專利名稱：存儲式壓力采集系統(tǒng)及其油井壓力采集方法
技術領域：
本發(fā)明涉及油田勘探技術領域，特別是涉及一種油田注水壓力采集系統(tǒng)和采集方法。
背景技術：
隨著石油技術的深入發(fā)展，壓力計在油田勘探開發(fā)中發(fā)揮著日益顯著的作用。電子壓力計以精確度高以及直觀的顯示受到廣大石油工程技術人員的青睞。電子壓力計已逐步取代機械壓力計成為井下壓力采集的主流。
在石油開采的過程中，需要將高壓力的水高速打入井下，再將水油混合物抽送到地面。然后，將水和石油分離。因為水的壓力和油的收率有一定的曲線關系，可以通過儀器采集壓力得到壓力與油的收率曲線圖，根據(jù)曲線圖來調整加的水量及水的壓力以獲取最大的收油率。將油田注水壓力數(shù)據(jù)上傳到計算機里進行分析處理、得出曲線圖。根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)分析出注水壓力與產品產量和質量上的關系。記錄采集壓力的時間、日期。設置的采樣間隔時間可調，采樣時間長達數(shù)天，采集壓力值多達幾萬個。所以，急需一種適用于油田的測壓裝置。由于測量地點在施工現(xiàn)場，遠離數(shù)據(jù)的處理場所，不可能將主計算機直接應用于現(xiàn)場。因此必須采用一種小型的采集設備進行采集，將采集的數(shù)據(jù)帶回數(shù)據(jù)處理場所。現(xiàn)在一般采用無線傳輸模塊，將采集的數(shù)據(jù)通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊傳回到處理場所。該方案的優(yōu)點是對壓力數(shù)據(jù)可以實施監(jiān)控。無線數(shù)傳模塊可以將采集到的壓力數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理場所。但是由于現(xiàn)場離處理場所比較遠，必須采用大功率的無線數(shù)傳模塊， 一方面大功率的無線通信產品需要經過國家批準才可使用，另一方面大功率的無線通信模塊成本很高，而且無線通信受到地形和空中干擾信號的影響比較大。還具有體積大、功耗高、不能長時間采集并記錄井下壓力、溫度數(shù)據(jù)、由于用戶進行的違規(guī)關機操作容易造成重要數(shù)據(jù)丟失的缺陷。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供一種存儲式壓力采集系統(tǒng)及其油井壓力采集方法，要解決現(xiàn)有技術中采集系統(tǒng)體積大，功耗高，不能長時間采集并記錄井下壓力、溫度數(shù)據(jù)，當用戶進行違規(guī)關機操作時容易造成重要數(shù)據(jù)丟失的技術問題。
為達到上述目的，本發(fā)明的技術方案提供一種存儲式壓力采集系統(tǒng)，包括下位機和上位機，所述下位機內包括
壓力傳感器，用于采集壓力參量的信息并轉換成電信號；放大器，用于將所述壓力傳感器轉換的電信號進行放大；模數(shù)轉換器，用于將所述放大器放大后的電信號轉換為數(shù)字信號；
單片機，用于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存取和時鐘參數(shù)設置，并對所述數(shù)字信號進行處
理；
實時時鐘電路，與所述單片機連接，用于實時時鐘的顯示和對時；存儲器，用于存儲所述單片機處理后的數(shù)字信號和時間；液晶顯示模塊，與所述單片機連接，用于顯示時間和壓力值；按鍵控制電路，與所述單片機連接，用于輸入存儲編號和采樣間隔時間；通信接口，用于將信息傳輸給上位機，微型計算機；
電源模塊和電源，用于給上述系統(tǒng)中的單片機、模數(shù)轉換器、液晶顯示模塊、通信接口、存儲器供電；
開關，用于切斷電源模塊與單片機之間的供電電路。
所述系統(tǒng)還包括與單片機連接的看門狗電路，用于對系統(tǒng)死機或系統(tǒng)掉電的監(jiān)控及處理。
所述上位機的界面包括有波特率的設定鍵、密碼修改、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)庫存儲、形成報表和繪圖操作的界面。
所述通信接口為串行接口，控制芯片與所述模數(shù)轉換器、存儲器和液晶顯示模塊分別采用串行接口連接。
所述電源模塊帶有兩路供電電路，每一路供電電路都有一個開關穩(wěn)壓集成電路芯片，其中一路供電電路給單片機和看門狗電路供電，并與一個開關按鍵連接，另一路供電電路給模數(shù)轉換器、液晶顯示模塊、通信接口、存儲器供電。
所述開關是電源模塊與單片機的1/0接口之間連接的一個軟開關機電路，軟開關機電路包括在供電電路連接的開關按鍵、連接在開關按鍵輸入和單片機CPU引腳之間的兩個二極管
、分別連接在單片機的兩個電源接口和正常工作模式轉換引腳/安全關機模式轉換引腳之間的兩個非門元件、兩個三極管和兩個電阻。
所述單片機中有一個開機時長檢測電路，用于檢測電源鍵按下的時間，并在檢測到電源
鍵按下的時間到達預先設定的時間閾值后輸出開機信號；
所述單片機中還有一個開機控制電路，用于根據(jù)所述開機信號，對所述電源模塊的正常工作模式/安全關機模式轉換弓1腳進行高低電平的設置。
一種應用上述存儲式壓力采集系統(tǒng)的油井壓力采集方法，其特征在于采用停止狀態(tài)功
7能模塊和采集狀態(tài)功能模塊兩大部分，采集步驟如下
將存儲式壓力采集系統(tǒng)采樣所得的壓力值存儲到存儲器中；
