RU211388U1

RU211388U1 - RADIO MODULE FOR DATA TRANSMISSION OF THE RECORDER OF TECHNOLOGICAL PARAMETERS

Info

Publication number: RU211388U1
Application number: RU2022101060U
Authority: RU
Inventors: Руслан Инфарович Сафаров; Андрей Николаевич Краснов; Андрей Николаевич Филиппов; Артур Рашитович Тухватуллин; Иван Иванович Глебашев; Вячеслав Викторович Нетёсов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Газпром добыча Уренгой"
Filing date: 2022-01-17
Publication date: 2022-06-02

Abstract

Полезная модель предназначена для использования в качестве радиомодуля, обеспечивающего передачу значений избыточного давления и температуры жидкостей и газов, измеренных с помощью регистратора технологических параметров. Технический результат - обеспечение надежности передачи телеметрических данных. Для этого предложен радиомодуль, который содержит блок управления, выполненный на основе микроконтроллера, содержащего процессорное ядро, подключенное с помощью шинного мультиплексора, к FLASH-памяти программ, SRAM-памяти данных, радиоприемопередатчику, универсальному синхронно-асинхронному приемопередатчику USART. Микроконтроллер выполнен в индустриальном исполнении, снабжен контроллером выхода из режима малого потребления WIC, к выходу радиоприемопередатчика электрически подключена внешняя антенна, а вход универсального синхронно-асинхронного приемопередатчика выполнен с возможностью подключения к нему посредством кабельного соединения выхода универсального синхронно-асинхронного приемопередатчика измерительного модуля регистратора технологических параметров. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

The utility model is intended for use as a radio module that provides transmission of overpressure and temperature values of liquids and gases measured using a process parameter recorder. EFFECT: ensuring reliability of telemetric data transmission. To do this, a radio module is proposed that contains a control unit based on a microcontroller containing a processor core connected via a bus multiplexer to a FLASH program memory, a SRAM data memory, a radio transceiver, a USART universal synchronous-asynchronous transceiver. The microcontroller is made in industrial design, equipped with a WIC low-power mode exit controller, an external antenna is electrically connected to the radio transceiver output, and the universal synchronous-asynchronous transceiver input is made with the ability to connect to it via a cable connection the output of the universal synchronous-asynchronous transceiver of the measuring module of the process parameters recorder . 3 w.p. f-ly, 1 ill.

Description

Полезная модель предназначена для использования в составе сервисов, предназначенных для целей сбора информации от датчиков, и может применяться, в частности в качестве радиомодуля, обеспечивающего передачу значений избыточного давления и температуры жидкостей и газов, измеренных с помощью регистратора технологических параметров.The utility model is intended for use as part of services designed to collect information from sensors, and can be used, in particular, as a radio module that provides transmission of overpressure and temperature values of liquids and gases measured using a process parameter recorder.

Из уровня техники известна беспроводная система сбора данных (RU 117222 U1, МПК G08C 17/02, опубл. 20.06.2012). Система содержит базовую станцию, связанную с персональным компьютером по последовательному или параллельному интерфейсу, мобильные узлы и стационарные узлы, снабженные датчиками определения параметров окружающей среды и средствами беспроводной передачи данных между упомянутыми узлами и базовой станцией.A wireless data collection system is known from the prior art (RU 117222 U1, IPC G08C 17/02, publ. 06/20/2012). The system contains a base station connected to a personal computer via a serial or parallel interface, mobile nodes and stationary nodes equipped with sensors for determining environmental parameters and means of wireless data transmission between the said nodes and the base station.

Недостатком известной беспроводной системы является ее низкая технологичность, связанная со сложностью ее конструкции, что также снижает ее надежность в условиях эксплуатации в районах низких температур (ниже - 40°С).The disadvantage of the known wireless system is its low manufacturability associated with the complexity of its design, which also reduces its reliability in operating conditions in areas of low temperatures (below -40°C).

