（物理电子学专业论文）基于arm和cdma的油井工况远程监测系统.pdf

摘要 摘要 抽油机井工况监测是石油生产过程中非常重要的环节，可以为油井提高泵效、高效 管理提供可靠依据。随着石油工业的迅速发展，传统的人工操作远远不能满足现代化石 油生产的要求。将远程监测系统应用于油井工况监测，可以降低工人劳动强度，提高生 产效率和油田管理水平。针对目前已有油井工况监测系统存在的不足，本文研制出一种 集计算机技术、电子技术和通信技术于一身、功能完善、可靠性高、成本低廉的抽油机 井工况远程监测系统。 示功图是常用的用于判断抽油机井工作状况的方法，它是抽油机光杆在作往复运动 的一个周期中，光杆相对位移与载荷的对应关系曲线。传统的利用拉线位移传感器获取 位移的方式，不能实现长期连续的监测。本系统采用加速度传感器作为冲次传感器，获 取每个周期的起始点，再利用拉线位移传感器对一个周期中按时间等分的点的位移进行 标定，既解决了拉线位移不能长期连续监测的问题，又保证了位移的精度。 本系统由工况传感器、数据中继单元、数据中心和手持机四部分组成。安装在抽油 井上的工况传感器定时获取并存储示功图数据，定时将数据发送到数据中继单元。由数 据中继单元将多个工况传感器的示功图数据集中后，通过远程网络传送到数据中心。数 据中心实现对所有示功图数据的存储、查询、分析和打印，并可以通过网络实现数据共 享。手持机用于对工况传感器进行设置和标定，并可以现场获取示功图。 硬件电路采用低功耗设计方法，使用低电压、低功耗的基于a r m 7 内核的 l p c 2 1 3 8 2 1 4 8 微处理器及微功率无线数传模块，将硬件电路功耗降到最低。采用s d 卡 作为存储器，增加了数据存储容量和数据可靠性。采用单轴加速度传感器a d x l l 0 5 作为 冲次传感器，具有高精度、低功耗、高可靠性的优点。c d m a 模块采用基于c d m a1 x 数据 通信网络的h 7 7 1 0 ，组成高速、永远在线、透明数据传输的数据通信网络。 软件设计遵循模块化设计思想，既考虑到各模块功能的实现，又兼顾了系统总体的 协调性。本系统软件由工况传感器软件、手持机软件、数据中继单元软件及数据中心软 件四部分组成。工况传感器软件、手持机软件和数据中继单元软件由a d s 集成开发环境 编写，并由a x d 仿真调试器生成可执行代码，最后通过e a s y j t h g 仿真器下载到微处理 器芯片中。数据中心运行于服务器客户机工作模式，使用s o ls e r v e r 数据库。数据中 心处理软件由v i s u a lb a s i c 6 0 编写，运行于w i n d o w s 操作系统中。 通讯网络由无线数传网络和c d m a 网络组成，工况传感器与数据中继单元组成无线 数传网络，采用i s m 工作频段，实现近距离无线通讯。数据中继单元作为无线数传网络 的中心节点，通过c d m a 网络与数据中心通信处理机相联，实现数据的远程传输。 本系统首次利用加速度传感器与拉线位移传感器相结合的方式，实现抽油井工况长 期连续监测，提高了整个系统的可靠性；利用a r m 单片机作为微处理器，低功耗电路设 计，低功耗工作模式，延长了电池的寿命；无线数传网络与c d m a 网络相结合，兼具无 摘要 线数传网络与c d m a 网络的优点，降低了整个系统的安装和运行费用；数据中心采用服 务器客户机工作模式，便于用户共享数据。目前该系统的各部分均经过硬件、软件及 运行测试，已经在油田试运行。运行结果表明，该系统性能完善，运行可靠，安装及维 护简便，取得了较好的效果。 关键词：油井工况；远程监测；a r m ；c d m a ；加速度传感器 i i a b s t r a c t a b s t r a c t t h em o n i t o r i n go ft h ep u m p i n gw e l l si sa ni m p o r t a n tl i n kf o ro i lp r o d u c t i o n ，a n di ti s c a p a b l eo fh e l p i n gt oj u d g et h eo p e r a t i o nc o n d i t i o no ft h ep u m p i n gw e l la n dp r o v i d i n g r e l i a b l ep r o o fo fh i g he f f i c i e n c y , r e a s o n a b l ee x p l o i t a t i o na n dt h ec o n v e n i e n tm a n a g e m e n tf o r t h ew e l l w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h eo i li n d u s t r y , t h et r a d i t i o n a lm a n u a lo p e r a t i o nc a n t m e e tt h en e e d so fm o d e mo i lp r o d u c t i o n t h er