上位機向下位機發(fā)送請求字符，下位機進入串口中斷，將數(shù)據(jù)從存儲器中讀出，并進行
相應的數(shù)據(jù)格式轉換，發(fā)送給上位機；
上位機接收到數(shù)據(jù)后，進行相應的數(shù)據(jù)處理；在通信過程中也要完成上位機發(fā)送系統(tǒng)時間給下位機，下位機將時間進行存儲、在LCD顯示器上顯示的功能；
數(shù)據(jù)上傳和清除內存系統(tǒng)將存儲器中從首地址到地址指針的末尾的全部數(shù)據(jù)轉換成ASCII碼通過串口上傳至上位機；計算機發(fā)出清除內存命令，此命令把存儲器的數(shù)據(jù)指針調
整回OO 00 00，并寫入結束標志；
所述停止狀態(tài)功能模塊有以下步驟
(1) ，長按電源鍵3秒執(zhí)行開機程序；
(2) ，開始初始化串口；
(3) ，清除鍵值；
(4) ，顯示停止狀態(tài)背景，準備響應來自串口的命令；
(5) ，當串口傳來命令，判斷是否為TT命令字；如果是TT命令字，則執(zhí)行對時子程序，進行對時，完成程序后，返回第2步進行初始化串口；如果接收命令字不是TT，則進入下
一步判斷；TT是對時命令字，格式為TT年月日時分秒；在收到此命令后停止狀態(tài)功能模塊
會進行對時操作，將TT后面的時間數(shù)據(jù)年月日時分秒轉換成BCD數(shù)寫入系統(tǒng)時鐘并顯示當前時間；
(6) ，判斷從串口接收命令是否為CC命令字；如果是CC命令字，則執(zhí)行清除內存子程序，對內存進行清除，完成程序后，返回第2步進行初始化串口；如果接收命令字不是CC，則進入下一步判斷；CC是清除內存命令字，此命令把存儲器的數(shù)據(jù)指針調整回OO 00 00并寫入結束標志；
(7) ，判斷從串口接收命令是否為RR命令字，如果是RR命令字，則執(zhí)行上傳數(shù)據(jù)子程序，進行數(shù)據(jù)上傳，完成程序后，返回第2步進行初始化串口；如果接收命令字不是RR，則進入下一步判斷；RR是上傳命令字，系統(tǒng)收到此命令字時進行上傳數(shù)據(jù)操作，系統(tǒng)將存儲器中從首地址到地址指針末尾的全部數(shù)據(jù)轉換成ASCII碼通過串口上傳至上位機；
(8) ，判斷是否有OK鍵被按下，如果按下OK鍵，則執(zhí)行采集狀態(tài)功能模塊，詳細內容在下面提到，完成程序后，返回第2步進行初始化串口；如果沒有按下OK鍵，則進入下一步判斷；所述采集狀態(tài)功能模塊有以下步驟
(a) 、首先輸入存儲編號；
(b) 、輸入采樣間隔；
(c) 、初始化時采樣間隔是零；通過按鍵輸入采樣間隔不為零時，顯示采集畫面；
(d) 、讀取時鐘芯片，將秒SEC單元的值送入秒暫存單元SEC1中；
(e) 、將秒變化標志清零，將采樣間隔秒、分、時單元清零；
(f) 、讀取模數(shù)轉換器的A/D采樣值；
(g) 、進行平均值濾波；
(h) 、將壓力值進行單位轉換；
(i) 、讀取時鐘芯片，判斷秒SEC單元中的值與秒暫存單元SEC1中的值是否一致，如果一致，將秒變化SEC0N標志位置1;
(j)、判斷秒變化標志位SEC0N是否為1，如果為l，采樣間隔秒、分、時暫存單元進行調整；將秒變化標志位SECON清零；(k)、顯示壓力值；
(1)、判斷采樣間隔時間是否到？如果采樣間隔時間到，判斷存儲器數(shù)據(jù)是否存滿，如果數(shù)據(jù)已經存滿，采集功能停止；
(m)、如果存儲器數(shù)據(jù)沒有存滿，調采樣寫入子程序，將采樣值寫入到存儲器中，更新采樣標志顯示；
(n)、判斷OK鍵是否按下？如果按下0K鍵，采集功能停止。如果沒有按下OK鍵繼續(xù)采樣。讀取模數(shù)轉換器的A/D采樣值。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的技術方案具有如下優(yōu)點
本發(fā)明的存儲式壓力采集系統(tǒng)，可以實現(xiàn)壓力數(shù)據(jù)采集、A/D轉換、數(shù)據(jù)處理以及保存顯示等功能，以滿足油田獲取最大采油率的需要。存儲式壓力采集系統(tǒng)實現(xiàn)大量壓力數(shù)據(jù)存儲，實現(xiàn)時間、油井號的輸入，以及傳送數(shù)據(jù)到上位機的功能。存儲式壓力采集系統(tǒng)全部采用串行芯片，使得系統(tǒng)構成體積小。系統(tǒng)采用軟開關機電源電路，實現(xiàn)了軟開關機的功能，軟關機時，單片機本身和VCC上所有器件停止供電，電路處于關機狀態(tài)，大大降低了能耗。存儲式壓力采集系統(tǒng)具有精度高、性能可靠、操作方便、體積小、功耗低的特點，能長時間采集并記錄井下壓力、溫度數(shù)據(jù)，當用戶進行違規(guī)關機操作時，也不會造成重要數(shù)據(jù)丟失?？蓱糜趯τ吞锢镉途⑺畨毫?shù)據(jù)進行采集與存儲。


圖l是本發(fā)明存儲式壓力采集系統(tǒng)的結構示意圖；圖2是軟開關機電路和電源模塊的連接示意圖；圖3是軟開關機電路與單片機連接的示意圖；圖4是實時時鐘電路與單片機的連接示意圖5是本發(fā)明油井壓力采集方法中停止狀態(tài)功能模塊的程序流程圖；圖6是本發(fā)明油井壓力采集方法中采集狀態(tài)功能模塊的程序流程圖；圖7是應用本發(fā)明將采集的數(shù)據(jù)上傳到計算機的畫面顯示圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。
