基于MATLAB GUI的鉆井工具姿態(tài)采集

0引 言

在石油鉆井中，準確測量井眼姿態(tài)是進(jìn)行井眼軌跡控制的前提。為此，本文充分結合單片機和MATLAB的優(yōu)點(diǎn)，基于事件驅動(dòng)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C8051F060實(shí)時(shí)串行通信的可視化數據處理方法，并實(shí)現了對井眼姿態(tài)的監測。該方法極大地簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)流程，提高了系統開(kāi)發(fā)效率。更重要的是MATLAB的運算能力，為數據處理提供了保障。

1 系統介紹

在本系統中，上位機是PC，下位機采用silabs公司推出的高速片上系統(SoC)C8051F060，使用三軸加速度計來(lái)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(mǎn)足右手螺旋法則，將三軸加速度的輸出值通過(guò)坐標間的相互轉換，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?xún)烧唛g通過(guò)電壓轉換芯片sp3223相連。三軸加速度敏感到的姿態(tài)信號經(jīng)過(guò)調理電路和多路開(kāi)關(guān)后，被SoC內部的A/D采樣，采集得到的數據存儲到片外存儲器。數據的存儲設備采用三星公司生產(chǎn)的超大容量存儲器K9K8G08U0M，滿(mǎn)足了系統長(cháng)時(shí)間采集存儲的需要。

借助GUI開(kāi)發(fā)的上位機軟件通過(guò)串口實(shí)現與下位機間的命令及數據傳輸，并對下位機采集的數據進(jìn)行處理。

2硬件系統

C8051060是完全集成的混合信號片上系統型MCU，其內部CIP-51內核采用流水線(xiàn)結構，指令執行速度可達25 MIPS。使用如此高性能的單片機使得系統硬件電路設計大為簡(jiǎn)化，單片機的UART、串口通過(guò)電壓轉換模塊SP3223與PC進(jìn)行通信，而C8051060的雙串口為多系統的級聯(lián)提供了方便。數據采集功能由其內部的ADC完成，采集的數據通過(guò)口線(xiàn)存儲到片外的大容量存儲器K9K8G08U0M。

系統硬件框圖如圖1所示，其中實(shí)線(xiàn)為數據流，虛線(xiàn)為控制流。系統工作時(shí)，由上位機通過(guò)命令來(lái)控制下位機進(jìn)行相應的操作。進(jìn)行數據采集時(shí)，單片機控制電源給傳感器供電。各路信號經(jīng)過(guò)各自的調理電路后被送入多路開(kāi)關(guān)。單片機通過(guò)控制多路開(kāi)關(guān)來(lái)選擇所要采樣的信號，并將其送入SoC內置的ADC進(jìn)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(guò)串口中斷程序轉入相應的子程序，執行相應操作，最后返回一個(gè)握手信號做為狀態(tài)標志，確認命令是否被正確執行。

C8051060使用UART0與PC進(jìn)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(shí)器1作為波特率發(fā)生器，設定波特率為115 200 b/s，每幀數據占11位--1個(gè)起始位，8個(gè)數據位，1個(gè)可編程的第九位，1個(gè)結束位。

該軟件的子程序包括：清參數區、清數據區、發(fā)送參數、接收參數、開(kāi)始采集、接收數據、復位等，各子程序的具體實(shí)現在此不進(jìn)行詳細描述。軟件框圖如圖2所示。

4上位機軟件

本系統使用MATLAB提供的圖像用戶(hù)界面開(kāi)發(fā)環(huán)境(GUIDE)完成界面設計及上位機軟件編制。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中的Activex控件，編制了菜單欄和工具欄及各功能模塊，實(shí)現了命令、參數以及數據的雙向傳輸及顯示、數據的濾波處理及繪圖。

4.1串行通信的實(shí)現

MATLAB本身是一個(gè)跨平臺的軟件，并不具備直接訪(fǎng)問(wèn)硬件的能力，但是可以通過(guò)對serial類(lèi)的操作，實(shí)現MATLAB對串口的支持。

要想在MATLAB中使用串行口，首先要借助serial類(lèi)建立串口對象，并在使用前將該串口對象打開(kāi)。數據傳輸完畢后，需關(guān)閉該串口對象，避免影響其他程序無(wú)法對該串口對象的使用。在系統不再使用該串口或者退出系統時(shí)，需要將該串口對象清除并從MATLAB工作空間清除，避免占用內存和影響其他系統使用。

在使用串口進(jìn)行數據傳輸時(shí)，需要對串口進(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(lèi)似于一般的文件操作。為了提高傳輸的速度，結合實(shí)際情況，本系統采用串口二進(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，并通過(guò)串行口接收下位機上傳的握手信號及數據。

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)就是對串口數據校驗方式屬性(Parity)的設置，如果該設置與下位機軟件不匹配，將造成讀寫(xiě)錯誤而又難以查找原因。

4.2 GUI界面中activx控件的使用

在MATLAB的GUIDE中所提供的基本控件非常少，難以滿(mǎn)足本系統的需要。因此本系統調用系統中的Activex控件FlexArray、FlexGrid實(shí)現了數據在表格中的顯示，調用axes控件實(shí)現了數據圖形繪制。

