0引 言

　　在石油鉆井中,，準(zhǔn)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(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,。

　　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(biāo)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。

　　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?，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(shè)置,，如果該設(shè)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,。

　　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(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(zhǔn)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(dāng)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?？丶膶傩栽O(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(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(dǎo)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(zhǔn)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,。

　　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,。