e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mc a no v e r c o m et h e s h o r t a g e i nt h i sp a p e r , t h er e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m 埘t l lp e r f e c tf u n c t i o n ，h i g hr e l i a b i l i t y a n dl o wc o s ti sp r e s e n t e d ，i nw h i c hc o m p u t e rt e c h n o l o g y , e l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya n d c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya r ei n v o l v e d 。 t h ei n d i c a t o rd i a g r a mo ft h ep u m p i n gw e l li sa ni m p o r t a n tm e t h o dt ok n o wt h e o p e r a t i o nc o n d i t i o no ft h eo i lp u m p i nt h ew e l l i ti sad i a g r a mc o n s i s t i n go ft h ed i s p l a c e m e n t a n dt h el o a do ft h es u c k e rr o di nac o m p l e t ep e r i o d a tp r e s e n t ，t a k i n ga d v a n t a g eo ft h e w i r e d r a w i n gd i s p l a c e m e n ts e n s o rt oo b t a i nt h ed i s p l a c e m e n ti san o r m a lm e t h o d ，b u ti tc a n t b ea p p l i e dt ot h el o n g t e r m ，c o n t i n u o u sa n dr e a l - t i m em o n i t o r i n gb e c a u s eo fi t ss h o r tl i f e i n t h i sp a p e r , t h ea c c e l e r a t i o ns e n s o ri sp r o p o s e dt oo b t a i nt h es t a r t i n gp o i n to fe a c hp e r i o d i n s t e a do ft h ew i r e - - d r a w i n gd i s p l a c e m e n ts e n s o r , a n dt h e nw i r e d r a w i n gd i s p l a c e m e n ts e n s o r i su s e dt oc a l i b r a t et h ed o td i s p l a c e m e n ta taf i x e dt i m ei nap e r i o d ，w h i c he n s u r et h ea c c u r a c y o ft h ed i s p l a c e m e n t t h eo p e r a t i o nc o n d i t i o ns e n s o r , t h eh a n d yr e c e i v e r , t h ed a t ar e l a yu n i ta n dt h ed a t a m a n a g e m e n tc e n t e ra r ei n v o l v e di nt h es y s t e m t h eo p e r a t i o nc o n d i t i o ns e n s o r ss e to nt h e p u m p i n gw e l l sc a l lc o l l e c ta n ds t o r et h ei n d i c a t o rd i a g r a md a t aa taf i x e dt i m e ，t h e ns e n dt h e d a t at ot h ed a t ar e l a yu n i t a n dt h ed a t ao fs e v e r a lo p e r a t i o nc o n d i t i o ns e n s o r sw i l lb e g a t h e r e db yt h ed a t ar e l a yu n i ta n dt r a n s m i t t e dt ot h ed a t am a n a g e m e n tc e n t e rb