本發(fā)明如圖l所示這種存儲式壓力采集系統(tǒng)包括下位機和上位機，下位機內包括壓力傳感器，用于采集壓力參量的信息并轉換成電信號；放大器，用于將所述壓力傳感器轉換的電信號進行放大；模數(shù)轉換器，用于將所述放大器放大后的電信號轉換為數(shù)字信號；
單片機，用于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存取和時鐘參數(shù)設置，并對所述數(shù)字信號進行處
理；
實時時鐘電路，與所述單片機連接，用于實時時鐘的顯示和對時；存儲器，用于存儲所述單片機處理后的數(shù)字信號和時間；液晶顯示模塊，與所述單片機連接，用于顯示時間和壓力值；按鍵控制電路，與所述單片機連接，用于輸入存儲編號和采樣間隔時間；通信接口，用于將信息傳輸給微型計算機；
電源模塊和電源，用于給上述系統(tǒng)中的單片機、模數(shù)轉換器、液晶顯示模塊、通信接口、存儲器供電；
開關，用于切斷電源模塊與單片機之間的供電電路。
與單片機連接的看門狗電路，用于對系統(tǒng)死機或系統(tǒng)掉電的監(jiān)控及處理。所述通信接口為串行接口，控制芯片與所述模數(shù)轉換器、存儲器和液晶顯示模塊分別采用串行接口連接。
參見圖2，所述電源模塊帶有兩路供電電路，每一路供電電路都有一個開關穩(wěn)壓集成電路芯片，其中一路供電電路給單片機和看門狗電路供電，并與一個開關按鍵連接，另一路供 電電路給模數(shù)轉換器、液晶顯示模塊、通信接口、存儲器供電。
參見圖2、圖3，所述開關是電源模塊與單片機的I/O接口之間連接的一個軟開關機電 路，軟開關機電路包括在供電電路連接的開關按鍵、連接在開關按鍵輸入和單片機CPU引腳 之間的兩個二極管、分別連接在單片機的兩個電源接口和正常工作模式轉換引腳/安全關機 模式轉換引腳之間的兩個非門元件、兩個三極管和兩個電阻。
所述單片機中有一個開機時長檢測電路，用于檢測電源鍵按下的時間，并在檢測到電源 鍵按下的時間到達預先設定的時間閾值后輸出開機信號；
所述單片機中還有一個開機控制電路，用于根據(jù)所述開機信號，對所述電源模塊的正常 工作模式/安全關機模式轉換弓1腳進行高低電平的設置。
下位機的主電路是由單片機、傳感器、放大電路、A/D轉換電路、液晶顯示電路、實 時時鐘電路、按鍵控制電路和電源電路等主要部分組成。它以微處理器AT89S52為核心，壓 力傳感器將壓力引起的微小電阻變化轉換為相應的電壓信號變化，該電壓信號經放大電路放 大后送A/D轉換器轉換為相應的數(shù)字量，存入到存儲器中并送液晶顯示器顯示。在計算機上 鍵入油井井號則可以調出存儲的采集壓力值，以便分析測量結果。壓力采集系統(tǒng)通過 RS-232C標準接口與計算機進行通信，利用計算機強大的數(shù)據(jù)處理功能和屏幕顯示功能，使 數(shù)據(jù)處理更完善，屏幕顯示內容更豐富。系統(tǒng)中采用串行接口芯片，使體積減小，抗干擾性 能提高。
系統(tǒng)的基本設計原理為傳感器拾取壓力參量的信息并轉換成電信號，放大后的信號經
A/D轉換器轉換成相應的數(shù)字信號后送入單片機中；單片機進行數(shù)據(jù)運算和處理；運算的結
果被轉換為BCD碼進行顯示；同時單片機把運算結果存儲于片外E^ROM內。壓力采集系統(tǒng)還 可以與計算機相連，由核心部件單片機作為下位機采集信號與數(shù)據(jù)，進行存儲，通過串行通 信接口將信息傳輸給計算機，由計算機進行全局管理。
存儲式壓力采集系統(tǒng)可以分為井下儀器部分即下位機和地面處理部分即上位機。井下 儀器部分要求體積小、功耗低，能長時間采集并記錄井下壓力、溫度數(shù)據(jù)。由于井下儀器在 井內要長時間工作，中途不能斷電，在電池容量有限的情況下，采用合理的結構及降低系統(tǒng) 功耗是提高系統(tǒng)可靠性、延長儀器工作時間的主要方法。為配合井下儀器的使用，需要設計 相應的地面處理軟件，其功能包括①、設置井下儀器參數(shù)，使其按要求的方式工作；②、
回放井下數(shù)據(jù)并對其處理，圖形顯示，數(shù)據(jù)存儲，以便分析井下的工作情況。
本實施例選用Atmel公司的AT89S52單片機作為微處理器核心部件。通過放大器AD620將采集到壓力傳感器的模擬信號放大，通過A/D轉換器TLC2543將模擬信號轉化為數(shù)字信號送給 單片機。顯示器選用RT12832B中文液晶液晶顯示模塊，用于時間和壓力值的顯示。為實現(xiàn)低 能耗信號采集，設計了軟開關機電源電路，實現(xiàn)了系統(tǒng)的軟開關機功能。在按下開關數(shù)秒鐘 后，系統(tǒng)方可開始工作，使得系統(tǒng)更加安全可靠。實現(xiàn)了按鍵控制電路顯示的監(jiān)控管理。外 擴的存儲器24C1024用于存儲采集到的壓力值。系統(tǒng)完成了存儲器的地址調整、連續(xù)讀寫等 操作。實現(xiàn)了壓力數(shù)據(jù)的采集、單位轉換、實時顯示、存儲等操作。實時時鐘選用DS1302芯 片，完成了實時時鐘的顯示、對時等功能。為了實現(xiàn)單片機與計算機之間的通信，選用了 MAX232芯片。制定了通信協(xié)議實現(xiàn)了壓力數(shù)據(jù)的正確上傳。A/D轉換器TLC2543沒有內部參考 電壓源需要外部供給。采用LM336-2. 5作為TLC2543的基準電壓源。LM336-2. 5是一個精準的 穩(wěn)壓集成電路，誤差不超過±1%。
