基于VxWorks的油井數(shù)據(jù)采集遠程終端的設(shè)計

摘 要：針對目前采油廠油井的工作參數(shù)監(jiān)控缺乏遠程手段的情況，論述了一種基于VxWmks的遠程終端的設(shè)計。該遠程終端采用CDMA通信信道，可以對油井的負荷、溫度、油管回壓、沖次、工作電流、工作電壓等參數(shù)進行實時自動在線抄收和處理，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控中心，由監(jiān)控中心集中監(jiān)控各油井的工作狀態(tài)。該終端采用MSP430F149單片機完成數(shù)據(jù)的采集，由S3C44BOX嵌入式處理器完成數(shù)據(jù)的處理與發(fā)送，并由VxWorks嵌入式實時操作系統(tǒng)來保證高效率的實時多任務(wù)處理。
關(guān)鍵詞：RTU；CDMA；S3C4480X；MSP430；VxWorks；無線數(shù)據(jù)傳輸

0 引 言
    目前，采油廠多以抽油機采油生產(chǎn)為主要任務(wù)，抽油機的分布點多面廣，工作在條件惡劣的環(huán)境中，容易損壞和遭外力破壞，需要經(jīng)常巡測，人員工作強度大。目前油井工作狀態(tài)參數(shù)監(jiān)控由于缺乏遠程手段，對油井的生產(chǎn)狀況均處于事后處理狀態(tài)，油井出現(xiàn)異常或被盜破壞時不能及時處理，造成大量不明損失?；贑D-MA通迅信道的遠程終端(Remote Terminal Unit，RTU)充分利用現(xiàn)有的計算機網(wǎng)絡(luò)，通過對現(xiàn)場的監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集、傳輸，可以滿足油井遠程監(jiān)控的需求。該遠程終端可以對油井運行時的負荷、位移、油管回壓、溫度、沖次、工作電流、電壓等參數(shù)進行實時全自動在線抄收；當現(xiàn)場有異常情況發(fā)生時，監(jiān)控中心能自動發(fā)出相關(guān)報警信息，調(diào)度室可根據(jù)報警信息派相關(guān)人員去做現(xiàn)場處理。相關(guān)數(shù)據(jù)的采集，由傳統(tǒng)的人力操作模式轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C自動操作模式，無需人工干預(yù)，從而節(jié)省人力、提高了工作效率。

1 監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)與遠程終端的功能
    監(jiān)控系統(tǒng)(如圖1)主要由監(jiān)控中心和遠程終端構(gòu)成。遠程終端負責對抽油機現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與收發(fā)。監(jiān)控中心對來自各個遠程終端的數(shù)據(jù)進行集中監(jiān)控。遠程終端通過CDMA信道接入Internet，從而與監(jiān)控中心服務(wù)器建立連接。監(jiān)控中心是該系統(tǒng)的指揮中心，它可以向現(xiàn)場的遠程終端發(fā)送多種命令和信息、可以對接收的數(shù)據(jù)做進一步處理，可以將必要的信息通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)給各部門。
    遠程終端監(jiān)測抽油機三相電壓值、三相電流值、以及抽油機負荷、井口油管回壓、井口油管溫度等。