yt h er e m o t e n e t w o r k ，w h e r es t o r i n g ，i n q u i r i n g ，a n a l y z i n ga n dp r i m i n gc a nb ea c c o m p l i s h e d ，a sw e l la s d a t as h a r eb yn e t w o r k t h eh a n d yr e c e i v e ri su s e dt os e ta n dc a l i b r a t et h eo p e r a t i o nc o n d i t i o n s e n s o r , a n do b t a i nt h ei n d i c a t o rd i a g r a md a t a t h eh a r d w a r ec i r c u i ti sd e s i g n e da tl o wp o w e rc o n s u m p t i o n t h el p c 2138 m i c r o c o n t r o l l e rb a s e do na r m 7a n dt h ew i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o nm o d u l ew i t hl o wp o w e r c o n s u m p t i o na r et a k e n t h es dc a r di sm a d e u s eo ft oi m p r o v et h es t o r a g ec a p a b i l i t ya n dt h e d a t ar e l i a b i l i t y t h ea d x l 10 5i ss e l e c t e da sa na c c e l e r a t i o ns e n s o ni ti sah i g hp e r f o r m a n c e ， h i g ha c c u r a c y a n dc o m p l e t es i n g l e - a x i sa c c e l e r a t i o nm e a s u r e m e n ts y s t e mo n as i n g l e m o n o l i t h i ci c t h ea d x l10 5o f f e r ss i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e db a n d w i d t ha n dr e d u c e dn o i s e v e r s u s p r e v i o u s l y a v a i l a b l em i c r o m a c h i n e dd e v i c e s h 7 7 10i st a k e nb a s e do nd a t a c o m m u n i c a t i o nn e t w o r kw i t hc d m a1xa sc d m am o d u l e ，w h i c hc o m p o s ed a t a c o m m u n i c a t i o nn e t w o r kw i t hh i g hs p e e da n dt r a n s p a r e n td a t ac o m m u n i c a t i o n i i l a b s t r a c t t h es o f t w a r ed e s i g nc o m p l i e sw i t ht h em o d u l ei d e o l o g y i tn o to n l yc o n s i d e r st h e r e a l i z a t i o no ft h ef u n c t i o no fe a c hm o d u l e ，b u ta l s ot h i n k so v e rt h et o t a lc o m p a t i b i l i t yo ft h e p r o c e d u r e t h es o f t w a r eo ft h es y s t e mc o n s i s t so ft h es o f t w a r eo ft h eo p e r a t i o nc o n d i t i o n s e n s o r , t h es o f t w a r eo ft h ed a t ac o l l e c t o ra n dt h es o f t w a r eo ft h ed a t am a n a g e m e n tc e n t e r t h e s o f t w a r eo ft h eo p e r a t i o nc o n d i t i o ns e n s o ra n dt h ed a t ac o l l e c t o ri sd e v e l o p e db a s e