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(shè)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(shè)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(yīng)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。
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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(yīng)的子程序，執(zhí)行相應(yīng)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(shè)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(shè)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(fù)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。
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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(shè)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)乃俣龋Y(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：
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，難以滿足本系統(tǒng)的需要。因此本系統(tǒng)調(diào)用系統(tǒng)中的Activex控件FlexArray、FlexGrid實現(xiàn)了數(shù)據(jù)在表格中的顯示，調(diào)用axes控件實現(xiàn)了數(shù)據(jù)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(shè)置過程中，使用了全程序法、GUIDE屬性法和兩者相結(jié)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(shè)置控件。而GUIDE屬性法類似VB的設(shè)計風格，容易上手，但是這種方法使得m文件過于依賴fig文件。兩者結(jié)合的方法使得設(shè)計更加靈活。下面以GUIDE屬性法和全程序法相結(jié)合的方法創(chuàng)建、調(diào)用FlexArray控件為例，講解本系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)顯示部分。基本控件的操作比較簡單，在此不進行詳述。
FlexArray控件的全稱是
，該控件的文件即C：＼WINDOWS＼System32＼VSFLEX3.OCX，如果本機上沒有的話，可以到網(wǎng)上下載，或到其他機子上復(fù)制，然后使用regsvr32.exe注冊即可。做好這些準備工作之后，點擊GUI左側(cè)的工具箱中的Activex按鈕后，在設(shè)計區(qū)拖拉，彈出"Select an Activex Control"對話框，對話框中的"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(qū)被創(chuàng)建。
創(chuàng)建成功后，GUI自動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函數(shù)來調(diào)用對應(yīng)的Activex控件。控件的屬性設(shè)置可以通過雙擊控件或者右鍵菜單打開屬性設(shè)置窗口來進行，也可以通過在m文件中通過set命令設(shè)定。通過get可以獲取Activex控件的屬性。
要讀取或設(shè)定FlexArray控件表格中某單元格的內(nèi)容時，首先通過handles.activexl.row=i；handles.activexl.col=j；語句指向目標單元格，然后通過fa=get(handles.activexl，′text′)；fa=str2num(fa)；語句將目標單元格中的內(nèi)容轉(zhuǎn)換為數(shù)值賦給變量fa.通過set命令設(shè)置目標單元格中的內(nèi)容，也可以設(shè)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(shù)據(jù)直接計算井眼姿態(tài)，將會造成較大的誤差。主要原因是：(1)在鉆進中，由于鉆進環(huán)境惡劣，振動和旋轉(zhuǎn)都會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(shù)據(jù)存在一定的影響。
在消除旋轉(zhuǎn)對實驗數(shù)據(jù)的影響后，再借助MATLAB語言實現(xiàn)濾波功能，具體實現(xiàn)流程如下：根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，在MATLAB的FDAtool工具箱中設(shè)計濾波器，濾波效果與實際情況吻合后，將該濾波器的傳遞函數(shù)使用MATLAB語言實現(xiàn)，添加到"數(shù)據(jù)處理"功能按鈕對應(yīng)的程序中，完成數(shù)據(jù)處理的全部功能。
將濾波前后的數(shù)據(jù)借助axeS控件繪圖顯示，可以看到數(shù)據(jù)處理前后對真實井眼姿態(tài)描述的差異。
5應(yīng)用實例
本系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于智能旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)的室內(nèi)實驗，圖3是在室內(nèi)直井鉆井平臺上進行模擬鉆井實驗的鉆進過程中，利用本軟件進行操作的截圖。該圖較好地展示了該軟件的功能：數(shù)據(jù)、命令的雙向傳輸及顯示、數(shù)據(jù)的后續(xù)處理功能。圖中曲線顯示區(qū)域黑線代表的是采集到的y軸重量加速度的數(shù)值GY，紅線代表的是經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后的GY，不難發(fā)現(xiàn)，后者的波動范圍明顯縮小，曲線更為光滑。然后利用處理過的三軸加速度數(shù)值，對鉆井工具的空間姿態(tài)角進行計算，能夠得到與實際情況較為吻合的空間姿態(tài)，為礦井的鉆進中空間姿態(tài)的準確測量，提供了一個可供借鑒和參考的方法，能夠使鉆井過程中減少停鉆次數(shù)，為提高鉆井效率和鉆井安全增加了保證。
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具有數(shù)據(jù)處理、串口操作控制功能和Activex控件合理調(diào)用功能的上位機軟件，再加上高性能片上系統(tǒng)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(tǒng)，在115200的串口波特率下，實現(xiàn)了對多路井下信號的采集、處理，從實驗結(jié)果來看，井斜角、工具面角等空間角度的計算結(jié)果與實際情況較為符合，完全適用于鉆井工具的空間姿態(tài)測量應(yīng)用。強大的數(shù)據(jù)處理功能，再加上人機操作界面，這使得MATLAB在工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)控方面將獲得更廣闊的應(yīng)用。
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