系統(tǒng)用到的芯片還有MAX813、 MAX735和LM2574-5. 0等芯 片。
本發(fā)明的壓力采集系統(tǒng)的工作過程是存儲編號、采樣間隔時間由按鍵控制電路置入， 如采樣時間到系統(tǒng)將壓力傳感器的信號經過放大器放大，A/D轉換、濾波等處理后讀入單片 機的內存單元。并將二進制的壓力值進行單位變換并顯示在LCD顯示器上。隨后將壓力數(shù)據(jù) 和時間存入單片機外擴的存儲器單元。到數(shù)據(jù)處理場所后，將壓力采集系統(tǒng)里所存的壓力數(shù) 據(jù)上傳到計算機中。壓力采集系統(tǒng)要求具有便攜性。能夠方便地在工作現(xiàn)場和數(shù)據(jù)處理場所 移動。
本發(fā)明的存儲式壓力采集系統(tǒng)可以工作在休眠狀態(tài)，并且實現(xiàn)了軟關機功能。下面對軟 開關機及休眠狀態(tài)進行詳細說明 (1)、軟開關機的實現(xiàn)
本發(fā)明的存儲式壓力采集系統(tǒng)采用了軟開關機電路。軟開關機電路除了能使系統(tǒng)的使用 更加方便以外，還防止了用戶的不正常關機。如系統(tǒng)在采集狀態(tài)下用戶進行的違規(guī)關機操 作。使用軟開關機功能還可以實現(xiàn)在關機時對軟件做一些保護性工作，如保存一些重要數(shù)據(jù) 到E^ROM后再進行關機操作。
圖2中電源模塊LM2574具有Shutdown模式。當模塊的第3腳為低電平時系統(tǒng)處于正常工作 模式，當?shù)?腳為高電平時，系統(tǒng)進入Shutdown模式，此時的功耗僅為50yA，對于電池供電 的系統(tǒng)也是可以接受的。
電源電路設計采用2塊電源模塊LM2574。圖2中U11為單片機、復位和按鍵控制電路電路 供電，U12受單片機引腳P2.7的控制為其余外圍電路如時鐘電路、存儲器電路、測量電橋、 A/D和顯示電路供電，這樣可以使外圍電路只在必要時工作，降低系統(tǒng)功耗。
12開機過程當電源鍵POWER按下時，圖2中網(wǎng)絡標號PWKEY為低電平。Ull LM2574的3腳 被下拉到低電平，LM2574進入正常工作狀態(tài)，此時VCC為5V， CPU供電正常。同時網(wǎng)絡標號 PW被下拉到低電平，網(wǎng)絡標號PW接到CPU的引腳P2. 5作為電源鍵輸入信號，當CPU通過網(wǎng)絡標 號PW檢測到PWKEY被按下超過3秒鐘時，CPU置低P2.6引腳，使非門U9A的管腳2 PW1為高電平 。PW1的高電平通過一個電阻R21加在三極管Q1 9014的基極上，Ql導通使Ull LM2574的3腳下 拉至低電平，此時放開電源鍵POWER， Ull LM2574的3腳仍然為低電平，系統(tǒng)處于開機狀態(tài)。 此時軟開機已完成。
開機過程類似于繼電器的自鎖過程，不同的是自鎖由軟件進行判斷，在大于一定時間后 自鎖。
二極管D3 D4的作用是隔離。由于電源電壓大于5V，如果電源鍵POWER直接接入單片機， 會使單片機I/0口的電壓超過5V，有可能損壞單片機。加入兩個二極管將電源的上拉與VCC的 上拉隔離，從而解決此問題。
關機過程單片機將引腳P2.6置高，網(wǎng)絡標號PW1為低電平，此時三極管Q14截止，電源 模塊LM2574的3腳為高電平，Ull LM2574進入Shutdown模式，單片機本身和VCC上所有器件將 停止供電，電路處于關機狀態(tài)。
(2)、壓力采集系統(tǒng)的休眠模式
雖然壓力采集系統(tǒng)工作時間長，但真正進行數(shù)據(jù)采集的時間較短，大部分時間處于等待 狀態(tài)，兩次采樣時間間隔最長達2小時。利用這個特點，可使系統(tǒng)處于間歇工作狀，降低系 統(tǒng)功耗。
VCC2是壓力采集系統(tǒng)的第二路供電，由另一個LM2574供應。壓力采集系統(tǒng)里的很多器件 如模數(shù)轉換器即(A/D轉換器)TLC2543、液晶顯示模塊、串口通信芯片MAX232、存儲器 AT24C1024都接在此路供電上。設計此路供電的目的是在采集間隔時將此路供電切斷，單片 機休眠，系統(tǒng)處于低功耗狀態(tài)。最大限度地降低系統(tǒng)功耗。 一些關鍵器件如CPU本身、看門 狗不能接在此路供電上。
本實施例的硬件設計
1.實時時鐘電路
時鐘與單片機連接圖如圖4所示，DS1302慢速充電時鐘芯片包括實時時鐘/日歷和31字節(jié) 的靜態(tài)RAM，它經過一個簡單的串行接口與微處理器通信，實時時鐘/日歷提供秒、分、時、 日、周、月和年的信息。對于小于31天的月，月末的日期會自動調整，還有閏年矯正的功能 。時鐘的運行可以采用24小時或帶AM(上午)/PM(下午)的12小時模式。DS1302芯片的引腳中，其中VCC1為后備電源，VCC2為主電源。在主電源關閉的情況下， 也能保持時鐘的連續(xù)運行。DS1302由VCC1或VCC2兩者中的較大者供電。當VCC2大于VCC1十 0. 2V時，VCC2給DS1302供電。當VCC2小于VCC1時，DS1302由VCC1供電。X1和X2是振蕩源，外 接32. 768kHz晶振。RST是復位/片選線，通過把RST輸入驅動置高電平來啟動所有的數(shù)據(jù)傳 送。RST輸入有兩種功能首先，RST接通控制邏輯，允許地址/命令序列送入移位寄存器； 其次，RST提供終止單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)的傳送手段。當RST為高電平時，所有的數(shù)據(jù)傳送被 初始化，允許對DS1302進行操作。如果在傳送過程中RST置為低電平，則會終止此次數(shù)據(jù)傳 送，1/0引腳變?yōu)楦咦钁B(tài)。1/0為串行數(shù)據(jù)輸入輸出端。SCLK始終是輸入端。