本程序中用到的控件(包括Activex控件)，在其創(chuàng )建及屬性設置過(guò)程中，使用了全程序法、GUIDE屬性法和兩者相結合的方法。全程序法是只借助MATLAB提供的句柄功能創(chuàng )建及設置控件。而GUIDE屬性法類(lèi)似VB的設計風(fēng)格，容易上手，但是這種方法使得m文件過(guò)于依賴(lài)fig文件。兩者結合的方法使得設計更加靈活。下面以GUIDE屬性法和全程序法相結合的方法創(chuàng )建、調用FlexArray控件為例，講解本系統中的數據顯示部分?；究丶牟僮鞅容^簡(jiǎn)單，在此不進(jìn)行詳述。

FlexArray控件的全稱(chēng)是，該控件的文件即C：WINDOWSSystem32VSFLEX3.OCX，如果本機上沒(méi)有的話(huà)，可以到網(wǎng)上下載，或到其他機子上復制，然后使用regsvr32.exe注冊即可。做好這些準備工作之后，點(diǎn)擊GUI左側的工具箱中的Activex按鈕后，在設計區拖拉，彈出Select an Activex Control對話(huà)框，對話(huà)框中的Activex Control List列表框列出了在當前計算機上注冊的所有Activex控件，在該列表框中選中 控件，單擊Create按鈕，該控件便在GUI的空白編輯區被創(chuàng )建。

創(chuàng )建成功后，GUI自動(dòng)為該控件生成的句柄做為圖形窗口句柄handles的成員被存儲，對于第N個(gè)被創(chuàng )建的Activex控件，其句柄為handles.activexN，以后借用該句柄就可以通過(guò)函數來(lái)調用對應的Activex控件?？丶膶傩栽O置可以通過(guò)雙擊控件或者右鍵菜單打開(kāi)屬性設置窗口來(lái)進(jìn)行，也可以通過(guò)在m文件中通過(guò)set命令設定。通過(guò)get可以獲取Activex控件的屬性。

要讀取或設定FlexArray控件表格中某單元格的內容時(shí)，首先通過(guò)handles.activexl.row=i;handles.activexl.col=j;語(yǔ)句指向目標單元格，然后通過(guò)fa=get(handles.activexl，′text′);fa=str2num(fa);語(yǔ)句將目標單元格中的內容轉換為數值賦給變量fa.通過(guò)set命令設置目標單元格中的內容，也可以設置固定欄標題，只是注意對于行固定欄的行號是0，列固定欄的列號是0。

4.3濾波處理及圖形繪制

如果使用采集到的傳感器輸出數據直接計算井眼姿態(tài)，將會(huì )造成較大的誤差。主要原因是：(1)在鉆進(jìn)中，由于鉆進(jìn)環(huán)境惡劣，振動(dòng)和旋轉都會(huì )對傳感器輸出造成較大影響;(2)電路本身的電氣噪聲，對采集數據存在一定的影響。

在消除旋轉對實(shí)驗數據的影響后，再借助MATLAB語(yǔ)言實(shí)現濾波功能，具體實(shí)現流程如下：根據實(shí)驗數據，在MATLAB的FDAtool工具箱中設計濾波器，濾波效果與實(shí)際情況吻合后，將該濾波器的傳遞函數使用MATLAB語(yǔ)言實(shí)現，添加到數據處理功能按鈕對應的程序中，完成數據處理的全部功能。

將濾波前后的數據借助axeS控件繪圖顯示，可以看到數據處理前后對真實(shí)井眼姿態(tài)描述的差異。

5應用實(shí)例

本系統已經(jīng)應用于智能旋轉導向系統的室內實(shí)驗，圖3是在室內直井鉆井平臺上進(jìn)行模擬鉆井實(shí)驗的鉆進(jìn)過(guò)程中，利用本軟件進(jìn)行操作的截圖。該圖較好地展示了該軟件的功能：數據、命令的雙向傳輸及顯示、數據的后續處理功能。圖中曲線(xiàn)顯示區域黑線(xiàn)代表的是采集到的y軸重量加速度的數值GY，紅線(xiàn)代表的是經(jīng)過(guò)數據處理后的GY，不難發(fā)現，后者的波動(dòng)范圍明顯縮小，曲線(xiàn)更為光滑。然后利用處理過(guò)的三軸加速度數值，對鉆井工具的空間姿態(tài)角進(jìn)行計算，能夠得到與實(shí)際情況較為吻合的空間姿態(tài)，為礦井的鉆進(jìn)中空間姿態(tài)的準確測量，提供了一個(gè)可供借鑒和參考的方法，能夠使鉆井過(guò)程中減少停鉆次數，為提高鉆井效率和鉆井安全增加了保證。

6結論

具有數據處理、串口操作控制功能和Activex控件合理調用功能的上位機軟件，再加上高性能片上系統C8051F060作為主芯片的井下電路，兩者組成了模擬鉆井姿態(tài)采集處理系統，在115200的串口波特率下，實(shí)現了對多路井下信號的采集、處理，從實(shí)驗結果來(lái)看，井斜角、工具面角等空間角度的計算結果與實(shí)際情況較為符合，完全適用于鉆井工具的空間姿態(tài)測量應用。強大的數據處理功能，再加上人機操作界面，這使得MATLAB在工業(yè)現場(chǎng)監控方面將獲得更廣闊的應用。