基于MATLAB GUI的鉆井工具姿態(tài)采集處理系統

　　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。