便携式示功仪的设计

便携式示功仪的设计

景宁波

（西安科技大学 工程训练中心 陕西 西安 710054）

摘 要： 示功仪是一种测量抽油机运行过程中载荷和位移参数的仪器，在煤层气的地面开采中大量使用。目前现场使用的示功仪存在携带不方便，功耗较大的问题，设计基于低功耗单片机的便携式示功仪。硬件采用在仪表中广泛使用的的MSP430处理器和zigbee无线模块，软件增加自动关机功能。通过对样机进行现场验证，表明该设计实现预期的全部功能，并取得较好的效果。

关键词： ZigBee；示功仪；MSP430

中图分类号：TE937 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2012）0520052－01

通，Vt1点的电压将会升高，单片机检测到Vt1点的电压升高，1 系统设计

将POWON1置低电平。此时按键S2弹起，Q2和Q3截止，Vin没有电煤层气的地面开采主要采用排水采气的方案，需要大量用压输出，实现关机功能。

到游梁式抽油机。示功仪是监测抽油机工况的主要设备。通过所测的功图曲线可以判断抽油机、抽油杆和井下抽油泵的工作状况。目前现场采用的示功仪，存在携带不方便和功耗较大的问题。本文采用低功耗技术，实现基于MSP430的示功仪的软硬件设计。MSP430系列单片机是德州仪器（TI）公司的混合信号处理器。该芯片内部集成有AD、DA和基准电压，可以提供模拟数字电路的混合解决方案。

Zigbee目前主流的开发模式有两种，芯片级开发和模块级开发。芯片级开发周期长但是成本低，主要是因为需要将协议的部分内容用软件来实现。模块级开发的周期短但是成本高，本项目因为开发时间较紧故采用Zigbee无线模块进行开发。示功仪主要由位移传感器、载荷传感器、主控MCU和无线通信模块组成，系统结构如图1所示：

图1 系统结构图

2 硬件方案设计

图2 单键开关机电路

本系统采用MSP430F149为主控制器，外加电源部分、开关 2.3 通信接口

机电路部分、通信接口、载荷传感器调理电路及位移传感器调示功仪采集的数据通过zigbee无线模块传输给数据记录理电路部分。系统的主要电路设计如下：

仪，数据记录仪完成曲线的绘制、显示、保存和上传。单片机与2.1 电源部分

ZigBee无线模块的接口为RS232，通过GT-RST引脚控制无线模块系统供电采用单节超霸锂离子电池GP18650，电池上封装的复位，通过GT-TXD和GT-RXD引脚与无线模块实现双向通信。

有保护板，输出为3.7v-4.2v，主控电路中工作电压为3.3v。 2.4 位移传感器信号调理电路

采用linear凌力尔特的开关电源芯片LTC3440进行稳压。LTC3440采用Buck-Boost结构可实现升降压功能。

2.2 开关机电路部分

开关机电路实现单键开关机和软件开关机的功能。如图所示，S2为键盘板上的开机按键。SW-1和SW-2为开机按键的两端。当按键S2第一次按下时，SW-1和SW-2接通，此时Q2、Q3导通，Vin输出锂电池电压，板子电源部分产生+3.3v，单片机C8051F310开始工作，POWON1置高电平，维持住Q2和Q3的导通。此时按键S2弹起，SW-1和SW-2断开，Vin依然输出锂电池电压，实现开机功能。当再一次按下按键S2时

，SW-1和SW-2接

图3 位移传感器信号调理电路图

（下转第83页）

②跟劫机或炸弹有关的报文；发送EST；沈阳：接收后回复ACP（确认），并在飞行计划

③跟旅客中有重病或骚乱有关的报文；XCOORD栏目下，提示CROG/CRDD。

④由于技术或导航故障导致飞行态势突然改变；3）北京：接收到沈阳回复的ACP（确认）后，将回送

⑤通信故障。LAM；沈阳：将再次回复LAM，并在飞行计划XCOORD栏目下，提

12）MIS（杂情报）示TFRG/TFRD。

用来发送一些运行信息，这些信息无法编辑成其他格式的4）北京：雷达屏幕中航迹出现移交框，并向沈阳发送报文，只能用平实的语言来表述。通常这些信息将会直接显示TOC；沈阳：管制员使用SDD菜单HOLD功能确认移交，同时向北在正在管制指挥某航班的管制席位上，或者将要接收该航班的京发送AOC。

管制席位上。如果报文不是针对某个特定航班的，可以利用一北京接收到AOC后，最后一次向沈阳发送LAM，确认移交完个功能地址，将报文内容显示在适当的席位上，此时，用“/”成。