Наиболее близким техническим решением к заявленному техническому решению и выбранному в качестве прототипа признан радиомодуль (RU 120534 U1 , МПК H04W 36/00, опубл. 20.09.2012), выполненный с возможностью его реконфигурации для использования в беспроводных сетях различного назначения. Радиомодуль содержит одну антенну и печатную плату с контактными площадками, на которой расположена микросхема, выполненная на чипе, для взаимодействия с внешними устройствами, которая содержит интерфейсы последовательной передачи данных, порты ввода-вывода и аналого-цифрового преобразования сигнала, при этом первые вход и выход антенны являются соответственно первыми входом и выходом радиомодуля.The closest technical solution to the claimed technical solution and selected as a prototype is the radio module (RU 120534 U1, IPC H04W 36/00, publ. 09/20/2012), made with the possibility of its reconfiguration for use in wireless networks for various purposes. The radio module contains one antenna and a printed circuit board with contact pads, on which a microcircuit is located, made on a chip, for interacting with external devices, which contains serial data transfer interfaces, input-output ports and analog-to-digital signal conversion, while the first input and output antennas are respectively the first input and output of the radio module.

Недостатком известного радиомодуля является сложность его адаптации для использования совместно с измерительным модулем регистратора технологических параметров.The disadvantage of the known radio module is the complexity of its adaptation for use in conjunction with the measuring module of the recorder of process parameters.

Технической задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является обеспечение надежности передачи данных от регистратора технологических параметров на базовую термостатированную станцию, находящуюся на вышке добывающей скважины.The technical problem to be solved by the claimed utility model is to ensure the reliability of data transmission from the process parameters recorder to the base thermostatic station located on the rig of the production well.

Указанная задача решена тем, что радиомодуль содержит блок управления, выполненный на основе микроконтроллера, содержащего процессорное ядро, подключенное с помощью шинного мультиплексора, к FLASH-памяти программ, SRAM-памяти данных, радио приемопередатчику, универсальному синхронно-асинхронному приемопередатчику USART. Отличает устройство от известных аналогов то, что микроконтроллер выполнен в индустриальном исполнении, снабжен контроллером выхода из режима малого потребления WIC, к выходу радио приемопередатчика электрически подключена внешняя антенна, а вход универсального синхронно-асинхронного приемопередатчика выполнен с возможностью подключения к нему посредством кабельного соединения выхода универсального синхронно-асинхронного приемопередатчика измерительного модуля регистратора технологических параметров.This problem is solved by the fact that the radio module contains a control unit based on a microcontroller containing a processor core connected using a bus multiplexer to the FLASH program memory, SRAM data memory, radio transceiver, universal synchronous-asynchronous USART transceiver. What distinguishes the device from known analogues is that the microcontroller is made in an industrial design, equipped with a WIC exit controller, an external antenna is electrically connected to the radio transceiver output, and the input of the universal synchronous-asynchronous transceiver is configured to be connected to it via a cable connection of the output of the universal synchronous-asynchronous transceiver of the measuring module of the registrar of technological parameters.

Положительным техническим результатом, обеспечиваемым раскрытой выше совокупностью признаков полезной модели, является повышение надежности передачи данных от регистратора технологических параметров на базовую термостатированную станцию, за счет применения в составе блока управления радиомодуля микроконтроллера в индустриальном исполнении, снабженного радио приемопередатчиком и универсальным синхронно-асинхронным приемопередатчиком USART, обеспечивающих прием и передачу телеметрии удаленной базовой станции. Дополнительно надежность передачи обеспечивается тем, что микроконтроллер снабжен контроллером выхода из режима малого потребления WIC (Wakeup interrupt controller), что обеспечивает пониженное энергопотребление блока управления, повышает его надежность и увеличивает срок его эксплуатации.A positive technical result, provided by the set of features of the utility model disclosed above, is to increase the reliability of data transmission from the process parameter recorder to the base temperature-controlled station, due to the use of an industrial microcontroller radio module in the control unit, equipped with a radio transceiver and a universal synchronous-asynchronous USART transceiver, providing reception and transmission of telemetry from a remote base station. Additionally, transmission reliability is ensured by the fact that the microcontroller is equipped with a WIC (Wakeup interrupt controller) exit controller, which provides reduced power consumption of the control unit, increases its reliability and increases its service life.