2 遠程終端的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計
    如圖2為RTU系統(tǒng)架構(gòu)框圖。根據(jù)應(yīng)用需求，系統(tǒng)被設(shè)計為單片機加嵌入式處理器的構(gòu)架。MSP430F149單片機是德州儀器(TI)推出的超低功耗16位RISC混合信號處理器(Mixed Signal Proces—sor)。該處理器具有豐富的硬件資源，較高的處理速度以及低功耗的特點，自帶8路12 b ADC和雙UART，使其非常適合作為該終端的數(shù)據(jù)采集處理器。$3C44．BOX為三星公司推出的一款以ARM7為核心的32位嵌入式處理器。它具有豐富的資源以及低功耗低成本的特點能夠滿足該終端的應(yīng)用需要。
    MSP430單片機在該系統(tǒng)中主要完成實時數(shù)據(jù)的采集。待采集的數(shù)據(jù)有：由電量傳感器搜集的抽油機三相電壓電流數(shù)據(jù)，采油機臂負荷，溫度傳感器模擬信號，壓力、紅外傳感器信號。單片機將采集的數(shù)據(jù)按照要求的數(shù)據(jù)格式通過UART發(fā)送到S3C44BOX。
    在該系統(tǒng)中S3C44BOX作一定的數(shù)據(jù)處理并且通過控制CDMA模塊完成無線網(wǎng)絡(luò)連接和數(shù)據(jù)收發(fā)。在開機后S3c44BOX控制CDMA模塊首先與監(jiān)控中心建立數(shù)據(jù)鏈路，監(jiān)控中心收到鏈路信息后即可獲得油井的運行信息，可隨時接收單片機采集的數(shù)據(jù)信息。當S3C44BOX接收到單片機的信息后，通過CDMA網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)控中心，或?qū)⒈O(jiān)控中心發(fā)來的信息傳給單片機。在S3C44BOX上所實現(xiàn)的任務(wù)較多并且涉及到PPP(Point to Point，點對點協(xié)議)協(xié)議棧，為了滿足系統(tǒng)的實時性，本終端采用vlxWorks嵌入式實時操作系統(tǒng)。S3C44BOX所要完成的任務(wù)有：
    (1)接收來自MSP430的數(shù)據(jù)幀；向MSP430發(fā)控制指令。
    (2)處理MSP430發(fā)送的數(shù)據(jù)并利用負荷傳感器數(shù)據(jù)計算出采油臂的轉(zhuǎn)動周期，提取抽油機示功圖。
    (3)連接CDMA網(wǎng)絡(luò)，S3C44BOX通過向CDMA模塊發(fā)送AT命令控制其進行PPP撥號建立Internet連接。
    (4)建立了PPP連接后，遠程終端和監(jiān)控中心作數(shù)據(jù)交換。
    (5)監(jiān)測系統(tǒng)的供電情況。若遠程終端產(chǎn)生掉電事件，在系統(tǒng)完全關(guān)閉前(由大電容維持使系統(tǒng)不會立即關(guān)閉)，系統(tǒng)向主站發(fā)出停電報警。
    (6)對系統(tǒng)看門狗的處理。包括軟件看門狗和硬件看門狗，保證系統(tǒng)的可靠性。
    (7)對網(wǎng)絡(luò)的支持。有了對局域網(wǎng)的支持，調(diào)試時下載VxWorks應(yīng)用程序鏡像到FLASH存儲器就變得方便和快速，方便了系統(tǒng)軟件的升級。
    遠程終端選用AnyDATA公司的DTGS-800作為無線通信模塊。該模塊的主要特性有：采用Qualcomm公司的6050芯片；頻段為800 MHz，支持CDMA2000 1XRTT標準；內(nèi)建TCP/IP協(xié)議棧等。DTGS-800通過U_ART與S3C44BOX相連，S3C44BOX通過發(fā)送AT命令來實現(xiàn)對CDMA模塊的控制。

3 遠程終端的軟件設(shè)計
    遠程終端的軟件分為MSP430單片機程序設(shè)計和S3C44BOX的程序設(shè)計。
3.1 MSP430單片機程序設(shè)計
    MSP430單片機負責多種數(shù)據(jù)采集，并將數(shù)據(jù)打包發(fā)送。MSP430單片機具有雙UART。uART0用來向上位機ARM傳輸數(shù)據(jù)并接收ARM所給的指令；UARTl通過RS 485協(xié)議與電量傳感器相連。兩個紅外傳感器的數(shù)字輸出端TELSIG1和TELSIG2分別連在MSP430的P5.0和P5.1通用I/O端口。溫度傳感器、壓力傳感器和負荷傳感器輸出的模擬信號量經(jīng)過各自的信號調(diào)理電路后分別連接于單片機的A0，A1和A4端口。通過MSP430F149單片機自帶的12 b ADC完成溫度、壓力和負荷信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換，模數(shù)轉(zhuǎn)換以定時中斷的方式采樣，對原始數(shù)據(jù)的采樣頻率為50 kHz。
    軟件的設(shè)計思路采用進程快速循環(huán)，以進程標志為判斷條件調(diào)用各個進程，執(zhí)行相關(guān)控制。如圖3所示，用一個循環(huán)計數(shù)器的計數(shù)值來設(shè)置所有進程的標志。在以10 ms為周期的定時中斷服務(wù)程序中，該計數(shù)器值加1。每執(zhí)行一次TimeFlag()，都將計數(shù)器的值與每個進程預(yù)定的執(zhí)行時間所對應(yīng)的計數(shù)值比較，得出進程的標志狀態(tài)，從而使各進程得以有序執(zhí)行。

