摘 要：應(yīng)用STC單片機(jī)和無(wú)線(xiàn)通信模塊FC211設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了鉆井井場(chǎng)儀表數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)。本系統(tǒng)可以采集直流4~20 mA模擬量、直流1~5 V模擬量、開(kāi)關(guān)量、脈沖，并可以輸出開(kāi)關(guān)控制量對(duì)井場(chǎng)電機(jī)等進(jìn)行無(wú)線(xiàn)控制。系統(tǒng)具體分為主機(jī)和從機(jī)兩部分，從機(jī)主要負(fù)責(zé)將分布在現(xiàn)場(chǎng)的儀表采集的數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)發(fā)送至控制室內(nèi)的主機(jī)，主機(jī)再把數(shù)據(jù)傳到計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行處理和顯示。經(jīng)過(guò)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行檢驗(yàn)效果是令人滿(mǎn)意的。

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關(guān)鍵詞：井場(chǎng);儀表數(shù)據(jù);無(wú)線(xiàn)傳輸;通信協(xié)議

中圖分類(lèi)號(hào)：TN925文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2008)07-071-02

Design of Wireless Transmission System for Parameters of Instruments

in Well Site Based on Single Chip

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GUAN Xuezhong，GUO Xiaoyong，ZHANG Hong，LIU Chuanjia，SUN Shengyong，ZHAO Liyin

(Daqing Petroleum Institute，Daqing，163318，China)

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Abstract：The wireless transmission system for parameters of instruments in well site is developed by the use of STC single chip and wireless communication module FC211.This system can collect DC 4~20mA analog signals，DC 1~5V analog signals，binary signals，impulse signals，and it can also output binary signals to realize wireless control for motors in well site.The slave machine send data collected by the instruments distributed in well site to the master machine which is in the control room by the way of wireless transmission.Then the master machine transmit the data to the computer where the data is processed and displayed.The applied situation indicate that the running results of the system are good.

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Keywords：well site;parameters of instruments;wireless transmission;communication protocol

1 引 言

目前，全國(guó)油田鉆井現(xiàn)場(chǎng)基本都是有線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。有線(xiàn)傳輸有很多缺點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)布線(xiàn)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(xiàn)，這樣既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，有時(shí)還會(huì)由于布線(xiàn)走向的問(wèn)題導(dǎo)致線(xiàn)路被碰斷。一般說(shuō)來(lái)，數(shù)據(jù)線(xiàn)都是空中架設(shè)，風(fēng)吹日曬使數(shù)據(jù)線(xiàn)老化的較快，這樣就帶來(lái)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(wú)線(xiàn)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(xiàn)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(tīng)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(tīng)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(wú)線(xiàn)通信模塊FC211等部分組成。主要功能是：訪(fǎng)問(wèn)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(wú)線(xiàn)通信部分組成。本系統(tǒng)無(wú)線(xiàn)通信部分采用FC211無(wú)線(xiàn)通信模塊。該模塊數(shù)據(jù)接口為全雙工串行接口，無(wú)線(xiàn)傳輸距離為800 m(空曠地)，完全滿(mǎn)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)通信時(shí)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。

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(xún)?？刂剖抑鳈C(jī)以點(diǎn)名的方式查詢(xún)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(xún)從機(jī)時(shí)，分布在現(xiàn)場(chǎng)的各個(gè)單位的旁聽(tīng)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)開(kāi)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(guò)撥碼開(kāi)關(guān)設(shè)定)，所以整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能容納256個(gè)從機(jī)。現(xiàn)場(chǎng)從機(jī)一直處于偵聽(tīng)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(xún)命令和控制命令，格式如下:

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命令包頭：一個(gè)命令包的開(kāi)始，并說(shuō)明是哪種命令。0xAA：查詢(xún)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(kāi)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(xún)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(lái)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(kāi)關(guān)量輸入輸出，高4位為開(kāi)關(guān)量輸入，低4位為開(kāi)關(guān)量輸出；

字節(jié)4：脈沖計(jì)數(shù)；

字節(jié)5 ~字節(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(kāi)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(kāi)關(guān)量數(shù)據(jù)傳回到主機(jī)來(lái)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(guò)程。

當(dāng)控制室主機(jī)訪(fǎng)問(wèn)現(xiàn)場(chǎng)從機(jī)時(shí)，那些旁聽(tīng)主機(jī)也收到了現(xiàn)場(chǎng)傳來(lái)的數(shù)據(jù)，從而不斷更新數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 語(yǔ)

目前此系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用到鉆井現(xiàn)場(chǎng)。經(jīng)過(guò)實(shí)踐，本系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)時(shí)性能良好，可以滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)的要求。而且本系統(tǒng)采用的無(wú)線(xiàn)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。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］于海斌，曾鵬.智能無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)［M］.北京：科學(xué)出版社，2006.

［2］孫利民，李建中，陳渝，等.無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005.

［3］張培仁.基于C語(yǔ)言編程MCS-51單片機(jī)原理與應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2002.

［4］張毅剛，彭喜元，姜守達(dá)，等.新編MCS-51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2003.

［5］蔡美琴，張為民，沈新群，等.MCS-51系列單片機(jī)系統(tǒng)及其應(yīng)用［M］.北京：高等教育出版社，1992.

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作者簡(jiǎn)介 關(guān)學(xué)忠 男，教授。主要研究方向?yàn)闊o(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)。