基于MATLAB GUI的鉆井工具姿態(tài)采集
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)化了開發(fā)流程,提高了系統(tǒng)開發(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(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開發(fā)的上位機(jī)軟件通過串口實(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)通過命令來控制下位機(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)過各自的調(diào)理電路后被送入多路開關(guān)。單片機(jī)通過控制多路開關(guān)來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,并不具備直接訪問硬件的能力,但是可以通過對(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。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)行讀寫操作。讀寫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?,結(jié)合實(shí)際情況,本系統(tǒng)采用串口二進(jìn)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(jī),并通過串行口接收下位機(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,將造成讀寫錯(cuò)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(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)在表格中的顯示,調(diào)用axes控件實(shí)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(jì)風(fēng)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(jì)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?;究丶牟僮鞅容^簡(jiǎn)單,在此不進(jìn)行詳述。
FlexArray控件的全稱是,該控件的文件即C:WINDOWSSystem32VSFLEX3.OCX,如果本機(jī)上沒有的話,可以到網(wǎng)上下載,或到其他機(jī)子上復(fù)制,然后使用regsvr32.exe注冊(cè)即可。做好這些準(zhǔn)備工作之后,點(diǎn)擊GUI左側(cè)的工具箱中的Activex按鈕后,在設(shè)計(jì)區(qū)拖拉,彈出"Select an Activex Control"對(duì)話框,對(duì)話框中的"Activex Control List"列表框列出了在當(dāng)前計(jì)算機(jī)上注冊(cè)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(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(chǔ),對(duì)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函數(shù)來調(diào)用對(duì)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(jìn)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(shí),首先通過handles.activexl.row=i;handles.activexl.col=j;語句指向目標(biāo)單元格,然后通過fa=get(handles.activexl,′text′);fa=str2num(fa);語句將目標(biāo)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(biāo)單元格中的內(nèi)容,也可以設(shè)置固定欄標(biāo)題,只是注意對(duì)于行固定欄的行號(hào)是0,列固定欄的列號(hào)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(jì)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(zhuǎn)都會(huì)對(duì)傳感器輸出造成較大影響;(2)電路本身的電氣噪聲,對(duì)采集數(shù)據(jù)存在一定的影響。
在消除旋轉(zhuǎn)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響后,再借助MATLAB語言實(shí)現(xiàn)濾波功能,具體實(shí)現(xiàn)流程如下:根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),在MATLAB的FDAtool工具箱中設(shè)計(jì)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(shù)使用MATLAB語言實(shí)現(xiàn),添加到"數(shù)據(jù)處理"功能按鈕對(duì)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(duì)真實(shí)井眼姿態(tài)描述的差異。
5應(yīng)用實(shí)例
本系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于智能旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的室內(nèi)實(shí)驗(yàn),圖3是在室內(nèi)直井鉆井平臺(tái)上進(jìn)行模擬鉆井實(shí)驗(yàn)的鉆進(jìn)過程中,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(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(dòng)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(duì)鉆井工具的空間姿態(tài)角進(jìn)行計(jì)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(zhǔn)確測(cè)量,提供了一個(gè)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。
6結(jié)論
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(jī)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(shí)現(xiàn)了對(duì)多路井下信號(hào)的采集、處理,從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看,井斜角、工具面角等空間角度的計(jì)算結(jié)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(cè)量應(yīng)用。強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能,再加上人機(jī)操作界面,這使得MATLAB在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控方面將獲得更廣闊的應(yīng)用。