摘 要： 針對在鉆探過程中，無法直接獲取水泵出水口位置的流量傳感器數據問題，根據需求設計了基于nRF24L01無線模塊的無線數據傳輸方式，并通過銅制滑環接觸供電。詳細介紹了系統在復雜環境下流量數據的采集、傳輸工作情況，分析并驗證了水泵的流量和出水口壓力之間的關系。采用STM32C8T6作為微控制器，給出了軟硬件設計思想和可靠的無線連接數據傳輸技術。
關鍵詞： 無線數據傳輸； 液體流量； 銅制滑環； CAN通信
中圖分類號： TN911.7?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）15?0041?04
Design of down hole flow data transmission based on the nRF24L01 wireless module
YU Chao?ran， FU Cheng?wei
（School of physics， Jilin University， Changchun 130012， China）
Abstract： A wireless data transmission mode based on nRF24L01 wireless module is designed to overcome the difficulty that the flow sensor data at the pump outlet can not be obtained directly in the drilling process. In the design， a copper slip ring is adopted to achieve the power supply. The flow data acquisition and transmission of the system in complex environment are introduced in detail. STM32C8T6 is taken as a microcontroller in the system. The relationship between flow and outlet pressure of the pump was analyzed and verified. The software and hardware design ideas and reliable connectionless data transmission technology are offered in this paper.
Keywords： wireless data transmission； liquid flow； copper slip ring； CAN communication
0 引 言
隨著南極勘探活動的迅猛發展，各國對極地科考技術的研究日益深入，冰層鉆井取芯技術作為極地科考的主要手段之一，得到各個國家的極地科學家的廣泛關注與深入發展，在南極井下鉆采的過程中，冰屑的徹底清除是冰鉆成功的關鍵要求之一，否則，冰屑將在鉆頭上部附近形成堆積的冰環，影響鉆進效率，最終可能會導致卡鉆事故。在深部冰層電動機械鉆進中，通過井下水泵帶動鉆井液形成孔底局部反循環，將冰屑從孔底帶出并收集到冰屑室。
經過理論分析與實驗驗證，水泵的流量和出口壓力是影響排屑的關鍵因素。測試水泵的壓力流量關系，分析現有循環系統及井下水泵的性能，對深部冰層電動取心鉆具而言是非常必要的，但目前尚沒有完善的實驗裝置和測試方法。本文提出了一種基于無線模塊的井下流量數據傳輸設計，可以將水泵出水口處的流量值準確、快速地傳輸到地面，并對流量與壓力之間的關系進行處理與分析。
1 系統總體設計
根據測試需求，測試系統由傳感器部分、數據發送單元、數據接收單元以及上位機軟件組成。系統總構成如圖1所示。
圖1 系統構成
傳感器采用LWGY系列渦輪流量傳感器，數據發送單元接收流速傳感器的數據，通過無線模塊將數據發送給數據接收單元，數據接收單元由電纜直接供電，數據發送單元與數據接收單元通過兩個銅制滑環接觸供電，就可以為處于下方的數據發送單元供電，數據接收單元將數據以CAN通信的形式發送給上位機，上位機進行采集處理并實時顯示、存儲數據，并提供報警功能。
1.1 發送單元設計
發送單元內的器件流程圖如圖2所示，各相關模塊電路安裝在內嵌有滑環的圓盤內，流量傳感器輸出信號首先經過信號處理模塊進行轉換處理，輸出的信號傳輸給STM32微控制器，微控制器再將信號數值通過SPI通信發送給無線發射模塊，再由無線發射模塊將數據發送出去。
圖2 發送單元流程圖
1.2 接收單元設計
