基于无线射频传感器的检测仪表设计

康朝海,任伟建,程仁杰,陈建玲

0 引 言

在油田的日常工作中,采集油水井参数通常采用手动测量,人工记录的方式,该方法不仅费时费力,而且还可能存在人为编造数据的问题[1,2]。随油水井建设与日俱增,其维护任务也越来越繁重,如何保证快速、准确地采集与上报油水井参数成为油水井建设领域的一大难题[3]。基于以上原因,笔者通过引入射频识别(RFID:Radio Frequency Identification)技术对传统的检测仪表进行改进,形成新型的检测仪表。基于无线射频检测仪读取油水井参数,不仅提高了采集油水井参数的准确性,更重要的是杜绝了编造数据的现象,保证了油水井参数的真实性。通过通用分组无线服务技术(GPRS:General Packet Radio Service)网络将采集到的油水井参数回传给后台管理中心,进行分析与处理,减少了工作人员的工作量,提高了工作效率,取得了较好的应用效果。

1 无线射频检测仪表整体分析

作为智能仪表,基于RFID技术的无线[4]压力仪表用于测量油田上油水井的流体差压或套压,由电池供电、能进行无线射频通信、精度较高。不同于原始压力仪表,此类仪表新设无线射频模块,使油水井数据通过无线射频识别方式由手持设备读取,采用超低功耗设计,设有弹性开关,仅当开关闭合时发射无线射频信号,弹开后即停止工作,增加了电池的使用时间,能使在现场工作时间超过一年;采用金属外壳及全密封设计,确保全天无忧作业;使用13.56 MHz频段的RFID射频卡作为承载油水井参数的载体,并通过其传送数据,双向最大传输速率为424 kbit/s。在无干扰的情况下,手持设备与检测仪表的工作范围为5～10 cm。

1.1 整体结构

基于RFID的检测仪表的整体结构如图1所示,主要分为传感器[5,6]数据采集区模块部分与数据存储区模块。当供电时,传感器采集到模拟信号。信号采集板对此模拟信号实行放大,并将其进行模数转换,将数字信号写入RFID射频卡中。数字信号由信号采集板得到,再利用串行外设接口(SPI:Serial Peripheral Interface)总线将其传输至无线发送数据部分的主电路板中。主电路板的硬件电路集成于某一RFID射频卡内,该射频卡可以获取传感器采集的数据并加以存储。当手持设备与RFID射频卡进行通信时,把检测仪表检测的油水井参数通过无线射频的方式传输给手持设备,通过GPRS通信传到上位机。

图1 基于RFID的检测仪表整体结构图Fig.1 The overall structure of detection instrument based on RFID

1.2 主电路板

图2 基于RFID的检测仪表主电路板结构Fig.2 The main circuit board composition of detection instrument based on RFID

基于RFID检测仪表的主电路板构成框图如图2所示。传感器采集的信号到达主电路板后,对信号进行模数转换处理,主处理芯片STM8S003加工接收到电平信号,然后发送至MFRC522。当完成数据的分析处理时,基于ISO14443A协议,在一定时刻把此数据存储入RFID射频卡内。数据存储进程为:数据经过MF RC522传输至无线放大器,放大至13.56 MHz的高频段。再利用天线向射频卡(非接触卡)发送无线载波信号。射频卡天线耦合接收到这些信号,首先实现波形转变,其次实现整流滤波,调节电压(稳压操作),最后输出至射频卡内的各级电路。这时,载波信号由非接触卡接收,再利用该卡片上的调制/解调电路调制/解调载波信号,将得到的信号送至卡片上的控制器,进行控制和处理。在非接触卡处理数据后,利用其自身的天线对MFRC522返回载波信号,这些信号由MF RC522的调制/解调电路进行处理。返回的载波信号和MFRC522发出的载波信号的频率相同。经过这样的通讯回路后,MFRC522便能读、写非接触卡的内容。需注意,非接触型集成电路(IC:Integrated Circuit)卡自身为无源的,在读写器工作时,读写模块(RWM:Reading and Writing Module)产生的信号是电源信号和聚集利用数据信号的总和,其中,当卡收到电源信号时,同其自身的电感/电容电路发生谐振,发出某一瞬时能量支持芯片运行。聚集利用数据信号的管理芯片用于实现数据更新和存放等,再由RWM接收。在现场工作条件下,信号将受到不同来源的扰动,运用MFRC522能增强无线压力仪表的抗干扰性。

1.2.1 电池管理模块

无线检测仪表利用MAX8677[7]芯片展开电池管理。MAX8677可进行智能充电,若STM8S003检测出电池电量低至不足以维持无线压力仪表运转时,开始利用MAX8677对电池充电。当电池温度太高或当电池满电时,MAX8677立即停止充电。此外,主电路板内选用了稳压器MAX8881和TPS77033,确保无线压力仪表正常工作在稳定电压下。