do na d s ， a n di sc r e a t e dt oe x e c u t a b l ec o d e sb ya x d ，t h e nd o w n l o a d e di n t ot h eo n c h i pf l a s hb yt h e e a s y j t a ge m u l a t o nt h ed a t am a n a g e m e n tc e n t e rw o r k si ns e r v e r g u e s tm o d ew i t hs q l s e r v e rd a t a b a s e t h es o f t w a r eo ft h ed a t am a n a g e m e n tc e n t e ri s d e v e l o p e db a s e do nv i s u a l b a s i c6 0 ，a n dr u ni nw i n d o w so p e r a t i o ns y s t e m t h ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r kc o n s i s t so ft h ew i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o nn e t w o r ka n d c d m an e t w o r k t h ew i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o nn e t w o r ki s m a d eu po ft h eo p e r a t i o n c o n d i t i o ns e n s o ra n dt h ed a t ar e l a yu n i t ，w h i c hw o r k sa ti s mf r e q u e n c yb a n d ，t h u st h e t r a n s m i s s i o no ft h en e i g h b o r i n gd a t ai sr e a l i z e d t h ed a t ar e l a yu n i ti su s e da san o d ef o r w i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o nn e t w o r k ，a n dc o m m u n i c a t ew i t ht h e c o m p u t e ri nt h e d a t a m a n a g e m e n tc e n t e r , t h u st h et r a n s m i s s i o no ft h er e m o t ed a t ai sr e a l i z e d i nt h i ss y s t e m ，t h ec o m b i n a t i o no ft h ea c c e l e r a t i o ns e n s o ra n dt h e w i r e d r a w i n g d i s p l a c e m e n ts e n s o ri si n v o l v e df o rm ef i r s tt i m e ，s ot h ec o n t i n u o u sm o n i t o r i n gf o rt h e p u m p i n gw e l li sa c h i e v e d ，a n da tt h es a n l et i m et h er e l i a b i l i t yi si m p r o v e d ；a r mi su s e da sa m i c r o p r o c e s s o r , t h ec i r c u i tw i t hl o wp o w e rc o n s u m p t i o ni su t i l i z e d ，a n dt h es y s t e mi sw o r k i n g i nl o wc o n s u m p t i o nm o d e ，w h i c hp r o l o n gt h eb a t t e r y s l i f e t i m e ；t h ec o m b i n a t i o no ft h e w i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o nn e t w o r ka n dc d m an e t w o r kr e d u c e st h ec o s to ft h ei n s t a l l a t i o n a n dr u n n i n g ；t h ed a t am a n a g e m e n tc e n t e rw o r k si ns e r v e r g u e s tm o d e ，w h i c hm a k e st h ed