3.2 S3C44BOX程序設(shè)計
    對S3C4480x的程序設(shè)計涉及到VxWorks操作系統(tǒng)：BSP(Board Surpport Package，板級支持包)的修改、操作系統(tǒng)的裁剪和應(yīng)用程序的設(shè)計幾個方面。
    BSP是介于嵌人式系統(tǒng)硬件和操作系統(tǒng)之間的一層，屬于操作系統(tǒng)的一部分，主要目的是為了支持操作系統(tǒng)，使之能夠更好地運行于硬件。BSP的編程過程大多數(shù)是在某一個成型的BSP模板上進行修改。根據(jù)本系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件應(yīng)用需求，BSP的修改需要實現(xiàn)以下目標：
    (1)實現(xiàn)操作系統(tǒng)對TFFS(True FLASHFile System)文件系統(tǒng)的支持。TFFS是Vx-works兼容的一種文件系統(tǒng)。他為種類繁多的FLASH存儲設(shè)備提供了統(tǒng)一的塊設(shè)備接口。有了TFFS，應(yīng)用程序?qū)LASH存儲設(shè)備的讀寫就好像他們對擁有MS-DOS文件系統(tǒng)的磁盤設(shè)備的操作相同。建立好文件系統(tǒng)后，遠程終端運行的日志、系統(tǒng)配置參數(shù)、系統(tǒng)校準參數(shù)、CDMA用戶名/密碼等便可以以文件的方式保存。
    (2)實現(xiàn)對RTL8019以太網(wǎng)控制芯片的支持；實現(xiàn)通過FTP訪問遠程終端的文件系統(tǒng)，這樣可對系統(tǒng)應(yīng)用程序在線升級，下載日志文件；實現(xiàn)Telnet，可通過Telnet修改遠程終端的配置參數(shù)，對遠程終端進行維護。
    圖4為VxWorks應(yīng)用程序主程序流程。當Vx-Works完成啟動后進人應(yīng)用程序。應(yīng)用程序主程序完成各種初始化和各任務(wù)的創(chuàng)建，以及任務(wù)級看門狗的創(chuàng)建。

    系統(tǒng)初始化包括對系統(tǒng)參數(shù)初始化、用iosDrvIn-stall()函數(shù)將CDMA設(shè)備驅(qū)動添加到設(shè)備驅(qū)動列表、用iosDevAdd()添加CDMA設(shè)備到I/O系統(tǒng)設(shè)備列表、硬件看門狗初始化。其中系統(tǒng)參數(shù)初始化中又包括日志文件檢查、系統(tǒng)配置參數(shù)加載、CDMA用戶名／密碼的檢驗等。若文件系統(tǒng)上沒有相應(yīng)的參數(shù)文件則按照默認參數(shù)創(chuàng)建文件。硬件看門狗芯片選用X5045。初始化設(shè)置看門狗的復(fù)位時間并啟動，由于。X5045看門狗芯片的復(fù)位時間最長只能達到1.4 s，而VxWorks系統(tǒng)啟動時間超過了1.4 s，為了不讓X5045產(chǎn)生的復(fù)位信號中斷VxWorks的啟動，要在VxWorks啟動前將X5045禁用，這就需要修改BSP。在bootIn-it.c文件的romStart()函數(shù)的開始處添加禁止X5045復(fù)位的代碼。
    sysclkC20nnect()將函數(shù)ticklO ms()映射到Vx-Works的系統(tǒng)時鐘中斷。系統(tǒng)定時中斷周期設(shè)定為10 ms。tickloms()函數(shù)中判斷各任務(wù)軟件看門狗是否超時。若超時則程序進入死循環(huán)，并打印是哪個任務(wù)出錯的信息，觸發(fā)硬件看門狗復(fù)位。
    CDMAconnectTask()通過向CDMA模塊發(fā)送AT命令建立PPP連接。
    timeTask()完成對CPU實時時鐘模塊的設(shè)置與讀取。
    CDMATask()進程建立與主站的socket連接。
    commTask()進程實現(xiàn)遠程終端與監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)包交換，將待發(fā)的數(shù)據(jù)幀打包發(fā)送至主站，將CDMA設(shè)備數(shù)據(jù)讀人緩沖區(qū)，解析主站命令。
    commTask430()進程完成ARM與MSP430的數(shù)據(jù)交換。
    dataTask()進程對從MSP430上傳的數(shù)據(jù)進行處理，包括計算采油機臂轉(zhuǎn)動周期，通過負荷數(shù)據(jù)提取采油機的示功圖。
    warnTask()實現(xiàn)系統(tǒng)實時告警，告警的類型有：負荷越界、壓力越界、溫度越界、三相電壓各相的越界、三相電流各相的越界以及紅外觸發(fā)。在檢測中若越界次數(shù)超過參數(shù)設(shè)定的數(shù)值則認為產(chǎn)生一個告警。
    pwrWarnTask()進行掉電和來電的報警處理。
3.3 CDMA模塊的網(wǎng)絡(luò)連接建立
    終端通過CDMA模塊建立PPP連接訪問Inter-net，PPP為在點對點連接上傳輸多協(xié)議數(shù)據(jù)包提供了一個標準方法。PPP最初設(shè)計是為兩個對等節(jié)點之間的IP流量傳輸提供一種封裝協(xié)議，在TCP-IP協(xié)議集中它是一種用來同步調(diào)制連接的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議(OSI模式中的第二層)，替代了原來非標準的第二層協(xié)議，即SLIP。PPP攜帶了鏈路控制協(xié)議(LCP)、網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議(NCP)。為了使用VxWorks提供的PPP協(xié)議棧，在VxWorks中需加入PPP組件，如圖5所示。

