基于嵌入式处理器STM32的抽油机井实时监控系统设计

抽油机井大多都分布在地理位置偏远、环境恶劣的地区，给工作人员对抽油机井的管理与维护工作造成困难。随着信息技术在石油工业领域的大量应用，抽油机井的实时监控系统大大改善了这一现状。采用低成本、高性能、低功耗的微控制器以及无线传感技术来研制抽油机井实时监控系统，可以使系统具有更佳的性能。该系统能够让原油的开采更加便捷安全和稳定高效。本系统能够实时地反应抽油机井的工作状况，及时发现并解决抽油机井在工作中出现的故障。采用该系统，可以有效提高设备的可靠性、减轻工作人员的工作量、降低采油成本，极大地提高了生产效率。

1 总体方案设计

系统总体结构如图1所示，由6部分组成：现场传感器(压力传感器、温度传感器等)、传感器信号采集板、互感器模块、电量参数采集板、示功图采集模块、ZigBee通信模块和上位机。

油压、油温、示功图以及电机的电力参数是抽油机井工作的重要参数，是抽油机井工况判断的依据。现场传感器将油温、油压等物理量转换成4～20 mA的电流信号后，输出给传感器信号采集板。示功图采集模块内部有加速度传感器和负荷传感器，采集的数据通过ZigBee无线方式，发送到传感器信号采集板。信号采集板通过继电器来控制抽油机启停。三相电压电流经过电压互感器模块后，由电量采集模块来采集。上位机使用Modbus通信协议，采用RS485总线与电量采集板和传感器信号采集板进行通信，以获取采集的数据和发送控制命令。Modbus是工业控制系统通信中最普遍的协议，它具有兼容性好，可靠性高等优势。上位机软件能够显示电量参数、各个传感器的数据以及示功图;更改采集参数和控制抽油机的启停。

2 系统硬件设计

2.1 主控芯片选型

主控芯片选择嵌入式处理器STM32F103RC，这是一款Cortex M3内核的32位单片机，有48KB SRAM、256KBFLASH，片上集成6个定时器、3个12位ADC、3个SPI、2个IIC、5个串口等丰富的外设，主频最快可以达到72 MHz。相比于其他的单片机，STM32系列具有更强大的运算处理能力，更快的速度，使用起来更加灵活方便。

2.2 传感器信号采集板

图2为传感器信号采集板框图，由电源电路、信号调理电路、STM32及其外围电路、继电器及其驱动电路、RS485以及RS232通信接口电路组成。

由于现场的环境恶劣，在传感器调理电路前端增加了起限流保护作用的保险丝，以及起静电保护作用的TVS管。采样电阻将传感器输出的4～20 mA的标准电流信号转换成STM32内部AD可以采集的电压信号。

开关信号的调理电路与电流信号调理电路相似，采用光耦隔离进行电压隔离保护，同时将外部开关信号的电压转换为芯片内部可以测量的电压。

图3为STM32电路原理图，包括：复位电路、供电电路、启动模式选择电路、滤波电容等。PA4(20)、PA5(21)为引脚为内部ADC的输人通道。PC10(51)、PC11(52)引脚为内部USART4的输入输出通道，用来实现RS485通信。PC12(53)、PD2(54)引脚为内部USART5的输入输出通道，用来实现与ZigBee通信模块之间的RS232通信。PC14(3)、PC15(4)引脚用来输出开关信号。

采用继电器来控制抽油机启停，其驱动电路如图4所示。STM32的IO引脚与PNP型三极管的集电极相连。以增加STM32的电流驱动能力。

2.3 三相电压电流转换板

电压电流转换板由电压互感器与电流采样电路组成。电流采样电路通过一个采样电阻将电流信号转换为电压信号。互感器能够起到降压以及隔离保护的作用。电机的交流电信号通过它的初级输入，进行电压变换后，由次级输出芯片能够测量的电压。电流则通过采样电阻转换成电压信号。

2.4 电量参数采集板

电量采集板同样采用STM32作为主控芯片，使用CS5463专用电量测量芯片分别测量三相的电量参数，使用RS485通信接口与上位机通信。其结构框图如图5所示。

CS5463是美国CirrusLogic公司新近推出的单相双向功率/电能计量集成电路芯片。可以测量瞬时的电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率和功率因数等。其电路原理图如图6所示。

电量参数采集板上配备了三块CS5463，分别来采集三相电压电流。通过SPI方式与STM32通信，一个CS5463内部包含有两个ADC，分别采集电压与电流。

2.5 ZigBee通信模块

ZigBee通信模块由CC2430及其外围电路、RS232通信接口电路、收发天线组成。该模块由两节5 V电池供电。具有小巧灵活等特点。CC24 30是一款TI公司生产的SOC芯片，CC2430芯片内部包含了一个DSSS无线射频前端，用于发送和接收无线射频信号。为了更加方便的实现Z-Sta ck协议栈，在片内集成了一个8位的8051内核。

2.6 示功图采集模块

示功图采集模块采用电池供电，安装在抽油