基于单片机和FPGA的位移测量装置的设计
赵红彬
[摘 要]设计一种激光位移传感器为核心，结合无线通讯技术，实现抽油机冲程的激光测量、采集数据的无线传输。该系统由数据采集模块，无线通讯模块和上位机管理平台组成。既满足了测量精度的要求，同时具有较高的可靠性，成本低，控制灵活。
[关键词]位移控制；无线传输；激光测量
中图分类号：TP274.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）25-0007-01
引言：在目前油田生产过程中，抽油机冲程测量方法研究引起广泛关注，随着油田自动化信息技术的发展，各种各样的冲程测量方法相序涌现，但在实际应用过程中存在一些不足，比如传统的拉绳位移测量方法，在应用中，安装不便，易磨损，测量速度慢。单井自动化数据采集设备使用的角位移、加速度等传感器，测量精度不高，当抽油机冲次很小时，测量结果误差很大。
本文研究的无线激光位移测量系统以其测量速度快，精度高， 性能稳定可靠， 安装操作方便等特点弥补以上测量方法的不足，并保证了测量的准确性和可靠性，同时结合无线通讯技术，可以将测量结果实时传输给上位机，用于测量数据的分析。
1 系统功能设计
本系统设计的是一种以MSP430F5438单片机为主控制单元，以采用高精度激光测距传感器的位移测量系统。该系统可以抽油机冲程数据的实时测量并和无线传输。其主要包括：电源模块、位移测量模块、通讯模块以及单片机系统。
2 系统硬件设计
2.1 位移采集模块
经过对目前市场的各种激光传感器进行比较，此次设计最终采用德国进口高精度激光测距传感器，该传感器传感器响应时间10ms，分辨率1mm，重复精度达到5mm。能够达到系统设计目标。
2.2 单片机数据处理
此次设计采用美国TI公司16位的MSP430F5438单片机，具有最高25MHz的运行频率、128～256KB FLASH存储器、2～4个通用串口、16通道12位A/D转换器以及丰富的片内资源，实现位移电压信号A/D转换、读取，数据的缓存，接收同步发送时序的控制。
外围器件包括单片机的调试编程接口，传感器4-20mA信号转换电路、晶振电路、单片机串口通信接口电路、单片机数据采集接口电路、單片机工作指示灯电路等等。
2.3 数据传输
此次设计经过对市场上的多种无线产品进行赛选，最终采用JZX891模块 490M，JZX891 半双工的无线数传模 块，其采用“SI”高性能射频芯 片及高速单片机。模块提供8个频道。功能特点：①工作频率 470-510MHz；②传输距离 1500米（1200bps）；③内置看门狗，以保长期可靠运行；④超大的512bytes数据缓冲区。经过多次通讯模块功能测试，数据出错率<0.01%。并且错误可通过上位软件再校验降低容错率。
2.4 电源供电
此次电源设计采用可充电锂电池组，提供设备所需的15V电源，满足设备连续工作10小时以上。电池组由单个3.7V锂电池串联而成，通过电路板稳压输出设备所需电压，并对电路保护。
电源调制部分包括电源调制电路、电源滤波电路、电源充电电路、电源外输供电电路等，实现接收锂电池组24V电源，转换为元器件所需的5V、3.3V等不同电压。
3 软件部分设计
本系统人机交互软件是一个集数据采集，数据存储和数据分析，报表系统等功能一体的人机交互系统，它采用 WINDOWS平台的开发软件Microsoft Visual Studio，软件功能部分主要包括数据接收和数据处理两个部分。
3.1 数据接收部分
针对无线通信模式下不同数据采集装置间的数据同步问题，设计主动式采集方案。
主动方式就是由数据采集装置将实时测量的传感器数据实时上传到上位机中。具体的工作过程是，由上位机软件下发设备同步测试指令，数据采集装置在收到同步测试指令后，各自回复同步测试确认报文，同时同步指示灯亮，表示同步测试成功，上位机在收到两套设备的同步测试确认报文后，允许进行下一步的操作，即同步测量操作。上位软件下发同步测量指令，下位终端会同时收到同步测量指令，则两套设备同时开始采样传感器数据，采样频率暂定100次/秒，即每10毫秒采样一次，同时实时上传采样数据。
3.2 数据处理部分
将接收的数据存入ACCESS数据库，按日期井号保存，通过数据解析，将数据结果以曲线方式呈现给用户，另外设计原始记录报表和一张测试结果报告。原始报表中有需要手动输入的编辑框填写测试地点、日期、电机铭牌等参数，也有根据测量结果自动填入的测量值。测试结果报告中有根据测量的数据自动分析计算出指标数据。
4 结论
基于单片机的无线激光位移测量系统是一套完整的数据采集，上传，存储即满足了现场系统精确度的要求，同时具有较高的实时性、可靠性，使用方便，免安装等特点。测量数据的实时上传，存储，可用于数据分析，无线通讯技术是本系统的关键所在。随着单片机技术的不断提高，无线通讯技术的不断发展，无线数据采集传输系统应用将更加广泛。
参考文献
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