a t a s h a r ec o n v e n i e n t a l lw h a ti sm e n t i o n e da b o v ep r o v i d e st h es y s t e mw i t hm a n ya d v a n t a g e s s u c ha st h ec o n t i n u o u sm o n i t o r i n g ，t h el o wc o n s u m p t i o n ，t h ew i r e l e s s c o n n e c t i o n ，t h e c o n v e n i e n ti n s t a l l a t i o na n dr e l i a b l ep e r f o r m a n c e a t p r e s e n t ，t h eh i r d w a r ea n dt h es o f t w a r eo f t h es y s t e mh a sb e e nt e s ta n da p p l i e di nt h ep u m p i n gw e l l s ，a n dt h ea p p l i c a t i o np r o v e st h i s s y s t e mt ob ew o r k a b l ea n de f f e c t i v e k e y w o r d s ：o p e r a t i o nc o n d i t i o no fp u m p i n gw e l l s ；r e m o t em o n i t o r i n g ；a r m ； c d m a ；a c c e l e r a t i o ns e n s o r i v 曲阜师范大学博士硕士学位论文原创性说明 ( 在口划“4 ) 本人郑重声明：此处所提交的博士口硕士论文基于a r m 和c d m a 的油井工况远程监测系统，是本人在导师指导下，在曲阜师范大学攻读 博士口硕士留学位期间独立进行研究工作所取得的成果。论文中除注明 部分外不包含他人已经发表或撰写的研究成果。对本文的研究工作做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中已明确的方式注明。本声明的法律结果 将完全由本人承担。 作者签名： 盘幸 日期：沙哆钐多 曲阜师范大学博士硕士学位论文使用授权书 ( 在口划“ ) 基于a r m 和c d m a 的油井工况远程监测系统系本人在曲阜师范大学 攻读博士口硕士留车位期间，在导师指导下完成的博士口硕士口学位 论文。本论文的研究成果归曲阜师范大学所有，本论文的研究内容不得以 其他单位的名义发表。本人完全了解曲阜师范大学关于保存、使用学位论 文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允 许论文被查阅和借阅。本人授权曲阜师范大学，可以采用影印或其他复制 手段保存论文，可以公开发表论文的全部或部分内容。 日期：沙7 红7 嗍z 呷、9 。多 第一章概述 第一章概述弟一早苣阢怂 能源问题是关系到社会稳定、国民经济持续健康发展的重大问题，而原油又在能源 结构中占有举足轻重的地位。随着石油工业的迅速发展，传统的人工操作远远不能满足 现代化石油生产的要求。为了增加原油产量、降低人工劳动强度、提高生产效率和油田 管理水平，目前最有效的措施是将远程实时监测系统应用于油田生产。远程实时监测系 统综合计算机技术、电子技术和通信技术于一身，通过无线通讯方式，将被监测对象的 数据实时地传送到数据中心，由数据中心对数据进行汇总、分析，为生产决策系统提供 数据支持【1 】【2 】【3 1 。 目前，抽油机井是油田主要的采油手段。原油物性变化大，既有轻质油又有粘度高、 比重大的稠油。泵工作状况非常复杂，不但受到“机、杆、泵”机械设备的磨损、碰撞 等影响，还受到油井含气、出砂、出水、结蜡等因素影响【4 j 。利用示功图可以准确的判 断出抽油机井的工作状况，根据故障诊断可以获知泵的工作状况【5 】。利用远程监测系统 可以长期连续监测抽油机井的工作状况【6 j ，为油井提高泵效、合理开发、高效管理提供 可靠依据。 1 1 国内外研究现状及发展趋势 抽油机井工况监测是石油生产过程中非常重要的环节，各个国家和生产厂家都进行 了深入的研究，研制出了不同类型的监测装置和设备。 传统获取油井示功图数据的方法是利用示功仪定时到油井现场监测，将数据取回 后，进行人工或计算机自动计算和判断。一般几天或者一个月仅能对数口油井进行监测 操作【_ 7 1 ，而完成所属采油场全部油井的监测，需要相当长的周期。为全面获取油井工作 状况，美国率先开发出长期安装于油井现场的电子示功仪。但该电子示功仪不具备远程 数据传输的能力，需要人工从油井现场取回数据记录装置。为缩短获取油井工况数据的 周期，美国开发出了综合测试诊断车。将装有油井工况分析诊断软件的计算机配备电子 示功仪等安装于一部野外作业专用汽车上。由测试人员在油井现场对油井工况作出分析 诊断，并及时调整油井设备参数。 目前，国内的一些科研院所及生产厂家都在积极的研制和开发新一代的抽油机井工 况监测系统，主要的发展方向是通过采用新一代的微处理器和大容量的存储器，降低设 备功耗，提高设备的数据存储能力。