基于nRF24L01无线模块的井下流量数据传输设计

摘 要： 针对在钻探过程中，无法直接获取水泵出水口位置的流量传感器数据问题，根据需求设计了基于nRF24L01无线模块的无线数据传输方式，并通过铜制滑环接触供电。详细介绍了系统在复杂环境下流量数据的采集、传输工作情况，分析并验证了水泵的流量和出水口压力之间的关系。采用STM32C8T6作为微控制器，给出了软硬件设计思想和可靠的无线连接数据传输技术。

关键词： 无线数据传输； 液体流量； 铜制滑环； CAN通信

中图分类号： TN911.7⁃34 文献标识码： A 文章编号： 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

随着南极勘探活动的迅猛发展，各国对极地科考技术的研究日益深入，冰层钻井取芯技术作为极地科考的主要手段之一，得到各个国家的极地科学家的广泛关注与深入发展，在南极井下钻采的过程中，冰屑的彻底清除是冰钻成功的关键要求之一，否则，冰屑将在钻头上部附近形成堆积的冰环，影响钻进效率，最终可能会导致卡钻事故。在深部冰层电动机械钻进中，通过井下水泵带动钻井液形成孔底局部反循环，将冰屑从孔底带出并收集到冰屑室。

经过理论分析与实验验证，水泵的流量和出口压力是影响排屑的关键因素。测试水泵的压力流量关系，分析现有循环系统及井下水泵的性能，对深部冰层电动取心钻具而言是非常必要的，但目前尚没有完善的实验装置和测试方法。本文提出了一种基于无线模块的井下流量数据传输设计，可以将水泵出水口处的流量值准确、快速地传输到地面，并对流量与压力之间的关系进行处理与分析。

1 系统总体设计

根据测试需求，测试系统由传感器部分、数据发送单元、数据接收单元以及上位机软件组成。系统总构成如图1所示。

图1 系统构成

传感器采用LWGY系列涡轮流量传感器，数据发送单元接收流速传感器的数据，通过无线模块将数据发送给数据接收单元，数据接收单元由电缆直接供电，数据发送单元与数据接收单元通过两个铜制滑环接触供电，就可以为处于下方的数据发送单元供电，数据接收单元将数据以CAN通信的形式发送给上位机，上位机进行采集处理并实时显示、存储数据，并提供报警功能。

1.1 发送单元设计

发送单元内的器件流程图如图2所示，各相关模块电路安装在内嵌有滑环的圆盘内，流量传感器输出信号首先经过信号处理模块进行转换处理，输出的信号传输给STM32微控制器，微控制器再将信号数值通过SPI通信发送给无线发射模块，再由无线发射模块将数据发送出去。

图2 发送单元流程图

1.2 接收单元设计

接收单元内的器件流程图如图3所示，各相关模块电路安装在内嵌有滑环的圆盘内，外部直流电源通过电缆与外部接口连接，将12 V电源直接供给电源模块，并通过滑环将12 V电源供给到发送单元。无线接收模块在接收到发送单元无线发射模块发出的信号后，迅速将信号信息通过SPI通信方式传递给STM32微控制器，微控制器再通过CAN通信方式与上位机通信，向上位机传递数据。

图3 接收单元流程图

2 流量的信号采集

2.1 流量的测量原理与信号采集

实验系统采用LWGY系列涡轮流量传感器进行流量测量，流体流经传感器壳体，由于叶轮的叶片与流向有一定的角度，流体的冲力使叶片具有转动力矩，克服摩擦力矩和流体阻力之后叶片旋转，在力矩平衡后转速稳定，在一定的条件下，转速与流速成正比，由于叶片有导磁性，它处于信号检测器（由永久磁钢和线圈组成）的磁场中，旋转的叶片切割磁力线，周期性的改变着线圈的磁通量，从而使线圈两端感应出电脉冲信号，此信号经过放大器的放大整形，形成有一定幅度的连续矩形脉冲波，可远传至显示仪表，显示出流体的瞬时流量或总量。在测量范围内，传感器输出的脉冲频率信号与流体的体积流量成正比，这个比值即为仪表系数用[K]表示：

[K=fQ]