2. 存儲器
系統(tǒng)要連續(xù)采集壓力數(shù)天，如間隔30秒的話將會有上萬個壓力值，需要大容量的存儲器 件。存儲器采用了ATMEL公司的AT24C1024， 24C1024為I2C總線的E^R0M。擁有1M位的存儲容 量(128K字節(jié))。AT24C1024具有很高的穩(wěn)定性，可重復擦寫10萬次以上，可保存數(shù)據(jù)長達 40年之久。AT24C1024是兩線制串行器件，與CPU的連接只需要兩根線。此器件需要外接兩個 上拉電阻。AT24C1024的寫操作有寫字節(jié)和寫頁兩種方式。讀操作有當前地址讀、隨機讀、 讀串三種方式。
3. 看門狗電路
采用MAXIM公司的MAX813L實現(xiàn)看門狗功能。壓力采集系統(tǒng)在工作時，由于干擾等各種因 素的影響，有可能出現(xiàn)死機現(xiàn)象導致單片機系統(tǒng)無法正常工作，為了克服這一現(xiàn)象，需外加 看門狗電路；除此以外系統(tǒng)還要求在掉電瞬間，壓力采集系統(tǒng)能將重要數(shù)據(jù)保存下來，因掉 電的發(fā)生往往是很隨機的，因而系統(tǒng)需要有電源監(jiān)控電路，在掉電剛發(fā)生時能告知單片機。
4. 電源模塊
存儲式壓力采集系統(tǒng)的微控制器單片機和其它器件都需要一個穩(wěn)定的工作電壓才能可靠 工作。而設計者多習慣采用線性穩(wěn)壓器件(如78xx系列三端穩(wěn)壓器件)作為電壓調節(jié)和穩(wěn)壓 器件，將較高的直流電壓轉變單片機所需的工作電壓。這種線性穩(wěn)壓電源的線性調整工作方 式在工作中會有大的"熱損失"。
而開關電源調節(jié)器件則以完全導通或關斷的方式工作。工作時或者是大電流流過低導通 電壓的開關管、或者是完全截止無電流流過。因此，開關穩(wěn)壓電源的功耗極低。在相同電壓 降的條件下，開關電源調節(jié)器件與線性穩(wěn)壓器件相比具有少得多的"熱損失"。因此，開關 穩(wěn)壓電源可大大減少散熱片體積和PCB板的面積，甚至在大多數(shù)情況下不需要加裝散熱片， 從而減少了對單片機工作環(huán)境的有害影響。
14LM2574系列開關穩(wěn)壓集成電路是線性三端穩(wěn)壓器件(如78xx系列端穩(wěn)壓集成電路)的替 代品，它具有可靠的工作性能、較高的工作效率和較強的輸出電流驅動能力，從而為存儲式 壓力采集系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠工作提供了強有力的保證。
LM2574系列是美國國家半導體公司生產的0. 5A電流輸出降壓開關型集成穩(wěn)壓電路，它內 含固定頻率振蕩器(52kHz)和基準穩(wěn)壓器(1.23V)，并具有完善的保護電路，包括電流限 制及熱關斷電路等，利用該器件只需極少的外圍器件便可構成高效穩(wěn)壓電路。
5. 放大器
放大器要有低功耗、低漂移、低失調，增益線性好的特點，才能對傳感器的微弱信號進 行不失真的放大，才能保證測量數(shù)據(jù)的精確。本實施例選用了美國AD公司推出的精密儀表放 大器AD620，作為該變送器的直流放大器。該放大器的特點是差動輸入，單端輸出。AD620具 有很高的精度，因此把它用于精確的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是比較理想的。
6. A/D轉換器
在壓力采集系統(tǒng)中為了能夠實現(xiàn)對外界模擬信號的測量，必須通過A/D轉換器將電信號 轉換為數(shù)字信號。A/D轉換器的種類繁多，各種器件的參數(shù)差別也較大，有多種轉換精度的 選擇如8位12位16位。根據(jù)工藝要求所測量的壓力值是0-20MPa帶有一位小數(shù)，如IO. lMPa。 8位A/D轉換器不能滿足精度要求，12位A/D轉換器可以滿足要求，故選擇12位A/D。根據(jù)工藝 要求壓力采集的時間間隔大于l秒，采用串行器件所造成的傳輸延時對系統(tǒng)的影響可以忽略 不計。采用A/D轉換器TLC2543。 TLC2543是TI公司推出的12位開關電容逐次逼近式A/D轉換 器。器件有采樣保持功能，有14路模擬開關可以輸入11路模擬信號，其中有3路用于內部自 檢。具有高速(10us轉換時間)，高精度和低噪聲等優(yōu)點。12位分辨率，最大士1LSB的線性 誤差。
7. 液晶顯示模塊
存儲式壓力采集系統(tǒng)采用RT12832B漢字圖形點陣液晶液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖 形，內置8192個中文漢字(16X16點陣)、128個字符(8X16點陣)及64X256點陣顯示RAM ( GDRAM)。電源范圍是3. 3V +5V，顯示內容為128列X 32行，是串行接口顯示芯片，按照串 行連接時序圖實現(xiàn)顯示。
應用上述存儲式壓力采集系統(tǒng)的油井壓力采集方法采用停止狀態(tài)功能模塊和采集狀態(tài)功 能模塊兩大部分。
停止狀態(tài)功能模塊的程序流程圖如圖5所示 (1)，長按電源鍵3秒執(zhí)行開機程序；
15(2) ，開始初始化串口；
(3) ，清除鍵值；