Полезная модель поясняется чертежом, где на фигуре (фиг. 1) представлена упрощенная структурная схема радиомодуля для передачи данных, с подключенным к нему измерительным модулем регистратора технологических параметров.The utility model is illustrated by the drawing, where the figure (Fig. 1) shows a simplified block diagram of the radio module for data transmission, with the measuring module of the process parameters recorder connected to it.

Радиомодуль для передачи данных регистратора технологических параметров устроен следующим образом.The radio module for transmitting data of the process parameters recorder is arranged as follows.

Его основой является блок управления, размещенный в корпусе (на фигурах условно не показан) и закрепленный на внешней поверхности корпуса регистратора технологических параметров. Блок управления выполнен на основе микроконтроллера 1, содержащего процессорное ядро 2, построенное на основе Гарвардской архитектуры, подключенное с помощью шинного мультиплексора (Bus Matrix), к FLASH-памяти программ 3, SRAM-памяти данных 4, радио приемопередатчику 5, контроллеру выхода из режима малого потребления (WIC) 6, универсальному синхронно-асинхронному приемопередатчику (USART) 7. Микроконтроллер, предпочтительно, выполнен в индустриальном исполнении и рассчитан на работу в диапазоне температур от -40 до +85°С. К выходу радио приемопередатчика 5 электрически подключена внешняя антенна 8, а вход универсального синхронно-асинхронного приемопередатчика (USART) 7 выполнен с возможностью подключения к нему посредством кабельного соединения выхода универсального синхронно-асинхронного приемопередатчика 9 измерительного модуля 10 регистратора технологических параметров, в качестве которого может применяться микросхема модели ADUC834, к измерительным входам которой подключены датчики избыточного давления и температуры жидкостей и газов (на фигурах условно не показаны).Its basis is a control unit placed in a housing (not shown conventionally in the figures) and fixed on the outer surface of the process parameters recorder housing. The control unit is made on the basis of a microcontroller 1 containing a processor core 2 built on the basis of the Harvard architecture, connected using a bus multiplexer (Bus Matrix), to the FLASH program memory 3, SRAM data memory 4, radio transceiver 5, exit controller low consumption (WIC) 6, universal synchronous-asynchronous transceiver (USART) 7. The microcontroller is preferably made in industrial design and is designed to operate in the temperature range from -40 to +85°C. An external antenna 8 is electrically connected to the output of the radio transceiver 5, and the input of the universal synchronous-asynchronous transceiver (USART) 7 is configured to be connected to it by means of a cable connection of the output of the universal synchronous-asynchronous transceiver 9 of the measuring module 10 of the process parameters recorder, which can be used as microchip model ADUC834, to the measuring inputs of which sensors of excess pressure and temperature of liquids and gases are connected (not shown in the figures).

Микроконтроллер 1 может содержать в своем составе встроенные в процессорное ядро 2 модули поддержки и отладки (Debug) 11, подключенные к шинному мультиплексору с помощью интерфейса системы отладки - периферийной шины Private Peripheral Bus (РРВ).The microcontroller 1 may contain support and debug modules (Debug) 11 built into the processor core 2 connected to the bus multiplexer using the debug system interface - the Private Peripheral Bus (PPB) peripheral bus.

В качестве микроконтроллера 1 блока управления может быть применена микросхема BGM13S (Silicon Labs BGM13S Blue Gecko Bluetooth Mesh SiP Modules // Mouser Electronics. URL: https://ru.mouser.com/new/silicon-labs/silabs-bgm13s-blue-gecko-module/ (дата обращения 21.12.2021)), построенная на основе процессорного ядра Cortex-M4, представляющая собой SiP-модуль, работающий в диапазоне частот 2.4 ГГц, поддерживающий протокол Bluetooth 5, содержащий 512 Кб памяти FLASH-программ и 64 Кб SRAM-памяти данных.The BGM13S chip (Silicon Labs BGM13S Blue Gecko Bluetooth Mesh SiP Modules // Mouser Electronics. URL: https://ru.mouser.com/new/silicon-labs/silabs-bgm13s-blue-) can be used as a microcontroller 1 control unit. gecko-module/ (accessed 12/21/2021)) built on the basis of the Cortex-M4 processor core, which is a SiP module operating in the 2.4 GHz frequency band, supporting the Bluetooth 5 protocol, containing 512 KB of FLASH program memory and 64 KB SRAM data memory.

