的最大值，最后将两个最大值之间的差即为位移的周期。

得到位移数据的周期之后，将对应的位移原始数据和对应的载荷原始数据取出一个周期，进行平滑处理，即可得到一个完整的示功图。

1.8  通讯程序设计

通讯模块使用zigbee通讯模块，ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议，ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。其在工业中广泛应用的优势就是可以自由组网，且不产生运营费用。但由于其使用的是2.4G高频传输，其穿透性及传输距离都受到制约，实际传输距离从几十米到几百米。由于实际井场一般拥有数据井场RTU来负责数据的上传，故示功仪只需传递几百米的井场距离即可。

使用zigbee通讯模块可以极大的减轻产品的开发工作量，使得开发过程中无需具体了解zigbee协议栈的实现，即可进行产品的开发。Zigbee通讯模块使用串口和单片机进行通讯。通讯流程如下：

图8 通讯程序流程图

3结语

本文基于MSP430F6723单片机与Zigbee无线通讯模块的特点，设计了一种无线一体化功图采集方案，此方案组网灵活，安装方便,无需布线，可实现多点分布测量，可广泛应用于常规型油梁式抽油机油井功图采集。按照本文提出的方案所设计的产品，有如下特点：

1)实时性强：能实时反应抽油机的示功图

2)量程范围广： 冲程1-10米、冲次1-10次

3)采集精度高：位移精度0.01米、载荷精度0.01KN

4)存储能力强：能保存1000副以上功图数据

5)功耗低：电池工作1.5年以上

本文介绍的设计方案解决了常规采集功图需要人工现场周期性进行采集的弊端，同时，可实时连续进行功图采集，对于井况的分析提供有力的保障，为数字化油田系统更换提供了一种新的解决方案。

参考文献：

[1] 陈术，张学典，姚晨，张平, 新型油田无线示功仪的研制.机电工程技术[J],2012年第5期.

[2] 檀革勤，一体化无线示功仪的研制与应用[J].中国石油和化工,2014年01期.

[3] 李鹏程，一种抽油机无线示功仪的设计与实现[D].新疆大学，2013年.

[4] 李云飞，吴仲城，吴宝元，申飞，沈春山，用于抽油机井示功仪的载荷位移一体化智能变送器架[J]. 仪表技术与传感器,2012年02期.