基于MATLAB GUI的鉆井工具姿態(tài)采集處理系統(tǒng)

　　0引 言

　　在石油鉆井中，準(zhǔn)確測(cè)量井眼姿態(tài)是進(jìn)行井眼軌跡控制的前提。為此，本文充分結(jié)合單片機(jī)和MATLAB的優(yōu)點(diǎn)，基于事件驅(qū)動(dòng)的通信機(jī)制，提出了一種MATLAB環(huán)境下基于GUI的PC與片上系統(tǒng)C8051F060實(shí)時(shí)串行通信的可視化數(shù)據(jù)處理方法，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)井眼姿態(tài)的監(jiān)測(cè)。該方法極大地簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)流程，提高了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)效率。更重要的是MATLAB的運(yùn)算能力，為數(shù)據(jù)處理提供了保障。

　　1 系統(tǒng)介紹

　　在本系統(tǒng)中，上位機(jī)是PC，下位機(jī)采用silabs公司推出的高速片上系統(tǒng)(SoC)C8051F060，使用三軸加速度計(jì)來(lái)敏感井眼姿態(tài)的變化。三軸加速度計(jì)兩兩正交，輸出正方向滿足右手螺旋法則，將三軸加速度的輸出值通過(guò)坐標(biāo)間的相互轉(zhuǎn)換，利用三角關(guān)系式即可得到當(dāng)前井眼空間姿態(tài)。由于PC串口與SoC的UART使用的是不同的電壓標(biāo)準(zhǔn)，所以兩者間通過(guò)電壓轉(zhuǎn)換芯片sp3223相連。三軸加速度敏感到的姿態(tài)信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理電路和多路開(kāi)關(guān)后，被SoC內(nèi)部的A／D采樣，采集得到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到片外存儲(chǔ)器。數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)設(shè)備采用三星公司生產(chǎn)的超大容量存儲(chǔ)器K9K8G08U0M，滿足了系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間采集存儲(chǔ)的需要。

　　借助GUI開(kāi)發(fā)的上位機(jī)軟件通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)間的命令及數(shù)據(jù)傳輸，并對(duì)下位機(jī)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

　　2硬件系統(tǒng)

　　C8051060是完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型MCU，其內(nèi)部CIP-51內(nèi)核采用流水線結(jié)構(gòu)，指令執(zhí)行速度可達(dá)25 MIPS。使用如此高性能的單片機(jī)使得系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)大為簡(jiǎn)化，單片機(jī)的UART、串口通過(guò)電壓轉(zhuǎn)換模塊SP3223與PC進(jìn)行通信，而C8051060的雙串口為多系統(tǒng)的級(jí)聯(lián)提供了方便。數(shù)據(jù)采集功能由其內(nèi)部的ADC完成，采集的數(shù)據(jù)通過(guò)口線存儲(chǔ)到片外的大容量存儲(chǔ)器K9K8G08U0M。

　　系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示，其中實(shí)線為數(shù)據(jù)流，虛線為控制流。系統(tǒng)工作時(shí)，由上位機(jī)通過(guò)命令來(lái)控制下位機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的操作。進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，單片機(jī)控制電源給傳感器供電。各路信號(hào)經(jīng)過(guò)各自的調(diào)理電路后被送入多路開(kāi)關(guān)。單片機(jī)通過(guò)控制多路開(kāi)關(guān)來(lái)選擇所要采樣的信號(hào)，并將其送入SoC內(nèi)置的ADC進(jìn)行采樣。采樣值被存儲(chǔ)后等待與上位機(jī)的通信。

　　3下位機(jī)軟件

　　下位機(jī)SoC接收到PC的下發(fā)消息后，通過(guò)串口中斷程序轉(zhuǎn)入相應(yīng)的子程序，執(zhí)行相應(yīng)操作，最后返回一個(gè)握手信號(hào)做為狀態(tài)標(biāo)志，確認(rèn)命令是否被正確執(zhí)行。

　　C8051060使用UART0與PC進(jìn)行串行通信。將該串口的工作方式設(shè)置為方式3，具有硬件地址識(shí)別和多處理器通訊的功能，并且用定時(shí)器1作為波特率發(fā)生器，設(shè)定波特率為115 200 b／s，每幀數(shù)據(jù)占11位--1個(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)可編程的第九位，1個(gè)結(jié)束位。

　　該軟件的子程序包括：清參數(shù)區(qū)、清數(shù)據(jù)區(qū)、發(fā)送參數(shù)、接收參數(shù)、開(kāi)始采集、接收數(shù)據(jù)、復(fù)位等，各子程序的具體實(shí)現(xiàn)在此不進(jìn)行詳細(xì)描述。軟件框圖如圖2所示。

　　4上位機(jī)軟件

　　本系統(tǒng)使用MATLAB提供的圖像用戶界面開(kāi)發(fā)環(huán)境(GUIDE)完成界面設(shè)計(jì)及上位機(jī)軟件編制。GUI"所見(jiàn)即所得"的編程方式簡(jiǎn)單明快，非常容易上手。本軟件借助MATLAB自帶的工具箱和系統(tǒng)中的Activex控件，編制了菜單欄和工具欄及各功能模塊，實(shí)現(xiàn)了命令、參數(shù)以及數(shù)據(jù)的雙向傳輸及顯示、數(shù)據(jù)的濾波處理及繪圖。

　　4.1串行通信的實(shí)現(xiàn)

　　MATLAB本身是一個(gè)跨平臺(tái)的軟件，并不具備直接訪問(wèn)硬件的能力，但是可以通過(guò)對(duì)serial類的操作，實(shí)現(xiàn)MATLAB對(duì)串口的支持。

　　要想在MATLAB中使用串行口，首先要借助serial類建立串口對(duì)象，并在使用前將該串口對(duì)象打開(kāi)。數(shù)據(jù)傳輸完畢后，需關(guān)閉該串口對(duì)象，避免影響其他程序無(wú)法對(duì)該串口對(duì)象的使用。在系統(tǒng)不再使用該串口或者退出系統(tǒng)時(shí)，需要將該串口對(duì)象清除并從MATLAB工作空間清除，避免占用內(nèi)存和影響其他系統(tǒng)使用。

　　在使用串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，需要對(duì)串口進(jìn)行讀寫(xiě)操作。讀寫(xiě)串口的方式分為二進(jìn)制、文本兩種，類似于一般的文件操作。為了提高傳輸?shù)乃俣龋Y(jié)合實(shí)際情況，本系統(tǒng)采用串口二進(jìn)制異步讀寫(xiě)方式。MATLAB程序通過(guò)串行口將命令發(fā)送到下位機(jī)，并通過(guò)串行口接收下位機(jī)上傳的握手信號(hào)及數(shù)據(jù)。

　　串行通信的部分源碼如下：

　　使用串口進(jìn)行讀寫(xiě)操作時(shí)，還需注意的一點(diǎn)就是對(duì)串口數(shù)據(jù)校驗(yàn)方式屬性(Parity)的設(shè)置，如果該設(shè)置與下位機(jī)軟件不匹配，將造成讀寫(xiě)錯(cuò)誤而又難以查找原因。