基于MATLAB GUI的钻井工具姿态采集处理系统

　　0引 言

　　在石油钻井中，准确测量井眼姿态是进行井眼轨迹控制的前提。为此，本文充分结合单片机和MATLAB的优点，基于事件驱动的通信机制，提出了一种MATLAB环境下基于GUI的PC与片上系统C8051F060实时串行通信的可视化数据处理方法，并实现了对井眼姿态的监测。该方法极大地简化了开发流程，提高了系统开发效率。更重要的是MATLAB的运算能力，为数据处理提供了保障。

　　1 系统介绍

　　在本系统中，上位机是PC，下位机采用silabs公司推出的高速片上系统(SoC)C8051F060，使用三轴加速度计来敏感井眼姿态的变化。三轴加速度计两两正交，输出正方向满足右手螺旋法则，将三轴加速度的输出值通过坐标间的相互转换，利用三角关系式即可得到当前井眼空间姿态。由于PC串口与SoC的UART使用的是不同的电压标准，所以两者间通过电压转换芯片sp3223相连。三轴加速度敏感到的姿态信号经过调理电路和多路开关后，被SoC内部的A／D采样，采集得到的数据存储到片外存储器。数据的存储设备采用三星公司生产的超大容量存储器K9K8G08U0M，满足了系统长时间采集存储的需要。

　　借助GUI开发的上位机软件通过串口实现与下位机间的命令及数据传输，并对下位机采集的数据进行处理。

　　2硬件系统

　　C8051060是完全集成的混合信号片上系统型MCU，其内部CIP-51内核采用流水线结构，指令执行速度可达25 MIPS。使用如此高性能的单片机使得系统硬件电路设计大为简化，单片机的UART、串口通过电压转换模块SP3223与PC进行通信，而C8051060的双串口为多系统的级联提供了方便。数据采集功能由其内部的ADC完成，采集的数据通过口线存储到片外的大容量存储器K9K8G08U0M。

　　系统硬件框图如图1所示，其中实线为数据流，虚线为控制流。系统工作时，由上位机通过命令来控制下位机进行相应的操作。进行数据采集时，单片机控制电源给传感器供电。各路信号经过各自的调理电路后被送入多路开关。单片机通过控制多路开关来选择所要采样的信号，并将其送入SoC内置的ADC进行采样。采样值被存储后等待与上位机的通信。

　　3下位机软件

　　下位机SoC接收到PC的下发消息后，通过串口中断程序转入相应的子程序，执行相应操作，最后返回一个握手信号做为状态标志，确认命令是否被正确执行。

　　C8051060使用UART0与PC进行串行通信。将该串口的工作方式设置为方式3，具有硬件地址识别和多处理器通讯的功能，并且用定时器1作为波特率发生器，设定波特率为115 200 b／s，每帧数据占11位--1个起始位，8个数据位，1个可编程的第九位，1个结束位。

　　该软件的子程序包括：清参数区、清数据区、发送参数、接收参数、开始采集、接收数据、复位等，各子程序的具体实现在此不进行详细描述。软件框图如图2所示。

　　4上位机软件

　　本系统使用MATLAB提供的图像用户界面开发环境(GUIDE)完成界面设计及上位机软件编制。GUI"所见即所得"的编程方式简单明快，非常容易上手。本软件借助MATLAB自带的工具箱和系统中的Activex控件，编制了菜单栏和工具栏及各功能模块，实现了命令、参数以及数据的双向传输及显示、数据的滤波处理及绘图。

　　4.1串行通信的实现

　　MATLAB本身是一个跨平台的软件，并不具备直接访问硬件的能力，但是可以通过对serial类的操作，实现MATLAB对串口的支持。

　　要想在MATLAB中使用串行口，首先要借助serial类建立串口对象，并在使用前将该串口对象打开。数据传输完毕后，需关闭该串口对象，避免影响其他程序无法对该串口对象的使用。在系统不再使用该串口或者退出系统时，需要将该串口对象清除并从MATLAB工作空间清除，避免占用内存和影响其他系统使用。

　　在使用串口进行数据传输时，需要对串口进行读写操作。读写串口的方式分为二进制、文本两种，类似于一般的文件操作。为了提高传输的速度，结合实际情况，本系统采用串口二进制异步读写方式。MATLAB程序通过串行口将命令发送到下位机，并通过串行口接收下位机上传的握手信号及数据。

　　串行通信的部分源码如下：

　　使用串口进行读写操作时，还需注意的一点就是对串口数据校验方式属性(Parity)的设置，如果该设置与下位机软件不匹配，将造成读写错误而又难以查找原因。