基于单片机的井场仪表参数无线传输系统设计

1引 言

目前，全国油田钻井现场基本都是有线数据传输。有线传输有很多缺点，现场布线复杂而且存在安全隐患，钻井是流动作业，每钻一口井就要重新布一次线，这样既费时又费力，有时还会由于布线走向的问题导致线路被碰断。一般说来，数据线都是空中架设，风吹日晒使数据线老化的较快，这样就带来直接的经济损失。钻井现场有很多公司在作业，有些参数各公司是共用的，同一个参数每个公司都要读取一次，就需要在同一个测量点上安装两台甚至更多的变送器，这样既造成了浪费又使得现场变送器安装位置紧张。

本系统采用无线通信技术，一点发射多点接收，可以实现信息共享，避免了布线的麻烦，而且流动作业时可以方便地安装和拆卸，很好地提高了工作效率。

2系统硬件设计

如图1所示，本系统主要分为控制室主机和现场从机，且所有元件均选用符合工业级要求的产品，大大提高了系统的可靠性、耐高温性和抗震性。

2.1控制室主机

控制室主机分为控制主机和旁听主机，这是因为钻井现场有多个单位共同作业，都需要现场的数据。对于只需要现场数据的单位可安装旁听主机，只接收现场的各种数据；对于同时需要对现场电机进行控制的单位可安装控制主机。工作原理如图1所示。

主机由计算机、单片机和无线通信模块FC211等部分组成。主要功能是：访问分布在现场各种仪表处的从机，采集他们的各项数据，并向从机发送控制命令控制电机的启／停。

2.2现场从机

现场从机由单片机部分、电源供电部分、数据采集部分、无线通信部分组成。本系统无线通信部分采用FC211无线通信模块。该模块数据接口为全双工串行接口，无线传输距离为800 m(空旷地)，完全满足现场使用条件，而且此模块性能稳定，使得整个系统在多机通信肘能够稳定运行，实现了对现场数据的准确管理。

3系统软件设计

如图2所示，该系统的工作原理是：现场从机分布在钻井现场的各个位置，将附近的仪表数据采集到单片机内的存储单元，等待控制室主机查询。控制室主机以点名的方式查询现场从机，将数据采集到主机内，并送到上位机进行处理。当控制室主机查询从机时，分布在现场的各个单位的旁听主机也会收到现场从机的数据，这样就实现了现场数据的实时更新。当控制室需要对现场电机控制时，就可以向控制电机的从机发控制命令，从机接到命令将电机歼启或停止，并将所检测的电机状态发回主机。

通信协议设计如下：

现场每个从机都有一个固定的8位地址(通过拨码开关设定)，所以整个网络能容纳256个从机。现场从机一直处于侦听状态，等待主机点名。点名命令是一个4 B的命令包，分为两种，查询命令和控制命令，格式如下：

命令包头：一个命令包的开始，并说明是哪种命令。0xAA：查询命令；0xBB：控制命令。
从机地址：被点名的从机地址，地址范围是0～255。
命令数据：当为控制命令时，该字节的后四位表示4路开关量的状态。
命令包尾：数据包的结束标志，也是从机判断命令是否正确接收的标志。

当从机收到点名命令时，首先判断命令包中的从机地址与自己的地址是否相符，如果不是则等待下一次点名，如果是再判断是哪种命令。如果是查询命令则首先将自己地址发送给主机作为点名确认信息，随后再将数据包发送出去，数据包为一个13 B数据包，具体格式如下：

字节1：从机地址；
字节2：主机用来判断是否是更新数据的标志字节，此字节为1；
字节3：开关量输入输出，高4位为开关量输入，低4位为开关量输出；
字节4：脉冲计数；
字节5～宁节12：4路十位A／D转换数据；
字节13：数据包结束字节。

如果是控制命令则首先返回自己的地址作为点名确认信息，主机收到后，将发送5次命令数据，从机收到后，将这5次收到的数据与开始收到的控制命令里的命令数据比较，如果一致则将命令输出到I／O口，控制继电器，0.5 s后再采集一次数据，将开关量数据传回到主机来显示电机的工作状态，这样就完成控制室主机控制现场电机的过程。 当控制室主机访问现场从机时，那些旁听主机也收到了现场传来的数据，从而不断更新数据。

4 结 语

日前此系统已经应用到钻井现场。经过实践，本系统运行稳定，实时性能良好．可以满足现场的要求。而且本系统采用的无线通信模块是基于FSK的调制方式，采用高效信道编码技术，具有抗突发干扰和随机干扰的能力。