(4) ，顯示停止狀態(tài)背景，準備響應來自串口的命令；
(5) ，當串口傳來命令，判斷是否為TT命令字；如果是TT命令字，則執(zhí)行對時子程
序，進行對時，完成程序后，返回第2步進行初始化串口；如果接收命令字不是TT，則進入下 一步判斷；
TT是對時命令字。格式為TT年月日時分秒，例TT050607103100 在收到此命令后停止狀態(tài)功能模塊會進行對時操作，將TT后面的時間數(shù)據(jù)年月日時分秒 轉換成BCD數(shù)寫入系統(tǒng)時鐘并顯示當前時間。
(6) ，判斷從串口接收命令是否為CC命令字；如果是CC命令字，則執(zhí)行清除內存子程 序，對內存進行清除，完成程序后，返回第2步進行初始化串口；如果接收命令字不是CC， 則進入下一步判斷；
CC是清除內存命令字。此命令把存儲器的數(shù)據(jù)指針調整回OO 00 00并寫入結束標志。
(7) ，判斷從串口接收命令是否為RR命令字。如果是RR命令字，則執(zhí)行上傳數(shù)據(jù)子程 序，進行數(shù)據(jù)上傳，完成程序后，返回第2步進行初始化串口；如果接收命令字不是RR，則 進入下一步判斷；
RR是上傳命令字。系統(tǒng)收到此命令字時進行上傳數(shù)據(jù)操作。系統(tǒng)會將存儲器中從首地址 到地址指針末尾的全部數(shù)據(jù)轉換成ASCII碼通過串口上傳至上位機。
(8) ，判斷是否有OK鍵被按下。如果按下0K鍵，則執(zhí)行采集狀態(tài)功能模塊，詳細內容 在下面提到，完成程序后，返回第2步進行初始化串口；如果沒有按下OK鍵，則進入下一步 判斷；
(9) ，判斷是否有電源鍵被按下，如果電源鍵被按下3秒就執(zhí)行關機程序；如果沒有電 源鍵按下，程序返回第4步，等待響應來自串口的命令。
長按電源鍵三秒鐘在開機程序完成開機過程后就進入了停止狀態(tài)功能模塊。在停止狀態(tài) 時系統(tǒng)要顯示停止畫面、響應來自串口的命令進行對時操作、上傳數(shù)據(jù)操作和清除內存操 作，還有鍵處理包括按OK鍵轉入采集功能模塊、長按電源鍵三秒鐘執(zhí)行關機操作。在停止狀 態(tài)時，系統(tǒng)串口處于打開狀態(tài)，在收到命令字TT、 RR、 CC時，執(zhí)行相應的操作。
采集狀態(tài)功能模塊完成設定存儲編號、設定采樣間隔、讀取壓力值進行濾波單位轉換、 壓力值的實時顯示、進行時鐘讀取的比對。若采樣時間到執(zhí)行采樣子程序、采樣標志更新等 功能。采集狀態(tài)功能模塊的程序流程圖如圖6所示。首先輸入存儲編號，輸入采樣間隔。初始化時采樣間隔是零。通過按鍵輸入采樣間隔不 為零時，顯示采集畫面。讀取時鐘芯片，將秒SEC單元的值送入秒暫存單元SEC1中。將秒變 化標志清零，將采樣間隔秒、分、時單元清零。讀取模數(shù)轉換器的A/D采樣值。進行平均值 濾波，并將壓力值進行單位轉換。讀取時鐘芯片，判斷秒SEC單元中的值與秒暫存單元SEC1 中的值是否一致，如果一致，將秒變化SEC0N標志位置1。判斷秒變化標志位SEC0N是否為1， 如果為l，采樣間隔秒、分、時暫存單元進行調整。將秒變化標志位SECON清零。顯示壓力 值。判斷采樣間隔時間是否到？如果采樣間隔時間到，判斷存儲器的數(shù)據(jù)是否存滿，如果數(shù) 據(jù)已經存滿，采集功能停止。如果存儲器的數(shù)據(jù)沒有存滿，調采樣寫入子程序，將采樣值寫 入到存儲器中，更新采樣標志顯示。判斷OK鍵是否按下？如果按下0K鍵，采集功能停止。如 果沒有按下OK鍵繼續(xù)采樣。讀取模數(shù)轉換器的A/D采樣值。
采集狀態(tài)功能模塊完成設定存儲編號、設定采樣間隔、讀取壓力值進行濾波單位轉換、 壓力值的實時顯示、進行時鐘讀取的比對。若采樣時間到執(zhí)行采樣子程序、采樣標志更新等 功能。
采集狀態(tài)中采樣時間是否到的判斷方法采用査詢的方法讀取時鐘芯片里的時間數(shù)據(jù)。 時間暫存寄存器里的數(shù)字是小時、分鐘、秒的BCD數(shù)。如果秒針發(fā)生變化就將時間暫存寄存 器里的時間數(shù)據(jù)加l秒。然后與設定的采樣時間間隔進行比對，如果與時間間隔相同說明到 了采樣時間。在程序編制中需要將分鐘、秒的寄存器作60進制調整。
參見圖7，應用本發(fā)明可以將采集的壓力數(shù)據(jù)上傳到計算機，實現(xiàn)上位機與下位機的通 信。圖中將下位機的數(shù)據(jù)傳送到上位機對其進行識別和處理，將壓力數(shù)據(jù)、井號、時間等參 數(shù)在操作界面上顯示出來，使操作人員可以直觀地看到所接收的數(shù)據(jù)。
本發(fā)明油井壓力采集方法如下將存儲式壓力采集系統(tǒng)采樣所得的壓力值存儲到存儲器 中，當上位機要讀取數(shù)據(jù)時，向下位機發(fā)送請求字符，下位機進入串口中斷，將數(shù)據(jù)從存儲 器中讀出，并進行相應的數(shù)據(jù)格式轉換，發(fā)送給上位機。上位機接收到數(shù)據(jù)后，進行相應的 數(shù)據(jù)處理。在通信過程中也要完成上位機發(fā)送系統(tǒng)時間給下位機，下位機進行存儲、在LCD 顯示器上顯示的功能。通過判斷不同的檢測字符可實現(xiàn)系統(tǒng)時間的下傳和壓力數(shù)據(jù)向上位機 的傳送。通信功能的實現(xiàn)主要依靠上位機發(fā)送中斷請求，進入下位機的中斷處理程序。下位 機識別發(fā)送過來的檢測字符，分別實現(xiàn)以下功能。