Дополнительно микроконтроллер 1 содержит многоканальный аналого-цифровой преобразователь (ADC) 12 и универсальные восьмиразрядные двунаправленные GPIO-порты 13 и 14 ввода-вывода, при этом к одной из линий аналого-цифрового преобразователя 12 посредством операционного усилителя может быть подключен датчик температуры 15, установленный внутри корпуса радиомодуля, а первый и второй GPIO-порты 14 и 15 ввода-вывода могут быть выполнены с возможностью подключения к ним модуля индикации 16 и блока ввода данных 17.Additionally, the microcontroller 1 contains a multi-channel analog-to-digital converter (ADC) 12 and universal eight-bit bidirectional GPIO ports 13 and 14 input-output, while a temperature sensor 15 installed inside can be connected to one of the lines of the analog-to-digital converter 12 via an operational amplifier. housing of the radio module, and the first and second GPIO ports 14 and 15 input-output can be configured to connect to them the display module 16 and data input unit 17.

Датчик температуры 15 может быть использован для измерения температуры окружающей среды и, при достижении ее критических верхнего или нижнего значений, на работу в пределах которых рассчитан модуль, автоматической передачи предупреждения опасности выхода из строя модуля на базовую станцию. Модуль индикации 16 может быть выполнен в виде текстового LCD-индикатора, а блок ввода данных 17 представлять собой кнопочную клавиатуру, состоящую из шестнадцати клавиш, при этом упомянутые узлы могут использоваться для изменения режимов работы блока управления.The temperature sensor 15 can be used to measure the ambient temperature and, upon reaching its critical upper or lower values, within which the module is designed to operate, automatically transmit warning of the danger of module failure to the base station. The display module 16 can be made in the form of a text LCD indicator, and the data input block 17 can be a keypad consisting of sixteen keys, while the mentioned nodes can be used to change the operating modes of the control unit.

Радиомодуль для передачи данных регистратора технологических параметров работает следующим образом.The radio module for data transmission of the process parameters recorder operates as follows.

Первоначально регистратор технологических параметров, например модели РТП-04, закрепляют на контролируемом трубопроводе скважины, затем на корпусе регистратора закрепляют радиомодуль для передачи данных, обеспечивая его питание +3.3 В с выходных клемм регистратора. Затем выход универсального синхронно-асинхронного приемопередатчика (USART) 9 измерительного модуля 10 регистратора технологических параметров подключают посредством кабельного соединения к входу универсального синхронно-асинхронного приемопередатчика (USART) 7 радиомодуля передачи данных, после чего, при необходимости, в корпусе радиомодуля устанавливают резистивный датчик температуры 15, подключая его выход через операционный усилитель к одной из линий аналого-цифрового преобразователя 12 микроконтроллера 1. Далее к GPIO-портам 13, 14 подключают, соответственно, LCD-индикатор 16 и клавиатуру 17, настраивая параметры режимов работы радиомодуля, при этом в зависимости от настроек мощность сигнала, передаваемого радио приемопередатчиком 5, может достигать 19 дБм за счет использования внешней антенны 8. При настройке работы радиомодуля к процессорному ядру 2 для отладки и верификации управляющей программы, хранящейся во FLASH-памяти программ, с помощью блока модулей поддержки и отладки (Debug) 11 может быть подключен персональный компьютер, снабженный средствами пошагового выполнения программ и анализа состояния процессорного ядра 2 и периферийных устройств микроконтроллера 1. После выполнения настроек LCD-индикатор 16 и клавиатуру 17 отключают от GPIO-портов 13, 14 ввода-вывода радиомодуля, предварительно переведя его в штатный режим работы.Initially, the process parameters recorder, for example, the RTP-04 model, is fixed on the controlled well pipeline, then a radio module for data transmission is fixed on the recorder case, providing its +3.3 V power supply from the recorder output terminals. Then the output of the universal synchronous-asynchronous transceiver (USART) 9 of the measuring module 10 of the process parameters recorder is connected via a cable connection to the input of the universal synchronous-asynchronous transceiver (USART) 7 of the data transmission radio module, after which, if necessary, a resistive temperature sensor 15 is installed in the radio module housing , connecting its output through an operational amplifier to one of the lines of the analog-to-digital converter 12 of the microcontroller 1. Next, the LCD indicator 16 and the keyboard 17 are connected to the GPIO ports 13, 14, respectively, setting the parameters of the radio module operation modes, while depending on settings, the power of the signal transmitted by the radio transceiver 5 can reach 19 dBm due to the use of an external antenna 8. When setting up the operation of the radio module to the processor core 2 for debugging and verifying the control program stored in the FLASH program memory, using the block of support and debugging modules ( Debug) 11, a personal computer can be connected, equipped with tools for step-by-step execution of programs and analysis of the state of the processor core 2 and peripheral devices of the microcontroller 1. switching it to normal operation.