式中：[f]为脉冲频率；[Q]为体积流量（单位：m3/h或L/h）。

每台传感器的仪表系数由制造厂填写在检定证书中，将[K]值设入配套的显示仪表中，便可显示出瞬时流量和累积总量。

流量传感器采用12 V直流供电，对应输出为12 V的矩形脉冲，信号由微处理器的ADC模块采集，而微处理器内的A/D采集模块供电为3.3 V，决定了微控制器采集电压幅度不能超过3.3 V，因此在流量传感器的输出端设计了简单的信号处理模块，只通过开关一个NPN三极管就可以实现对12 V的信号转换，将12 V的脉冲信号转化为3.3 V的脉冲信号，这样既可以避免由于电压过高损坏微处理器，又可以使信号在传递过程中矩形脉冲波形不容易被干扰。

2.2 无线数据的传递

nRF24L01芯片工作于2.4 GHz全球开放ISM频段，125个频道，满足多点通信和跳频通信需要，工作速率为0～1 Mb/s，最大发射功率为0 dBm，外围元件极少，内置硬件CRC（循环冗余校验）和点对多点通信地址控制，集成了频率合成器，晶体振荡器和调制解调器[1]。输出功率、传输速率和频道选择可通过三线串行接口编程配置。nRF24L01芯片最突出的特点是有Direct Mode（直接模式）和Shock BurstTM Mode（突发模式）[1]两种通信模式。直接模式的使用与其他传统射频收发器的工作一样，需要通过软件在发送端添加校验码和地址码，在接收端判断是否为本机地址并检查数据是否传输正确。Shock BurstTM Mode使用芯片内部的先入先出堆栈区， 数据可从低速微控制器送入，高速（1 Mb/s） 发射出去，地址和校验码硬件自动添加和去除，这种模式的优点是：可使用低速微控制器控制芯片工作；减小功耗；射频信号高速发射，抗干扰性强；减小整个系统的平均电流。因此，使用nRF24L01芯片特有的Shock BurstTM使得系统整体的性能和效率提高[2]。

2.3 无线模块的接口电路设计

无线模块与微控制器的硬件电路连接如图4所示，发送端与接收端硬件连接一样， 具有通用性，可以实现半双工通信[3]。微控制器使用的是ST公司生产的STM32C8T6，STM32系列32位闪存微控制器使用了ARM公司最新的Cortex⁃M3内核。该内核能满足集高性能、功耗、低成本于一体的嵌入式领域的要求。STM32系列产品得益于Cortex⁃M3在架构上进行的多项改进，包括提高性能及代码密度的Thumb⁃2指令集和大幅度提高中断响应的紧耦合嵌套向量中断控制器[3]。相比8位、16位单片机，Cortex⁃M3内核的好处是低功耗、 高性能，且相同的软件在不同的核之间可以兼容。相较于ARM系列其他芯片，STM32运行速度更快，性能更高， 且在核上设计了单周期乘法制定的硬件触发[4]。本系统选择选用STM32C8T6微处理器，可以在-40～85 ℃的温度范围下工作，而且体积小，稳定性强。

无线模块nRF24L01与微控制器STM32C8T6连接，两者通过SPI进行通信，由于 nRF24L01的供电电压范围为 1.9～3.6 V，而微控制器STM32C8T6的供电电压是3.3 V，因此可以直接由微控制器供给nRF24L01无线模块电源，GPIOA_1作为外部中断口与nRF24L01的IRQ管脚连接，并在下降沿捕获nRF24L01数据。

3 系统软件设计

3.1 单片机系统总流程

发送单元内微处理器的工作流程如图5（a）所示。系统上电后，首先进行系统初始化，包括I/O初始化、时钟初始化、SPI初始化以及开中断、定时器。当没有流量信号时，数据为0；当有流量信号时，会触发微控制器的中断，通过中断与定时器计算得出当前流量传感器脉冲的频率，数据经SPI传递给无线发送模块前加上校验协议作为接收端的校验码，无线发送模块发送数据信号。