接收單元內的器件流程圖如圖3所示，各相關模塊電路安裝在內嵌有滑環的圓盤內，外部直流電源通過電纜與外部接口連接，將12 V電源直接供給電源模塊，并通過滑環將12 V電源供給到發送單元。無線接收模塊在接收到發送單元無線發射模塊發出的信號后，迅速將信號信息通過SPI通信方式傳遞給STM32微控制器，微控制器再通過CAN通信方式與上位機通信，向上位機傳遞數據。
圖3 接收單元流程圖
2 流量的信號采集
2.1 流量的測量原理與信號采集
實驗系統采用LWGY系列渦輪流量傳感器進行流量測量，流體流經傳感器殼體，由于葉輪的葉片與流向有一定的角度，流體的沖力使葉片具有轉動力矩，克服摩擦力矩和流體阻力之后葉片旋轉，在力矩平衡后轉速穩定，在一定的條件下，轉速與流速成正比，由于葉片有導磁性，它處于信號檢測器（由永久磁鋼和線圈組成）的磁場中，旋轉的葉片切割磁力線，周期性的改變著線圈的磁通量，從而使線圈兩端感應出電脈沖信號，此信號經過放大器的放大整形，形成有一定幅度的連續矩形脈沖波，可遠傳至顯示儀表，顯示出流體的瞬時流量或總量。在測量范圍內，傳感器輸出的脈沖頻率信號與流體的體積流量成正比，這個比值即為儀表系數用[K]表示：
[K=fQ]
式中：[f]為脈沖頻率；[Q]為體積流量（單位：m3/h或L/h）。
每臺傳感器的儀表系數由制造廠填寫在檢定證書中，將[K]值設入配套的顯示儀表中，便可顯示出瞬時流量和累積總量。
流量傳感器采用12 V直流供電，對應輸出為12 V的矩形脈沖，信號由微處理器的ADC模塊采集，而微處理器內的A/D采集模塊供電為3.3 V，決定了微控制器采集電壓幅度不能超過3.3 V，因此在流量傳感器的輸出端設計了簡單的信號處理模塊，只通過開關一個NPN三極管就可以實現對12 V的信號轉換，將12 V的脈沖信號轉化為3.3 V的脈沖信號，這樣既可以避免由于電壓過高損壞微處理器，又可以使信號在傳遞過程中矩形脈沖波形不容易被干擾。
2.2 無線數據的傳遞
nRF24L01芯片工作于2.4 GHz全球開放ISM頻段，125個頻道，滿足多點通信和跳頻通信需要，工作速率為0～1 Mb/s，最大發射功率為0 dBm，外圍元件極少，內置硬件CRC（循環冗余校驗）和點對多點通信地址控制，集成了頻率合成器，晶體振蕩器和調制解調器[1]。輸出功率、傳輸速率和頻道選擇可通過三線串行接口編程配置。nRF24L01芯片最突出的特點是有Direct Mode（直接模式）和Shock BurstTM Mode（突發模式）[1]兩種通信模式。直接模式的使用與其他傳統射頻收發器的工作一樣，需要通過軟件在發送端添加校驗碼和地址碼，在接收端判斷是否為本機地址并檢查數據是否傳輸正確。Shock BurstTM Mode使用芯片內部的先入先出堆棧區， 數據可從低速微控制器送入，高速（1 Mb/s） 發射出去，地址和校驗碼硬件自動添加和去除，這種模式的優點是：可使用低速微控制器控制芯片工作；減小功耗；射頻信號高速發射，抗干擾性強；減小整個系統的平均電流。因此，使用nRF24L01芯片特有的Shock BurstTM使得系統整體的性能和效率提高[2]。
2.3 無線模塊的接口電路設計
無線模塊與微控制器的硬件電路連接如圖4所示，發送端與接收端硬件連接一樣， 具有通用性，可以實現半雙工通信[3]。微控制器使用的是ST公司生產的STM32C8T6，STM32系列32位閃存微控制器使用了ARM公司最新的Cortex?M3內核。該內核能滿足集高性能、功耗、低成本于一體的嵌入式領域的要求。STM32系列產品得益于Cortex?M3在架構上進行的多項改進，包括提高性能及代碼密度的Thumb?2指令集和大幅度提高中斷響應的緊耦合嵌套向量中斷控制器[3]。相比8位、16位單片機，Cortex?M3內核的好處是低功耗、 高性能，且相同的軟件在不同的核之間可以兼容。相較于ARM系列其他芯片，STM32運行速度更快，性能更高， 且在核上設計了單周期乘法制定的硬件觸發[4]。本系統選擇選用STM32C8T6微處理器，可以在-40～85 ℃的溫度范圍下工作，而且體積小，穩定性強。
無線模塊nRF24L01與微控制器STM32C8T6連接，兩者通過SPI進行通信，由于 nRF24L01的供電電壓范圍為 1.9～3.6 V，而微控制器STM32C8T6的供電電壓是3.3 V，因此可以直接由微控制器供給nRF24L01無線模塊電源，GPIOA_1作為外部中斷口與nRF24L01的IRQ管腳連接，并在下降沿捕獲nRF24L01數據。
3 系統軟件設計
3.1 單片機系統總流程
發送單元內微處理器的工作流程如圖5（a）所示。系統上電后，首先進行系統初始化，包括I/O初始化、時鐘初始化、SPI初始化以及開中斷、定時器。當沒有流量信號時，數據為0；當有流量信號時，會觸發微控制器的中斷，通過中斷與定時器計算得出當前流量傳感器脈沖的頻率，數據經SPI傳遞給無線發送模塊前加上校驗協議作為接收端的校驗碼，無線發送模塊發送數據信號。
