王乐毅

（青岛科技大学 自动化与电子工程学院，山东 青岛266042）

石油温度与压力智能测试仪在石油开采工业中是必不可少的，主要用来监测采油管道的运行状况、采集生产井正常生产时的井下流温流压数据［1－2］。经过一段时间完成采集任务后，采集的数据与上位机通信进行数据回放、校验、初始化、处理并显示等操作。它独立工作于2～3km的井下，仪器在地下一次工作时间较长（一般为1～2个月）［3］且工作环境较为恶劣，要求系统具有较强的低功耗、高抗干扰能力［4－5］。

1 系统组成原理

智能测试仪是基于PIC单片机设计的数据采集系统，通过传感器将流体的温度、压力信号放大转换成0～5V的模拟电信号，再通过A／D转换器将模拟信号转换成数字信号，单片机对采集的数据进行滤波、采集、存储并通过USART接口将数据上传给上位机做进一步的处理。系统组成如图1所示。

图1 智能测试仪组成

2 工作状态及功能

基于现场的要求，系统有两种工作状态：与上位机联机状态；脱离上位机进行独立数据采集状态。

2.1 联机状态的功能

a）实时校验。使用仪器前应在实验室完成仪器的校准，之后输入零点和满量程的温度和压力信号。在单片机存储器中存入温度和压力的校正系数，这些系数由采集的数据分别计算得出。这样用软件方法既确保了仪器的精度，又免除了设置零点和量程电位器的必要。

b）数据回放。采集任务完成后，取回仪表通过USB接口将采集的数据上传到上位机，上位机对采集数据进行处理后得到实际的温度、压力值，然后进行显示、存储。

c）初始化。上位机对下位机进行采集任务设定，其中包括采集的时间间隔、采集组数、延时时间等。

2.2 脱机采集状态的功能

在与上位机完成采集任务设定后，测试仪装入电池送入井下，在经过设定的延时时间后开始按预定的时间间隔自动进行数据采集、存储。

3 主硬件电路

主硬件电路如图2所示，以PIC16F88单片机为核心组成。

3.1 电源模块

在数据采集工作状态时，测试仪的电源由2块3.6V的锂离子电池串联供电，采用具有低压差、低功耗、低温漂特性的低压差（LDO）线性稳压电路进行稳压，在提高电源精度的同时又降低了系统功耗。而且，将输入输出压差降到100mV左右，在负载电流为0～250mA时，静态电流最大为300μA。

图2 PIC16F88单片机硬件电路示意

3.2 时钟模块

a）系统时钟。采用内部RC振荡器INTRC作为系统时钟，既可以简化外部电路又有利于降低功耗。受温度影响，INTRC产生的误差对该系统影响并不大，而且INTRC起振快（约为数百纳秒），更适用于频繁工作在唤醒—休眠状态的系统。

b）实时时钟（RTC）模块。定时／计数器TMR1在T1OSI脚和T1OSO脚外接一个32.768MHz的低功耗晶体振荡器组成实时时钟，用于采集时间间隔定时，单片机休眠时RTC仍然工作。

3.3 存储模块

外接一个256KB的Eeprom存储器24LC256，以存储采集数据，单片机通过IIC接口与其交换数据，数据传输可靠方便，其在电压5.5V下最大写电流为3mA，最大读电流为400μA。

3.4 串口通信模块

通过单片机内部的USART模块的全双工异步模式，通过RS－232－USB的转接桥接到上位机的USB接口来实现与上位机的串口通信。

3.5 A／D转换模块

使用单片机内部的A／D转换器，利用RA1，RA2，RA3 3路模拟输入，参考电压选择AVDD和AVSS。进行A／D转换时，为提高转换精度，要使单片机工作在休眠状态。

3.6 传感器及信号调理模块

a）传感器模块。压力检测采用压阻传感器来检测流体压力；温度检测T1路采用Pt100热电阻来检测流体的温度，T2路采用LM35精确集成温度传感器来检测仪器的工作温度。

b）信号调理模块。选择高精度、低功耗、温漂小的运算放大器对传感器的输出信号进行放大，输出0～5V模拟信号。

3.7 联机识别及前级电源控制模块

a）联机识别。通过判断RB3脚的电平来判断单片机的工作状态。联机状态将单片机电池取下，RB3引脚通过通信电缆接地，被下拉为低电平，独立数据采集状态RB3被VCC上拉为高电平。

b）前级运放及传感器电源控制。由RA0脚来控制MOSFET导通和关断来控制前级运放及传感器的电源。

4 数据的线性化处理

在上位机通过查表和分段线性化来实现对温度传感器的线性化处理。在实际非电量的检测中，利用各类传感器把许多物理量转化为电量时，大多数传感器的输出电量与被测物理量之间不是线性关系。为使测量仪表的输出量与输入量之间具有线性关系，不仅对传感器本身的设计和工艺采取措施，还利用上位机的线性插值程序来对输出量的非线性进行补偿。