(1) 、下位機將采樣的數(shù)據(jù)從存儲器中讀出，傳送給上位機。上位機接收到數(shù)據(jù)后進 行處理。如數(shù)據(jù)分析、繪圖以及形成曲線，對數(shù)據(jù)的保存，存儲到數(shù)據(jù)庫，生成報表等。
(2) 、上位機發(fā)送系統(tǒng)時間給下位機進行時間的對準。上位機將系統(tǒng)時間讀出，發(fā)送給下位機，使下位機將正確時間顯示、存儲。上位機實現(xiàn) 參數(shù)的設定及相應的保護功能。用VB實現(xiàn)上位機界面的制作。
2. 數(shù)據(jù)上傳和清除內存
系統(tǒng)會將存儲器中從首地址到地址指針的末尾的全部數(shù)據(jù)轉換成ASCII碼通過串口上傳 至上位機。
計算機可以發(fā)出清除內存命令。此命令把存儲器的數(shù)據(jù)指針調整回OO 00 00并寫入結 束標志0E。
3. 上位機界面的制作
數(shù)據(jù)由下位機傳送到上位機后，要進行相應的數(shù)據(jù)處理，才能應用采樣所得的壓力值， 而且操作人員也很容易從所接收的數(shù)據(jù)分析現(xiàn)場的情況，采樣值的正確與否、壓力變化是否 正常。
上位機界面主要包括對端口、波特率的設定以及密碼的修改；實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送、接收， 實現(xiàn)數(shù)據(jù)的保存；實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)。對所存儲的數(shù)據(jù)形成報表；對所存儲的數(shù)據(jù)進行繪 圖操作，使操作人員清楚地看到油井壓力值的變化情況和趨勢。
本發(fā)明的存儲式壓力采集系統(tǒng)，可以實現(xiàn)壓力數(shù)據(jù)采集、A/D轉換、數(shù)據(jù)處理以及保存 顯示等功能，以滿足油田獲取最大采油率的需要。存儲式壓力采集系統(tǒng)實現(xiàn)大量壓力數(shù)據(jù)存 儲，實現(xiàn)時間、油井號的輸入，以及傳送數(shù)據(jù)到上位機的功能。
所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在 不脫離本發(fā)明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本 發(fā)明的保護范圍。
權利要求
1.一種存儲式壓力采集系統(tǒng)，其特征在于包括下位機和上位機，所述下位機內包括壓力傳感器，用于采集壓力參量的信息并轉換成電信號；放大器，用于將所述壓力傳感器轉換的電信號進行放大；模數(shù)轉換器，用于將所述放大器放大后的電信號轉換為數(shù)字信號；單片機，用于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存取和時鐘參數(shù)設置，并對所述數(shù)字信號進行處理；實時時鐘電路，與所述單片機連接，用于實時時鐘的顯示和對時；存儲器，用于存儲所述單片機處理后的數(shù)字信號和時間；液晶顯示模塊，與所述單片機連接，用于顯示時間和壓力值；按鍵控制電路，與所述單片機連接，用于輸入存儲編號和采樣間隔時間；通信接口，用于將信息傳輸給上位機，微型計算機；電源模塊和電源，用于給上述系統(tǒng)中的單片機、模數(shù)轉換器、液晶顯示模塊、通信接口、存儲器供電；開關，用于切斷電源模塊與單片機之間的供電電路。
2.如權利要求l所述的存儲式壓力采集系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng) 還包括與單片機連接的看門狗電路，用于對系統(tǒng)死機或系統(tǒng)掉電的監(jiān)控及處理。
3.如權利要求l所述的存儲式壓力采集系統(tǒng)，其特征在于，所述上位 機的界面包括有波特率的設定鍵、密碼修改、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)庫存 儲、形成報表和繪圖操作的界面。
4.如權利要求1或2或3所述的存儲式壓力采集系統(tǒng)，其特征在于，所 述通信接口為串行接口，控制芯片與所述模數(shù)轉換器、存儲器和液晶顯示模塊分別采用串行 接口連接。
5.如權利要求4所述的存儲式壓力采集系統(tǒng)，其特征在于，所述電源模塊帶有兩路供電電路，每一路供電電路都有一個開關穩(wěn)壓集成電路芯片，其中一路供電電 路給單片機和看門狗電路供電，并與一個開關按鍵連接，另一路供電電路給模數(shù)轉換器、液 晶顯示模塊、通信接口、存儲器供電。
6. 如權利要求4所述的存儲式壓力采集系統(tǒng)，其特征在于，所述開關 是電源模塊與單片機的1/0接口之間連接的一個軟開關機電路，軟開關機電路包括在供電電 路連接的開關按鍵、連接在開關按鍵輸入和單片機CPU引腳之間的兩個二極管、分別連接在 單片機的兩個電源接口和正常工作模式轉換引腳/安全關機模式轉換引腳之間的兩個非門元 件、兩個三極管和兩個電阻。
7. 如權利要求4所述的存儲式壓力采集系統(tǒng)，其特征在于，所述單片 機中有一個開機時長檢測電路，用于檢測電源鍵按下的時間，并在檢測到電源鍵按下的時間 到達預先設定的時間閾值后輸出開機信號；所述單片機中還有一個開機控制電路，用于根據(jù)所述開機信號，對所述電源模塊的正 常工作模式/安全關機模式轉換引腳進行高低電平的設置。