    VxWorks提供了一個類型為PPP_OPTIONS的結(jié)構(gòu)體來描述PPP參數(shù)。可通過填寫PPP_OP-TIONS結(jié)構(gòu)體并將結(jié)構(gòu)體地址傳遞給pppInit()函數(shù)來實現(xiàn)對PPP參數(shù)的配置。初始化成功后PPP在鏈路層將自身連接到Vxworks的TCP/IP棧。PPP撥號連接建立成功后，所有的VxWorks IP網(wǎng)絡(luò)設(shè)備就可用了。這時：PPP連接對于用戶是透明的。
    S3C44BOX用AT命令控制DTGS-800 CDMA模塊。AT命令是由Hayes公司發(fā)明的控制調(diào)制解調(diào)器的一套命令集，現(xiàn)已成為事實上的標準并被所有調(diào)制解調(diào)器制造商采用。每條命令以字母“AT”開頭。不同型號的調(diào)制解調(diào)的AT命令有一定的差別。S3C44BOX發(fā)送AT命令來建立通行鏈路，撥號需要用到的AT命令有：
    ①發(fā)起呼叫ATD<nb>
    <nb>為目標號碼，該指令在PPP建立之前進行。若返回CONNECT則數(shù)據(jù)呼叫建立成功。
    ②控制回顯ATEx
    控制字符是否回顯，x＝O則不回顯；x＝1則回顯。
    PPP連接建立步驟如圖6所示。CDMA_Init()函數(shù)填寫PPP_0PTIONS結(jié)構(gòu)體并初始化CDMA模塊使用的串口。撥號的號碼為“#777”用戶名密碼都為“CARD”。使用VxWorks提供的pppInit()函數(shù)完成PPP的初始化。pppInit()的返回值不能指示PPP連接的狀態(tài)，它僅僅能返回連接是否被成功初始化。要確認連接建立的成功需用pppInfoGet()。當IPCP(Internet協(xié)議控制協(xié)議)的狀態(tài)為“OPENED”時表PPP連接建立成功。

4 結(jié) 語
    從硬件和軟件等方面介紹了基于VxWorks的數(shù)據(jù)采集遠程終端的設(shè)計和實現(xiàn)。該遠程終端的核心架構(gòu)不僅適用于石油抽油井的遠程數(shù)據(jù)傳輸與監(jiān)控，在其他領(lǐng)域也可以得到很好的應(yīng)用，例如電力監(jiān)控、遠程抄表、工業(yè)控制、氣象數(shù)據(jù)采集、水紋監(jiān)控、水利監(jiān)控、地震檢測、交通信息發(fā)布等領(lǐng)域，具有很強的工程應(yīng)用價值，尤其適用于M2M(Machine to Machine)領(lǐng)域的應(yīng)用及應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)。當要作具體應(yīng)用時，只需要根據(jù)具體情況選擇相應(yīng)的傳感器并對軟硬件做一定的修改即可完成，因此具有廣泛的應(yīng)用前景。