接收單元內微處理器的工作流程如圖5（b）所示。系統上電后，首先進行系統初始化，包括I/O初始化、時鐘初始化、SPI初始化、CAN初始化以及開中斷、定時器。如果無線接收模塊沒有接到來自無線發送模塊端的數據，那么說明發送單元與接收單元間的滑環接觸供電有問題，這時通過定時器定時發送一組標志供電錯誤的CAN包；若無線模塊接收到數據就會觸發微控制器的中斷，通過SPI讀取無線接收模塊的數據，并且與預設好的校驗碼進行匹配，匹配不成功，發送一組標志數據錯誤的CAN包；匹配成功后提取流量數據，重新組建CAN包，配置標志位發送給上位機。
圖5 發送單元與接收單元系統流程
3.2 上位機系統流程
系統上電后首先進行系統的初始化，關閉報警燈和錯誤燈，然后開始接收CAN數據包，分析接收到的CAN數據包，若數據包標志供電錯誤，則啟動報警，報警燈閃爍，提示發送盤與接收盤的銅環接觸供電有錯誤；若數據包標志數據錯誤，則啟動錯誤報告，錯誤燈閃爍；若有數據而且數據正確，則提取流量數據，用示波器實時顯示流量數據，并且實時存儲流量數據。
4 系統測試及結果分析
電機驅動與水泵出水口壓力的測量由另一套設備控制檢測，實驗裝置安裝完畢后，注入鉆井液，置入模擬環境中，電機帶動水泵開始工作，圖6是根據水泵出水口處的流量與壓力的數據繪制而成。
圖6 流量壓力關系
根據流體力學的基本原理[5]分析該條件滿足伯努利方程：[p+ρgh+12ρv2=c。]
理想正壓流體在有勢體積力作用下作定常運動時，運動方程（即歐拉方程）沿流線積分而得到的表達運動流體機械能守恒的方程。對于重力場中的不可壓縮均質流體，方程為[p+ρgh+12ρv2=c。]式中[p，][ρ，][v]分別為流體的壓強、密度和速度；[h]為鉛垂高度；[g]為重力加速度；[c]為常量。
上式各項分別表示單位體積流體的壓力能[p、]重力勢能[ρgh]和動能[12ρv2，]在沿流線運動過程中，總和保持不變，即總能量守恒。但各流線之間總能量（即上式中的常量值）可能不同。對于氣體，可忽略重力，方程簡化為[p+12ρv2=常量（p0），]各項分別稱為靜壓、動壓和總壓[6]。顯然，流動中速度增大，壓強就減小；速度減小， 壓強就增大；速度降為零，壓強就達到最大（理論上應等于總壓）。
對于齒輪泵，在額定轉速下，泵的理論流量是常數。由于排出腔是高壓，吸油腔是負壓，而齒輪側面有軸向間隙，必然產生從排油腔到吸油腔的油液內泄漏。因此，泵輸出的實際流量小于理論流量，其減少的液體體積成為液壓泵的容積損失[7]。排油壓力越高，泄露越大，容積效率越低，所以其流量?壓力特性曲線呈下降趨勢[8]。由圖6可得，流量的值越大，對應壓力越小，大體呈現反比例線性關系。在出水口直徑不變的情況下，流量值增大流速即增大，在深度不變的條件下壓力測量減小即壓強減少，與理論相符。
5 結 語
對井下流量數據的無線采集的總體構思和細節實現進行了理論方法與具體細節的分析，系統由微處理器STM32C8T6、流量傳感器部分、無線數據發送單元、無線數據接收單元和上位機軟件部分構成。系統采用流量傳感器采集鉆井液流量，以數字信號的方式傳輸給無線數據發送單元，無線數據發送單元與無線數據接收單元間依靠銅制滑環接觸供電，并通過無線數據傳輸方式將數據傳輸給無線數據接收單元，無線數據接收單元再通過CAN通信將數據傳輸給上位機，上位機集合了顯示、保存數據、錯誤提示和報警等功能。該設計改善了以往通過滑環接觸傳輸電信號的不穩定性，能夠快速、精確、可靠的傳輸流量信號。后續將針對水泵出口的直徑做進一步的改進，設計不同的直徑，測試不同直徑對流量與壓力關系的影響。
參考文獻
[1] 白春雨.基于nRF24L01的2.4 GHz無線通信系統設計[J].無線電通信技術，2011（4）：45?46.
[2] 張天祥.基于MCU和nRF24L01的無線通信系統設計[J].電子科技，2012（1）：34?35.
[3] 劉建平.單片2.4 GHz無線收發一體芯片nRF24L01及其應用[J].國外電子元器件，2004（12）：36?38.
[4] 王永宏，徐煒，郝立平.STM32系列ARM Cortex?M3微控制器原理與實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.
[5] 鄭永令.流體流動狀態與伯努利方程[J].大學物理，1994，13（8）：1?4.
[6] 巴燕燕，張曉燕.伯努利方程在不同條件下各項物理意義的討論[J].內蒙古民族大學學報：自然科學版，2008，23（3）：260?261.
[7] 侯波，欒振輝.復合式外齒輪泵流量特性的理論分析[J].華中科技大學學報，2001（12）：18?20.
[8] MANRING N D， KASARAGADDA S B. The theoretical flow ripple of an external gear pump [J]. Transactions of ASME， 2003， 125（9）： 396?405.