8. 一種應用權利要求l-7存儲式壓力采集系統(tǒng)的油井壓力采集方法， 其特征在于采用停止狀態(tài)功能模塊和采集狀態(tài)功能模塊兩大部分，采集步驟如下 將存儲式壓力采集系統(tǒng)采樣所得的壓力值存儲到存儲器中；上位機向下位機發(fā)送請求字符，下位機進入串口中斷，將數(shù)據(jù)從存儲器中讀出，并進 行相應的數(shù)據(jù)格式轉換，發(fā)送給上位機；上位機接收到數(shù)據(jù)后，進行相應的數(shù)據(jù)處理；在通信過程中也要完成上位機發(fā)送系統(tǒng) 時間給下位機，下位機將時間進行存儲、在LCD顯示器上顯示的功能；數(shù)據(jù)上傳和清除內存系統(tǒng)將存儲器中從首地址到地址指針的末尾的全部數(shù)據(jù)轉換成ASCII碼通過串口上傳至上位機；計算機發(fā)出清除內存命令，此命令把存儲器的數(shù)據(jù)指針調整回OO 00 00，并寫入結束標志。
9. 如權利要求8所述的油井壓力采集方法，其特征在于，所述停止狀 態(tài)功能模塊有以下步驟(1) ，長按電源鍵3秒執(zhí)行開機程序；(2) ，開始初始化串口；(3) ，清除鍵值；(4) ，顯示停止狀態(tài)背景，準備響應來自串口的命令；(5) ，當串口傳來命令，判斷是否為TT命令字；如果是TT命令字，則執(zhí)行對時子程序，進行對時，完成程序后，返回第2步進行初始化串口；如果接收命令字不是TT，則進入下一步判斷；TT是對時命令字，格式為TT年月日時分秒；在收到此命令后停止狀態(tài)功能模塊會進行對時操作，將TT后面的時間數(shù)據(jù)年月日時分秒轉換成BCD數(shù)寫入系統(tǒng)時鐘并顯示當前 時間；(6) ，判斷從串口接收命令是否為CC命令字；如果是CC命令字，則執(zhí)行清除內存子程 序，對內存進行清除，完成程序后，返回第2步進行初始化串口；如果接收命令字不是CC， 則進入下一步判斷；CC是清除內存命令字，此命令把存儲器的數(shù)據(jù)指針調整回OO 00 00并 寫入結束標志；(7) ，判斷從串口接收命令是否為RR命令字，如果是RR命令字，則執(zhí)行上傳數(shù)據(jù)子程 序，進行數(shù)據(jù)上傳，完成程序后，返回第2步進行初始化串口；如果接收命令字不是RR，則 進入下一步判斷；RR是上傳命令字，系統(tǒng)收到此命令字時進行上傳數(shù)據(jù)操作，系統(tǒng)將存儲器 中從首地址到地址指針末尾的全部數(shù)據(jù)轉換成ASCII碼通過串口上傳至上位機；(8) ，判斷是否有OK鍵被按下，如果按下0K鍵，則執(zhí)行采集狀態(tài)功能模塊，詳細內容 在下面提到，完成程序后，返回第2步進行初始化串口；如果沒有按下OK鍵，則進入下一步 判斷；(9) ，判斷是否有電源鍵被按下，如果電源鍵被按下3秒就執(zhí)行關機程序；如果沒有 電源鍵按下，程序返回第4步，等待響應來自串口的命令。
10.如權利要求8所述的油井壓力采集方法，其特征在于，所述采集 狀態(tài)功能模塊有以下步驟(a) 、首先輸入存儲編號；(b) 、輸入采樣間隔；(c) 、初始化時采樣間隔是零；通過按鍵輸入采樣間隔不為零時，顯示采集畫面；(d) 、讀取時鐘芯片，將秒SEC單元的值送入秒暫存單元SEC1中；(e) 、將秒變化標志清零，將采樣間隔秒、分、時單元清零；(f) 、讀取模數(shù)轉換器的A/D采樣值；(g) 、進行平均值濾波；(h) 、將壓力值進行單位轉換；(i) 、讀取時鐘芯片，判斷秒SEC單元中的值與秒暫存單元SEC1中的值是否一致，如果 一致，將秒變化SEC0N標志位置1;(j)、判斷秒變化標志位SEC0N是否為1，如果為l，采樣間隔秒、分、時暫存單元進行調整；將秒變化標志位SECON清零；(k)、顯示壓力值；(1)、判斷采樣間隔時間是否到？如果采樣間隔時間到，判斷存儲器數(shù)據(jù)是否存滿，如果數(shù)據(jù)已經存滿，采集功能停止；(m)、如果存儲器數(shù)據(jù)沒有存滿，調采樣寫入子程序，將采樣值寫入到存儲器中，更新采樣標志顯示；(n)、判斷OK鍵是否按下？如果按下0K鍵，采集功能停止。如果沒有按下OK鍵繼續(xù)采樣。讀取模數(shù)轉換器的A/D采樣值。
全文摘要
一種存儲式壓力采集系統(tǒng)及其油井壓力采集方法，包括下位機和上位機，下位機內包括采集壓力參量的信息并轉換成電信號的壓力傳感器、放大器、模數(shù)轉換器、用于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存取和時鐘參數(shù)設置并對所述數(shù)字信號進行處理的單片機、實時時鐘電路、存儲器、液晶顯示模塊、用于輸入存儲編號和采樣間隔時間的按鍵控制電路、用于將信息傳輸給微型計算機的通信接口和用于給上述系統(tǒng)供電的電源模塊和電源，可以實現(xiàn)壓力數(shù)據(jù)采集、A/D轉換、數(shù)據(jù)處理以及保存顯示等功能，以滿足油田獲取最大采油率的需要。存儲式壓力采集系統(tǒng)實現(xiàn)大量壓力數(shù)據(jù)存儲，實現(xiàn)時間、油井號的輸入，以及傳送數(shù)據(jù)到上位機的功能。
文檔編號E21B47/06GK101660406SQ200910307879
公開日2010年3月3日 申請日期2009年9月28日 優(yōu)先權日2009年9月28日
發(fā)明者張仰森, 紅 艾, 寧 高 申請人:北京信息科技大學