随着无线网络的逐步发展和完善，远程工况监测也 成为当前研究的热点p 儿川。 目前投放市场的产品大都存在这样那样的不足，如功能不完、安装复杂、维护困难 等。迫切需要研制一种功能完善，结构简单，可靠性高的抽油机井工况远程监测系统。 1 2 示功图判断抽油井工作状态的理论依据 示功图的定义：示功图是指抽油机光杆在作往复运动的一个整周期中，光杆相对位 第一章概述 移与载荷的对应关系曲线o j 。示功图面积越大， 出的液体也就越多。不同的油井在不同的时间， 图的形状判断油井的工作状况。 说明抽油井完成一个冲次做功越多，抽 示功图的形状是不同的，可以根据示功 实测的油井示功图及其工作状况如图1 1 所示。 ：z 1 3 x 10 1 ：2 0 0 8 - 12 - 0 4 ：0 9 ：3 7 ：3 8 ：3 3 米 ：2 2 4 坎分钟 鼓宿：7 4 9 千牛 敛_ i ；：3 3 s - l ：牛 萄职：1 5 7 9 功辜：5 8 0 点数：5 0 0 ：8 9 0 - 2 0 ：2 0 0 8 - t 2 - 1 8 ：1 5 ：5 7 ：2 l ：5 9 2 米 ：0 7 5 次，分钟 投宿：9 1 7 千牛 掌c 宿：4 1 7 千牛 面积：17 0 6 功率：2 1 0 点数：5 0 0 ( a )油井工作状态正常( b ) 油井工作在供液差的状态 ：e 丁x 5 ：2 0 0 8 - 11 - 3 0 ：0 9 ：1 1 ：0 3 ：4 1 7 米 ：1 5 4 次， 铆 竣宿：7 4 8 千牛 馥荷：5 3 1 千牛 面职：3 2 功率：0 8 0 点数：5 0 0 ( c ) 油井液面下降，有抽空现象( d ) 油井泵抽不到液体或泵严重漏失 图1 1 油井示功图及其工作状况 1 3 系统功能 本系统主要解决抽油机井长期处于野外工作环境，其运行情况难以获得、维护困难 这一采油行业实际情况，通过远程方式对抽油机井的工作状况进行长期连续的监测，并 对监测数据进行汇总存储，为用户提供决策信息，并对数据进行深层次分析，从而有效 确定抽油机运行状态、故障类别、泵效、产业量等数据，为下一步制定生产决策，提高 生产效率与原油产量，提供可靠的参考依据。 1 4 设计方案 1 4 1 系统总体结构 系统总体结构如图1 2 所示。 2 第一章概述 i j ：无线数传网络口：数据中继单元：工况传感器 b t s ：基站收发系统 图1 2 系统总体结构 工况传感器固定安装在油井上，定时采集并存储示功图所需的位移一载荷数据。数 据中继单元与其所辖范围内的多个工况传感器组成无线数据传输网络，由数据中继单元 作为无线数传网络的中心结点，通过无线数传方式接收工况传感器定时上传的示功图数 据，并存储在内部的大容量存储器中。数据中继单元通过c d m a 通讯模块与c d m a 网 络相连，数据中心通信处理机通过c d m a 网络将数据中继单元内存储的数据接收并存 储到数据服务器中，由数据工作站对数据服务器中的数据进行查询、显示、分析和打印。 手持机通过无线数传方式，对所有的工况传感器进行设置和标定，现场测试并记录油井 的示功图数据，并可以现场查询、回放。数据中心的数据工作站通过u s b 传输线，可 以读取手持机中存储的示功图数据，并将数据保存在数据中心的数据库中。 1 4 2 工况传感器设计方案 工况传感器需要获取位移数据，传统的方式是利用拉线位移传感器来实现，但是拉 线位移传感器不适于连续长期的工作。为了解决这个问题，采用加速度传感器来获取位 移数据。但是由于抽油杆运动速度过低，且在运动过程中产生的抖动较严重，直接通过 运动公式来获取位移，误差会相当大。考虑到油井在不调节参数的情况下，运动周期基 本不变，用加速度传感器来获取每个周期的起始点，将整个周期按时间等分，并且将每 个等分时间点对应的位移记录下来，在以后的示功图测试中使用。为了保证位移的精度， 在安装初始用拉线位移传感器进行标定。在最终获取的数据中，每分钟的次数( 冲次) 代替周期，因此将加速度传感器称为冲次传感器。利用加速度传感器作为冲次传感器和 拉线位移传感器标定的方法，既解决了拉线位移不能长期连续监测的问题，又提高了位 移的精度。 由于传感器始终处于运动过程中，因此不能使用交流电供电，只能用电池供电。为 了最大限度地延长电池的使用寿命，必须使整个工况传感器做到超低功耗。本系统从硬 3 第一章概述 件和软件两方面来解决工况传感器的低功耗问题。 硬件上使用低工作电压、低功耗的l p c 2 1 3 8 微处理器为核心，使用微功率无线数 传模块，并且将电路中的几个部分分别供电，通过微处理器进行控制。l p c 2 1 3 8 具有高 性能和低功耗的特性，内部硬件资源丰富，具有掉电工作方式，内部的5 1 2 k bf l a s h 具 有l a p 工作方式，可以充当数据存储器。 软件上采用定时测试和定时传输的方式，在工况传感器不采集数据的时间，进入低 功耗掉电状态，几乎不耗电，只有几百微安的电流，数量级与电池的自放电相当。 ： 1 4 3 手持机设计方案 手持机要求具有屏幕、按键及无线通讯，同时要具备u s b 接口以及大容量的存储 装置。