设X为被测变量，Y为输出变量，它们呈非线性关系。根据精度要求，把曲线分成n段，用实验或计算的方法得到各分段点输出和输入的对应值（坐标值），将这些对应的值（X1，Y1）…（Xn，Yn）编制成表格存储起来。实际的传感器输出值Yi一定落在某个区间（Xk，Yk）之内，即Yk＜Yi＜Yk＋1，插值法就是用一段简单的曲线，近似代替这段区间里实际的曲线，随后，由简单曲线的表达式计算出被测量Xi。线性插值法则是用（Xk，Yk）和（Xk＋1，Yk＋1）两点间的直线近似代替两点间的函数曲线，此时被测量的计算公式：

该系统在上位机程序中建立一个数据库，以1℃为单位来存储热电阻的温度－电压对应表格，得到采集电压值后，再通过查表和线性插值来确定实际采集的温度。

5 软件组成及功能

下位机单片机软件主要有主程序模块、定时模块、A／D转换模块、外挂Eeprom模块、同步串行端口MSSP模块、串口通信模块、USART串行通信模块、中断模块和联机模块。为了保证系统的稳定运行，还进行了看门狗的设置和程序的抗干扰设计。

上位工控机软件使用Visual Basic编写，主要完成与下位机的通信，包括时间设定，实时校验，上传数据、对数据存储，通过表格、曲线查看上传的数据并显示所有数据库的数据表等。软件功能如图3所示。

图3 软件功能

5.1 串行口的自动识别

检测串口通过调用API函数返回注册表中串行口的信息实现。注册表 HKEY＿LOCAL＿MACHINE，HARDWARE，DEVICEMAP，SERIALCOMM下为计算机串口信息，此键下有N个键值说明有N个串口。

查询数据表数据使用了用于操作注册表的API函数 RegOpenKey，RegCloseKey，RegEnum ValueAsAny，RegEnumValueAsAny2。自动检测串口由两部分组成，注册表串行口信息的读取和处理，通过串行通信得到反馈信息从而得到测试仪连接的串口号。

5.2 MSCOMM控件

程序中使用此控件可以方便地实现串行通信，如时间参数设定、实时显示、数据上传、系数校验。

5.3 实时校验软件

单片机接收的经过线性放大的信号，经A／D转换和中值滤波后保存在24LC256中，再上传到上位机，而这些数据是没有经过处理的。零点校正和标量转换等数据处理工作，由上位机完成，这也是实时校验的核心。

5.4 上传数据软件

采用数据包的形式传递数据以保证数据高效正确地传送，每个包60个数据，若传递有误则要求单片机重新上传。单片机中存放着所有参数信息和数据，可以只传递数据，但这样上位机不仅要能够取得下位机的各种参数还要能和数据一一对应关联，这样会增大上位机和下位机的开发难度，因而这里采用上传时间设定、系数、数据指针。

5.5 曲线查看

绘制曲线首先要把数据从数据库中读取出来，处理后存放到数组DataTodisplay（4＊i）中，每4个为一组分别为压力、油温、仪温、时间间隔。

5.6 表格查看

对从数据库中得到的数据进行处理后存放到数组DataTodisplay（），然后使用文件读写函数写入文件中，格式为.htm，使用 API函数ShellExecute调用Internet Explorer打开该文件。也可以使用数据库中的报表控件来完成。

6 结束语

系统采用PIC16F88单片机，满足了系统的低功耗、高性能和稳定性要求，并依靠软件完成数据上传、实时校验、上位机对数据的处理及显示等工作。经反复调试试验，该测试仪达到0.5级精度。

由于应用环境恶劣、复杂，现场安装和调试要反复进行多次，并精心设计调试运行方案，否则不能保证系统的可靠性。

［1］赵玲.基于PIC单片机的分布式数据采集系统［J］.工业控制计算机，2011（01）：82－83.

［2］杜金枝，王文贤，何友国.基于PIC单片机的无线温度采集系统的设计［J］.网络与信息，2011，25（10）：60－60.

［3］王海峰.基于PIC单片机的温湿度监控系统设计［J］.现代电子技术，2011，34（23）：201－207.

［4］丁跃军，吴清荣.PIC单片机抗干扰设计技术［J］.机电技术，2011，34（02）：44－45.

［5］夏汝华，吴杉.基于低功耗PIC单片机中断技术的液位开关设计［J］.自动化与仪器仪表，2011（04）：57－59.

［6］刘笃仁.PIC软硬件系统设计－基于PIC16F87X系列［M］.北京：电子工业出版社，2005.

［7］谢晶石.PIC单片机USB接口应用设计［J］.数字技术与应用，2011（08）：155－156.

［8］王昊天.PIC单片机原理与应用——专业技能入门与精通［M］.北京：机械工业出版社，2010.

［9］阎广明.PIC单片机常用模块与典型实例［M］.北京：机械工业出版社，2011.

［10］李荣正，刘启中，陈学军.PIC单片机原理及应用［M］.北京：北京航天航空大学出版社，2010.