将功能地址与飞机身份区别开来。对于雷神自动化系统AIDC功能使用，需对数据库中的13）TDM（航迹定义报）FDPV（飞行情报区）、coordination（屏幕移交协调点）、用来向有关的区域管制中心（ACC）和航空运营控制中心Condifion Group（设定协调点有效高度）参数进行设置，具（AOC）分发做飞行计划的航迹数据。报文中包含航迹定义和体设置可按照数据库操作手册进行，这里就不作具体介绍。

激活时间。 3 应用前景

14）TRU（通用监视报）沈阳区管已进入筹备阶段，雷神自动化系统作为管制主用用于向相邻的空中交通服务单位传递航班的航迹数据（包系统，当区管投入使用后，两管制区必然要将屏幕移交做为主括：航班的位置、地速和航迹角）。用移交手段，所以掌握AIDC的基本工作方式和雷神自动化针对15）ADS（监视数据报）AIDC的处理过程，能对未来的系统功能调整起到关键的作用。

用于通过地面通信线路传递ADS数据。总之，AIDC电子移交作为现代航管自动化系统的一个重要

2 雷神自动化系统AIDC处理过程功能和应用，具有安全、实用的特点，并且无需额外投资就可

雷神自动化系统使用AFTN链路对AIDC报文进行传输，设置大幅降低管制协调工作量，充分理解国际民航组织的协议标地址为ZYTXDPXX，下面以北京至沈阳两地区屏幕移交为例，介准，制定周密的管制协议和运行规范，在全国推行AIDC功能的绍雷神自动化系统的处理过程。使用，将有助于我们提供更加安全、优质的空中交通管制服1）北京：飞机起飞后某一时刻（根据可变参数设置），务。

向沈阳发送ABI；沈阳：接收后回复LAM，并在飞行计划XCOORD

参考文献：

栏目下，提示PNFY/NTFY。

[1]《AIDC报文解析》.

2）北京：当飞机即将到达协调点时（根据可变参数设

[2]《DMS操作手册》.

置），或距协调点一定距离时（根据可变参数设置），向沈阳

位移传感器采用拉线式结构，将抽油机上下运动转换成电无操作，便发出关机信号，自动关闭仪器。由于功图测试仪用位器的旋转运动。通过测量电位器的阻值，计算当前的位移。可充电锂电池供电，当电池电压较低时，为了保护锂电池应该电位器型号选择为22HP-5，精度为1%，功率为1w。参考电压停止对仪器供电，此时先发出告警信号，低电压指示灯点亮，REF采用MSP430F149片内自带的2.5v基准，调理电路如下所一定时间后便发出关机信号，自动关闭示功仪。

示。 4 结论

2.5 载荷传感器信号调理电路本文设计了一个基于低功耗MSP430的便携式示功仪。对系

载荷传感器是基于应变效应的工作原理制作的，即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应的发生变化，这种现象称为“应变效应”。应变片是由敏感栅等构成用于测量应变的元件，使用时将其牢固地粘贴在构件的测点上，构件受力后由于测点发生应变，敏感栅也随之变形而使其电阻发生变化，再测得其电阻变化大小，并转换为测点的应变值。载荷的测量精度为1%，量程为120kN。

3 软件方案设计

软件主要实现以下功能：与数据记录仪通信处理（含同步处理）、载荷位移传感器信号预处理和自动关机处理等。为了保证仪器的可靠通信，数据的接收采用中断方式，在主程序中完成通信协议；中断服务程序将接收到的数据存放在RecBuffer中，主程序则解释RecBuffer中的数据，完成各种操作。由于通信是半双工模式，必须考虑数据传输的同步问题。

载荷位移传感器数据的预处理功能包括载荷信号滤波和位移信号滤波，由于存在各种干扰，为了提高测量精度，要对采样数据进行滤波。自动关机功能指的是若在20分钟内对示功仪统的硬件部分和软件部分进行了详细设计。所设计的样机在韩城煤层气的现场进行了测试，验证了系统的可靠性。由于项目时间的原因，设计的示功仪在通信可靠性方面还有一定的改进空间。

参考文献：

[1]翟刚、刘盛德、胡咸斌等编著，ZigBee技术及应用，北京：北京航天航空大学出版社，2007.

[2]孙利民、李建中、陈渝等编著，无线传感器网络，北京：清华大学出版社，2005.

[3]林瑶瑶，基于ZigBee的现场参数无线检测装置的研究与设计

[D].大连理工大学，2009.

[4]李鹏，基于MSP430的汽车轮胎压力监测系统[D].山东科技大学，2010.

作者简介：

景宁波（1984-），男，汉族，山西永济人，助理工程师，研究方

向：智能仪表。

（上接第52页）