l p c 2 1 4 8 微处理器，具有低功耗、内部硬件资源丰富、i o 线数量多等的特点， 内部还集成有2 o 标准的u s b 接口和可以直接操作s d 存储卡的s p i 接口。因此，使用 l p c 2 1 4 8 作为微处理器，s d 卡作为存储器，可以满足上述要求。 1 4 4 数据中继单元设计方案 数据中继单元要求具有屏幕、按键及无线通讯，同时要具备大容量的存储装置，以 及c d m a 通讯接口。l p c 2 1 3 8 具有能够直接操作s d 卡的s p i 总线，两个串行通讯接 口用于连接无线通讯及c d m a 通讯，并且i o 口线数量多。因此，数据中继单元采用 l p c 2 1 3 8 作为微处理器，s d 卡作为存储器。 1 4 5 数据中心设计方案 数据中心由数据服务器、通讯处理机和数据处理机组成，其中数据服务器由专用大 容量硬盘服务器或微机充当，通讯处理机由工作站或微机充当。对于油井数量较多的系 统，数据服务器应由专用硬盘服务器充当，并且需要设置多台通讯处理机完成远程数据 通讯。对于油井数量较少的系统，数据服务器和通讯处理机可由同一台服务器或微机充 当。数据处理机由微机充当，能够通过i n t e r n e t 网络连接数据服务器完成数据的查询、 显示、分析和打印等功能，还能够通过u s b 接口将手持机中存储的油井示功图数据传 送到数据服务器中。 1 4 6 通讯网络设计方案 由于安装在油井上的工况传感器，分布范围广，离数据管理中心的距离长短不等， 采用有线传输介质，构建成本昂贵，且安装、维护困难。目前无线通信方式主要为无线 电台和c d m a 无线网络两种方式，无线电台需要组建台站，使用频段和发射功率受到 限制，般传输距离都比较近l l 。c d m a 无线网络方式可以不受距离及位置的限制， 4 第一章概述 但是安装及运营成本较高，尤其是对于终端数量多但数据量少的系统。通过对多种远程 监测系统分析，发现大多数远程监测系统中的被监测设备都分布在相对集中的区域内， 因此本方案将微功率的无线数传网络与c d m a 无线网络相结合，应用于远程监测系统 中。该方案兼具无线数传与c d m a 网络的优点，通信稳定可靠，安装及运行成本低廉。 1 5 系统创新点 本系统创新点如下： 1 采用a r m 作为微处理器，简化硬件电路，提高可靠性；低功耗掉电工作模式， 定时采集，定时传输，延长电池的工作时间。 2 采用加速度传感器和拉线位移传感器相结合的方式，即保证了示功图的准确度， 又保证了全无线连接，提高了整个系统的可靠性。 3 使用微功率无线数据传输和c d m a 通讯相结合的联网方式，降低了整个系统的 安装和运行费用。 4 数据中心采用服务器客户机工作模式，便于用户共享数据。 5 第二章系统硬件设计 第二章系统硬件设计 幕一覃糸z 冗臼殳仟设计 2 1 微处理器l p c 2 13 8 2 14 8 2 1 1l p c 2 1 3 8 2 1 4 8 的特性 l p c 2 1 3 8 l p c 2 1 4 8 是由p h i l i p s 公司制造的，基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪 的3 2 1 6 位a r m 7t d m i s t mc p u 的微控制器，带有5 1 2 k b 的嵌入的高速f l a s h 存储器， 1 2 8 位宽度的存储器接口和独特的加速结构使3 2 位代码能够在最大时钟速率下运行。它 对代码规模有严格控制，使其可用1 6 位的t h u m b 模式将代码规模降低超过3 0 ，而性能 损失却很小。其较小的封装、极低的功耗以及2 个3 2 位定时器、2 个l o 位8 路a d c 、1 个1 0 位d a c 、p w m 通道和4 7 个g p i o 以及多达9 个边沿或电平触发的外部中断可使 l p c 2 1 3 8 2 1 4 8 理想地用于小型系统中，如访问控制、p o s 机、通讯网关、协议转换器、 软r o o d e m 、声音辨别和低端成像等f 1 2 】【1 3 1 。 l p c 2 1 3 8 具有如下特性【1 2 】【1 3 】： 超小型l q f p 6 4 封装的16 3 2 位a r m 7 t d m i s 微控制器。 3 2 k b 的片内静态r a m 和3 2 6 4 1 2 8 2 5 6 5 1 2 k b 的片内f l a s h 程序存储器。1 2 8 位 宽度接n a n 速器可实现高达6 0m h z 工作频率。 通过片内b b o t 装载程序实现在系统编程在应用编程( i s p 几妤) 。单个f l a s h 扇 区或整片擦除时间为4 0 0 m s 。2 5 6 字节行编程时间为l m s 。 e m b e d d e d l c e r 和嵌入式跟踪接口通过片内r e a l m o n i t o r 软件对代码进行实时 调试和高速跟踪。 2 个8 路1 0 位的a d 转换器，共提供1 6 路模拟输入，每个通道的转换时间低至 2 4 4 u s 。 1 个1 0 位的d a 转换器，可产生不同的模拟输出。 2 个3 2 位定时器j b 部事件计数器( 带4 路捕获和4 路比较通道) 、p w m 单元 ( 6 路输出) 和看门狗。 