1.2.2 无线通讯模块

无线通信模块包括天线放大器、低频射频收发器及主处理芯片,该模块采用高频频段作为通信方式。因为RFID[8-10]射频卡的频率为13.56 MHz,所以手持设备与RFID射频卡的频率应该保持一致,即通信频率为13.56 MHz。为扩大手持设备与智能仪表之间的通信范围,采用增加天线放大器的方案。同时主处理芯片STM8S003能实时监督检测仪表是否正常工作。STM8S为一类微控制器,以8位框架结构为基础,其中央处理器(CPU:Central Processing Unit)内核包含6个内部寄存器,使用这些寄存器能快速地处理数据。STM8S的指令集遵循80条基本语句和20种寻址模式,同时,CPU的6个内部寄存器均具有可寻址的地址。若希望了解所有STM8S指令集,可查阅STM8微控制器家族编程手册(PM0044)。本模块具有对传感器接收的数据进行信号增强、数据运算和模/数转换等功能。

1.2.3 信号流

图3 基于RFID的检测仪表的信号流Fig.3 The signal flow of detection instrument based on RFID

基于RFID的智能仪表信号流图如图3所示。从图3中可看出,数字信号经由信号采集板传输至主电路板内的模/数(A/D:Analogue/Digital)转换器完成转换,笔者采用的A/D芯片是AD7262[11,12],可低功耗高速同步采样,最高至1 MS/s,AD7262可编程增益放大器(PGA:Programmable Gain Amplifier)中存在14类放大增益,可从中进行选择。利用两类比较器(comparator)1和2与3和4作为电机控制,或各类电极传感器的运算器。此外,comparator 1与2是小功耗的,comparator 3与4是高速的。双通道差分输入同时展开采样及A/D转换,输入阻抗R＞1×109Ω。单电源+5 V供电。PGA的增益为2,-3 dB带宽为1.7 MHz,信噪比(SNR:Signal Noise Ratio)为73 dB;若增益为32,则信噪比为66 dB。输入直流漏电流为±0.001μA,失调漂移为2.5μV/℃。具有SPI,兼容MICROWIRE,队列串行外设接口(QSPI:Queued SPI)及数字信号处理器(DSP:Digital Signal Processor)。对于器件AD7262,其存在多类节能方法,可对需要的内部元件实现动态匹配,包含2种工作方式,即寄存器控制与引脚驱动。之后数据进入STM8S003,再传递给RFID读写模块MFRC522,根据ISO14443A协议,在某一确定时刻,数据包经由MFRC522输送到CC2591,再通过天线进行发送。CC2591类似一个高频信号发射器,可增加信号发送强度,因此,在无线通信过程中,外部扰动产生的影响显著减小。将图3倒序即为接收数据时信号的流动过程。

图4 智能检测仪表封装实物图Fig.4 The packaged physical figure of the intelligent detection instrument

1.2.4 智能检测仪表封装实物图

笔者研制的压力传感器如图4所示。考虑到油田生产参数采集的过程中采用的检测仪表需在恶劣的环境中工作[13,14],因此对传感器芯片进行保护封装十分必要,同时体积小,有利于安装[15,16]。根据压力传感器在油田现场实际的应用特点,所做的工作如下:首先在外观设计方面,该检测仪表采用金属外壳及全密封设计,防止外力对该检测仪表造成伤害;其次在处理芯片上采用主处理芯片STM8S003+MFRC522[17-20],确保压力传感器所采集的信号能快速准确地被手持设备所识别。最后电池模块采用3.3 V长期供电,安装方便。调试实验中检测仪表工作可测温度上下限取-40～80℃,可测压力上下限取0～30 MPa。

2 智能检测仪表应用效果分析

本智能检测仪表已经应用到某油矿,为测试所设计的智能检测仪表的数据采集精度,以某油田某小队一个班组(9口油井)相邻20天的生产参数数据为样本,通过对实际数据和测量数据的对比分析,得出智能检测仪表的测量误差曲线如图5所示。从图5可看出,油压、套压的最大测量误差为0.15%,最小测量误差为0.06%,平均误差为0.09%,由于实际允许误差为0.5%,所以油压、套压的测量值满足精度要求;上行电流与下行电流最大测量误差为0.11%,最小测量误差为0.02%,平均误差为0.09%,由于实际允许误差为0.5%,因此上行电流与下行电流测量值也达到精度要求,减小了数据出错率。

图5 智能检测仪表的测量误差曲线Fig.5 Measurement error curves of the intelligent measuring instrument

3 结 语

笔者研发的油水井压力检测仪表是在RFID射频卡,压力传感器,RFID读写模块上结合油田作业需求开发的。通过把无限射频技术融入传统的检测仪表中,形成新型的监测仪表,通过在某油田上的实际应用,证明仪器可靠性高、测量数据准确、耐用。具有一定的实用价值。

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