Большую часть времени микроконтроллер блока управления радиомодуля находится в режиме пониженного энергопотребления. Переход радиомодуля в активный режим работы инициирует измерительный модуль 10, передавая через последовательный интерфейс посредством передатчика USART 9 активирующую последовательность команд, при этом быстрый переход процессора в рабочий режим и отключение его питания обеспечивает WIC-контроллер 6. После чего процессорное ядро 2 микроконтроллера 1, управляемое программой, хранящейся во FLASH-памяти программ 3, используя для буферизации SRAM-память данных, передает через последовательный интерфейс посредством передатчика USART 7 последовательность команд на считывание телеметрических данных, полученных измерительным модулем десять, после чего с помощью радио приемопередатчика 5 передает их в эфир, а удаленная базовая станция, осуществляющая прослушивание эфира, принимает телеметрические данные и сохраняет их для дальнейшего использования.Most of the time, the microcontroller of the radio control unit is in a low power mode. The transition of the radio module to the active mode of operation initiates the measuring module 10, transmitting an activating command sequence via the serial interface via the USART transmitter 9, while the WIC controller 6 provides a quick transition of the processor to the operating mode and turning off its power. After that, the processor core 2 of the microcontroller 1, controlled program stored in the FLASH-memory of programs 3, using the SRAM-data memory for buffering, transmits through the serial interface by means of the transmitter USART 7 a sequence of commands for reading telemetry data received by the measuring module ten, after which, using the radio transceiver 5, transmits them on the air, and the remote base station listening to the air receives the telemetry data and stores it for further use.

Claims

1. A radio module for transmitting data of the process parameter recorder, containing a control unit based on a microcontroller containing a processor core connected using a bus multiplexer to the FLASH program memory, SRAM data memory, a radio transceiver, a WIC exit controller and a universal synchronous-asynchronous transceiver USART, characterized in that the microcontroller is made in industrial design, an external antenna is electrically connected to the output of the radio transceiver, and the input of the universal synchronous-asynchronous transceiver is made with the possibility of connecting to it by means of a cable connection the output of the universal synchronous-asynchronous transceiver of the measuring module of the registrar of technological parameters.

2. The radio module according to claim 1, characterized in that the microcontroller is designed to operate in the temperature range from -40 to +85°C.

3. The radio module according to claim 1, characterized in that the BGM13S chip is used as the microcontroller of the control unit, which is a SiP module that supports the Bluetooth 5 protocol, containing 512 KB of FLASH program memory and 64 KB of SRAM data memory.

4. The radio module according to claim 1, characterized in that the microcontroller contains a multi-channel analog-to-digital converter and universal eight-bit bidirectional GPIO input-output ports, while a temperature sensor installed inside the case is connected to one of the lines of the analog-to-digital converter by means of an operational amplifier radio module, and the first and second GPIO input-output ports are configured to connect to them an indication module and a data input unit.