低功耗实时时钟具有独立的电源和特定的3 2 k h z 时钟输入。 多个串行接口，包括2 个1 6 c 5 5 0 工业标准u a r t 、2 个高速1 2 c 总线( 4 0 0 k b i t s ) 、s p i 和具有缓冲作用和数据长度可变功能的s s p 。 向量中断控制器。可配置优先级和向量地址。 小型的l q f p 6 4 封装上包含多达4 7 个通用i o1 3 ( 可承受5 v 电压) 。 多达9 个边沿或电平触发的外部中断管脚。 通过片内p l l ( 1 0 0 u s 的设置时间) 可实现最大为6 0 m h z 的c p u 操作频率。 片内集成振荡器与外部晶体的操作频率范围为l 3 0m h z ，与外部振荡器的操作 一6 一 第二章系统硬件设计 频率范围高达5 0 m h z 。 低功耗模式：空闲和掉电。 可通过个别使能禁止外部功能和外围时钟分频来优化功耗。 通过外部中断或b o d 将处理器从掉电模式中唤醒。 单电源，具有上电复位( p o r ) 和掉电检测( b o d ) 电路：c p u 操作电压范围： 3 0 v - - 3 6v ( 3 3v 士1 0 ) ，i o 口可承受5 v 的电压。 u s b2 0 全速设备控制器( 仅l p c 2 1 4 8 ) 具有2 k b 的终端r a m 。此外，提供8 k b 的片内r a m ，可通过d m a 访i b u s b t l 4 】【1 5 】。 2 1 2l p c 2 1 3 8 2 1 4 8 引脚排列 l p c 2 1 3 8 2 1 4 8 i ；1 脚排列图如图2 1 所示【1 3 1 。 萎蛰l 塑袭碧醛 芷箩妄安若誓2l 浚 图2 1l p c 2 1 3 8 2 1 4 8 引脚排列 2 2 加速度传感器a d x l l0 5 2 。2 。1a d x l l0 5 的特性 a d x l l 0 5 是a n a l o g 公司生产的单轴加速度测量系统，它具有模拟输入、高性能、 7 k 零笛，a a 墨6el-4竹二s一。搴一毒竹警叶id基：荔。r鑫一l墨暑一 第二章系统硬件设计 高准确度的特点，其带宽和噪声抑制的性能优于所有目前使用的同类芯片。a d x l l 0 5 的测试量程是+ 5 9 ，输出为一个模拟电压量。输入信号为零时，噪声值是2 2 5 t g h z ，分 辨率为2 m g 。其频响带宽为1 0 k h z ，可以满足一般振动测量的需要。a d x l l 0 5 的输出在 偏移量、敏感度以及抑制温度漂移等方面均强于它的前代产品a d x l 0 5 。a d x l l 0 5 既可 测量动态加速度( 典型应用是测量振动) ，又可测量静态加速度，如惯性、重力和倾斜。 其输出的比例因子可以用内置的运算放大器和外部电阻调节，可调范围是2 5 0 m v g 到 1 5 v g 。芯片内置了温度传感器，其8 m v 。c 的输出可以补偿偏移量和温度引起的漂移， 在需要精确测量的场合中可以选用【1 6 】【1 7 】。 2 2 2a d x l l 0 5 的功能模块图 h o x t a 0 5 的功能模块图如图2 2 所剥1 引。 t o u t0 s t v d d 两尚 a d x l l 0 5 彳 一! 卜叫! h ! h 竺h 1 2 卜：卜一! ! h c o m c o m , a o t r rv m mv n i ,v i nu c a o t r r 图2 2a d x l l 0 5 功能模块图 a d x l l 0 5 引脚功能如下【1 7 1 ： v d d ：a d x l l 0 5 有两个电压输入引脚1 3 和1 4 。这两个引脚应直接与电源相连。 a d x l l 0 5 的输出与电源的供电电压成比例。因此需要在v d d 和c o m 之间添加一个 0 2 2 m f 的退耦电容用于降低供电电压的噪声。 c o m ：a d x l l 0 5 有两个接地引脚4 和7 ，它们应直接相连并接地。 s t ：自检输入端，当s t 接v d d 时，将加一个静电压使传感器的中心电容极板发生 偏转，等效于施加一个加速度力，帮助用户检查加速度计的功能。平时该引脚可开路， 亦可与c o m 引脚相连。 a o u t ：加速传感器的输出端，提供一个2 5 0 m v g 的比例放大系数( v d d = 5 v 时) 。 a o u t 是高阻抗输出端，所以在a o u t 和a d 转换装置间要添加缓冲器。 v m i n ：输出值为v d d 2 。其固定的用途是在板内为u c a 提供参考电压，输出阻抗 为1 0 k q 。 t o u t ：温度传感器的输出端，在2 5 时的输出值是2 5 v ，变化量是8 m v ，其输 一8 r 一 一 肿型一 住趴一 一 一 兰一 第二章系统硬件设计 出量与供电电压成比例。 u c a ：此运算放大器是低噪声、低漂移设计。u c a 可用于改变a d x l l 0 5 的输出比 例放大系数，也可用于构建单极性或者双极性滤波器。 2 3s d 存储卡 s d 卡( s e c u r ed i g i t a lm e m o r yc a r d ) 中文翻译为安全数码卡，是一种基于半导体快 闪记忆器