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，準確測量井眼姿態(tài)是進行井眼軌跡控制的前提。為此，本文充分結(jié)合單片機和MATLAB的優(yōu)點，基于事件驅(qū)動的通信機制，提出了一種MATLAB環(huán)境下基于GUI的PC與片上系統(tǒng)C8051F060實時串行通信的可視化數(shù)據(jù)處理方法，并實現(xiàn)了對井眼姿態(tài)的監(jiān)測。該方法極大地簡化了開發(fā)流程，提高了系統(tǒng)開發(fā)效率。更重要的是MATLAB的運算能力，為數(shù)據(jù)處理提供了保障。

　　1 系統(tǒng)介紹

　　在本系統(tǒng)中，上位機是PC，下位機采用silabs公司推出的高速片上系統(tǒng)(SoC)C8051F060，使用三軸加速度計來敏感井眼姿態(tài)的變化。三軸加速度計兩兩正交，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坐標間的相互轉(zhuǎn)換，利用三角關(guān)系式即可得到當前井眼空間姿態(tài)。由于PC串口與SoC的UART使用的是不同的電壓標準，所以兩者間通過電壓轉(zhuǎn)換芯片sp3223相連。三軸加速度敏感到的姿態(tài)信號經(jīng)過調(diào)理電路和多路開關(guān)后，被SoC內(nèi)部的A／D采樣，采集得到的數(shù)據(jù)存儲到片外存儲器。數(shù)據(jù)的存儲設備采用三星公司生產(chǎn)的超大容量存儲器K9K8G08U0M，滿足了系統(tǒng)長時間采集存儲的需要。

　　借助GUI開發(fā)的上位機軟件通過串口實現(xiàn)與下位機間的命令及數(shù)據(jù)傳輸，并對下位機采集的數(shù)據(jù)進行處理。

　　2硬件系統(tǒng)

　　C8051060是完全集成的混合信號片上系統(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25 MIPS。使用如此高性能的單片機使得系統(tǒng)硬件電路設計大為簡化，單片機的UART、串口通過電壓轉(zhuǎn)換模塊SP3223與PC進行通信，而C8051060的雙串口為多系統(tǒng)的級聯(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)通過口線存儲到片外的大容量存儲器K9K8G08U0M。

　　系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示，其中實線為數(shù)據(jù)流，虛線為控制流。系統(tǒng)工作時，由上位機通過命令來控制下位機進行相應的操作。進行數(shù)據(jù)采集時，單片機控制電源給傳感器供電。各路信號經(jīng)過各自的調(diào)理電路后被送入多路開關(guān)。單片機通過控制多路開關(guān)來選擇所要采樣的信號，并將其送入SoC內(nèi)置的ADC進行采樣。采樣值被存儲后等待與上位機的通信。

　　3下位機軟件

　　下位機SoC接收到PC的下發(fā)消息后，通過串口中斷程序轉(zhuǎn)入相應的子程序，執(zhí)行相應操作，最后返回一個握手信號做為狀態(tài)標志，確認命令是否被正確執(zhí)行。

　　C8051060使用UART0與PC進行串行通信。將該串口的工作方式設置為方式3，具有硬件地址識別和多處理器通訊的功能，并且用定時器1作為波特率發(fā)生器，設定波特率為115 200 b／s，每幀數(shù)據(jù)占11位--1個起始位，8個數(shù)據(jù)位，1個可編程的第九位，1個結(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)、開始采集、接收數(shù)據(jù)、復位等，各子程序的具體實現(xiàn)在此不進行詳細描述。軟件框圖如圖2所示。

　　4上位機軟件

　　本系統(tǒng)使用MATLAB提供的圖像用戶界面開發(fā)環(huán)境(GUIDE)完成界面設計及上位機軟件編制。GUI"所見即所得"的編程方式簡單明快，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串行通信的實現(xiàn)

　　MATLAB本身是一個跨平臺的軟件，并不具備直接訪問硬件的能力，但是可以通過對serial類的操作，實現(xiàn)MATLAB對串口的支持。

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

　　在使用串口進行數(shù)據(jù)傳輸時，需要對串口進行讀寫操作。讀寫串口的方式分為二進制、文本兩種，類似于一般的文件操作。為了提高傳輸?shù)乃俣?，結(jié)合實際情況，本系統(tǒng)采用串口二進制異步讀寫方式。MATLAB程序通過串行口將命令發(fā)送到下位機，并通過串行口接收下位機上傳的握手信號及數(shù)據(jù)。

　　串行通信的部分源碼如下：

　　使用串口進行讀寫操作時，還需注意的一點就是對串口數(shù)據(jù)校驗方式屬性(Parity)的設置，如果該設置與下位機軟件不匹配，將造成讀寫錯誤而又難以查找原因。