基于C8051F930的管道温度压力远程监测系统

3 系统软件设计
3．1 现场仪表的软件设计
本设计采用低功耗软件设计方法，优化系统时钟，外部接32 768 Hz晶振作为MCU休眠辅助时钟；优化工作时序，由于无线通信模块SM41B待机时功耗远大于C8051F930正常工作功耗，所以采用非通信状态下随时关闭SM41B的方式来最大限度降低功耗。现场仪表的软件流程如图5所示。

现场仪表在上电之后对系统进行初始化，并检测是否第1次使用，若为第1次使用，便请求远程终端RTU分配地址，待地址分配结束之后进入正常工作流程。在仪表定时唤醒后，检查信道是否繁忙，若繁忙则休眠一个随机时间，若不繁忙，则通知RTU准备接收数据。在一定时间内得到RTU应答信号后开始采集数据，经打包处理后发送给RTU，发送结束得到RTU应答后进入休眠状态，等待定时唤醒。由于MCU仅带有10位A／D转换器，则采用过采样技术，将每4次采集的数据进行叠加，产生与12位A／D转换器数据采集相同效果。为防止休眠唤醒时电压不稳定造成数据采集误差，连续100次A／D转换采集数据取其平均。
3．2 远程终端RTU的软件设计
远程终端RTU程序开始运行后首先进行系统的初始化，之后等待接收上位机指令和现场仪表的请求。在接收到上位机指令后，对指令类型进行判断并向现场节点转发。在接到现场仪表的请求后判断请求类型并做响应，现场仪表第1次使用时为其分配地址；现场仪表请求发送数据时响应其请求并接收其采集数据，之后将数据打包转发到上位机。远程终端RTU的程序流程如图6所示。

3．3 上位机的软件设计
上位机软件开发使用Delphi7环境。上位机与GPRS模块通过网络端口连接，在Delphi7环境中，通过SocketClient控件实现网络访问和数据传输。在接收到GPRS中数据之后，对数据格式进行校验，若有误码则将数据包丢弃；校验正确后判断所采集数据是否异常，出现异常则报警处理，之后存储至SQLServer2000数据库中并在图形界面中绘图显示。在历史数据查询过程中，首先选择查询方式(按时间查询、按现场仪表地址查询或组合查询)和查询条件，在数据库中筛选出符合条件的结果在DBGrid控件中显示。可将查询结果以Excel文件形式保存或者绘制历史曲线。上位机软件流程如图7所示。

4 系统性能测试
4．1 AD623增益电阻选型测试
当AD623增益电阻选择996 Ω时，理论放大倍数为101．4，测试数据如表1所示。当AD623增益电阻选择2．541 kΩ时，理论放大倍数为40．35，测试数据如表2所示。

由测试数据可见，放大倍数越大，实际放大倍数与理论放大倍数差距越大，稳定性也不好，因此综合考虑采用2．55 kΩ电阻，放大40倍，以达到最佳放大效果。
4．2 通信可靠性测试
本系统设定每分钟采集一次数据，测试时间为24 h，测试对象为5块仪表，测试电源为3．6 V／1 200 mAh小型高能电池，具体测试结果如表3所示。

经实际测试，433 MHz无线网络隔墙通信24 h之内漏码率不足1％，且漏收数据时间不连续，基本可反映现场实时情况，满足可靠性和实时性要求。
4．3 功耗测试
整块现场仪表在正常工作时，电流小于25 mA。设定每分钟采集一次数据，每次工作时间小于300 ms；休眠时整机电流小于50μA，休眠时间为59．7 s。若采用1 200 mAh小型高能电池，理论工作时间可达6 867 h。经实际测试，正常工作时间超过5个月，满足低功耗设计要求。

5 结束语
本系统首先采用了C8051F930超低功耗混合信号片上系统型MCU，利用过采样技术使10位A／D转换器达到12位的采样精度。对现场仪表进行全面低功耗设计，采用各种低功耗芯片和低功耗供电模式，使电池在仪表中能工作更长时间，减少更换次数。采用433 MHz无线通信系统和GPRS网络相结合的无线通信方式，最大限度降低通信成本；优化组网方案，可方便地将现场仪表和远程终端RTU接入数据采集网络，方便统一管理，减少人力成本。现场仪表在休眠期间无法接收上位机指令，上位机指令可暂存于远程终端RTU中，待现场仪表定时唤醒后即可给其传输上位机指令，造成上位机指令执行有所延迟，但并不影响整体数据采集，在后续的工作中将致力于解决此问题。本系统使用的过采样技术对提高数据采集精度有一定的参考价值；组网方案对于小规模的无线通信系统组网具有一定的应用价值。
基于C8051F930的超低功耗输油管道温度压力无线监测系统，以低功耗单片机C8051F930为控制核心，以433 MHz无线通信系统和GPRS网络作为数据传输方式，实现了对输油管道温度压力参数的远程采集、无线传输、实时监控等功能。本系统价格低廉、组网方便、无需人工干预、使用寿命长，可广泛应用于各大油田计量站的监测。