接收单元内微处理器的工作流程如图5（b）所示。系统上电后，首先进行系统初始化，包括I/O初始化、时钟初始化、SPI初始化、CAN初始化以及开中断、定时器。如果无线接收模块没有接到来自无线发送模块端的数据，那么说明发送单元与接收单元间的滑环接触供电有问题，这时通过定时器定时发送一组标志供电错误的CAN包；若无线模块接收到数据就会触发微控制器的中断，通过SPI读取无线接收模块的数据，并且与预设好的校验码进行匹配，匹配不成功，发送一组标志数据错误的CAN包；匹配成功后提取流量数据，重新组建CAN包，配置标志位发送给上位机。

图5 发送单元与接收单元系统流程

3.2 上位机系统流程

系统上电后首先进行系统的初始化，关闭报警灯和错误灯，然后开始接收CAN数据包，分析接收到的CAN数据包，若数据包标志供电错误，则启动报警，报警灯闪烁，提示发送盘与接收盘的铜环接触供电有错误；若数据包标志数据错误，则启动错误报告，错误灯闪烁；若有数据而且数据正确，则提取流量数据，用示波器实时显示流量数据，并且实时存储流量数据。

4 系统测试及结果分析

电机驱动与水泵出水口压力的测量由另一套设备控制检测，实验装置安装完毕后，注入钻井液，置入模拟环境中，电机带动水泵开始工作，图6是根据水泵出水口处的流量与压力的数据绘制而成。

图6 流量压力关系

根据流体力学的基本原理[5]分析该条件满足伯努利方程：[p+ρgh+12ρv2=c。]

理想正压流体在有势体积力作用下作定常运动时，运动方程（即欧拉方程）沿流线积分而得到的表达运动流体机械能守恒的方程。对于重力场中的不可压缩均质流体，方程为[p+ρgh+12ρv2=c。]式中[p，][ρ，][v]分别为流体的压强、密度和速度；[h]为铅垂高度；[g]为重力加速度；[c]为常量。

上式各项分别表示单位体积流体的压力能[p、]重力势能[ρgh]和动能[12ρv2，]在沿流线运动过程中，总和保持不变，即总能量守恒。但各流线之间总能量（即上式中的常量值）可能不同。对于气体，可忽略重力，方程简化为[p+12ρv2=常量（p0），]各项分别称为静压、动压和总压[6]。显然，流动中速度增大，压强就减小；速度减小， 压强就增大；速度降为零，压强就达到最大（理论上应等于总压）。

对于齿轮泵，在额定转速下，泵的理论流量是常数。由于排出腔是高压，吸油腔是负压，而齿轮侧面有轴向间隙，必然产生从排油腔到吸油腔的油液内泄漏。因此，泵输出的实际流量小于理论流量，其减少的液体体积成为液压泵的容积损失[7]。排油压力越高，泄露越大，容积效率越低，所以其流量⁃压力特性曲线呈下降趋势[8]。由图6可得，流量的值越大，对应压力越小，大体呈现反比例线性关系。在出水口直径不变的情况下，流量值增大流速即增大，在深度不变的条件下压力测量减小即压强减少，与理论相符。

5 结 语

对井下流量数据的无线采集的总体构思和细节实现进行了理论方法与具体细节的分析，系统由微处理器STM32C8T6、流量传感器部分、无线数据发送单元、无线数据接收单元和上位机软件部分构成。系统采用流量传感器采集钻井液流量，以数字信号的方式传输给无线数据发送单元，无线数据发送单元与无线数据接收单元间依靠铜制滑环接触供电，并通过无线数据传输方式将数据传输给无线数据接收单元，无线数据接收单元再通过CAN通信将数据传输给上位机，上位机集合了显示、保存数据、错误提示和报警等功能。该设计改善了以往通过滑环接触传输电信号的不稳定性，能够快速、精确、可靠的传输流量信号。后续将针对水泵出口的直径做进一步的改进，设计不同的直径，测试不同直径对流量与压力关系的影响。

参考文献

[1] 白春雨.基于nRF24L01的2.4 GHz无线通信系统设计[J].无线电通信技术，2011（4）：45⁃46.

[2] 张天祥.基于MCU和nRF24L01的无线通信系统设计[J].电子科技，2012（1）：34⁃35.

[3] 刘建平.单片2.4 GHz无线收发一体芯片nRF24L01及其应用[J].国外电子元器件，2004（12）：36⁃38.

[4] 王永宏，徐炜，郝立平.STM32系列ARM Cortex⁃M3微控制器原理与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

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[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.