基于MATLAB環(huán)境下采用C8051F060實(shí)現(xiàn)鉆井井眼姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1 、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(kāi)發(fā)流程，提高了系統(tǒng)開(kāi)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。

2 、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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)調(diào)理電路和多路開(kāi)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(kāi)發(fā)的上位機(jī)軟件通過(guò)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。

3 、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(guò)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(guò)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(guò)命令來(lái)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(guò)各自的調(diào)理電路后被送入多路開(kāi)關(guān)。單片機(jī)通過(guò)控制多路開(kāi)關(guān)來(lái)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。

4 、下位機(jī)軟件

下位機(jī)SoC接收到PC的下發(fā)消息后，通過(guò)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(kāi)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。

5 、上位機(jī)軟件

本系統(tǒng)使用MATLAB提供的圖像用戶界面開(kāi)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(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(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。

5.1 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(wèn)硬件的能力，但是可以通過(guò)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(kāi)。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(wú)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(xiě)操作。讀寫(xiě)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(xiě)方式。MATLAB程序通過(guò)串行口將命令發(fā)送到下位機(jī)，并通過(guò)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(xiě)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(xiě)錯(cuò)誤而又難以查找原因。

5.2 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(guò)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(guò)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。基本控件的操作比較簡(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：＼WINDOWS＼System32＼VSFLEX3.OCX，如果本機(jī)上沒(méi)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(guò)函數(shù)來(lái)調(diào)用對(duì)應(yīng)的Activex控件?？丶膶傩栽O(shè)置可以通過(guò)雙擊控件或者右鍵菜單打開(kāi)屬性設(shè)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(shè)定。通過(guò)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(guò)handles.activexl.row=i；handles.activexl.col=j；語(yǔ)句指向目標(biāo)單元格，然后通過(guò)fa=get（handles.activexl，′text′）；fa=str2num（fa）；語(yǔ)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(guò)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。

5.3 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(yǔ)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(yǔ)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。

6 、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(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(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(guò)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(guò)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(guò)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。

7 、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(lái)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。