簡秦勤，范俊峰，劉嘉寧

(西安電子科技大學 電子工程學院，陜西 西安710071)

油田的勘探、鉆井、測井等都是野外作業(yè)，流動性強、作業(yè)點多、傳輸距離遠，施工現(xiàn)場與公司之間的信息交流具有重要意義。為監(jiān)測油井的環(huán)境信息，設(shè)計了一個油井環(huán)境參數(shù)采集和顯示系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖1所示。井下數(shù)據(jù)采集模塊負責采集油井的環(huán)境參數(shù)信息，通過電力載波線將數(shù)據(jù)上傳至井上ARM板數(shù)據(jù)接收模塊中，完成了數(shù)據(jù)的采集和傳輸功能，但是工作人員并不能讀取采集的數(shù)據(jù)?；诖耍O(shè)計了一個基于VC++的上位機顯示系統(tǒng)，本系統(tǒng)可以直觀地顯示ARM板中存放的油井環(huán)境參數(shù)信息。

油井環(huán)境參數(shù)顯示系統(tǒng)就是利用面向?qū)ο笏枷刖帉懸粋€上位機軟件，將ARM板中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到電腦中并以曲線的形式動態(tài)顯示，這樣既滿足了工作人員日后查看數(shù)據(jù)的需要，也可以根據(jù)曲線走勢了解油井環(huán)境的變化情況。

圖1 油井環(huán)境參數(shù)采集顯示系統(tǒng)框圖

1 系統(tǒng)功能

在開采過程中，需要對油井的溫度、壓力等參數(shù)進行測量，以監(jiān)控采油過程。利用驅(qū)動電機的電力線進行井下數(shù)據(jù)采集和通信，不僅減少額外的通信設(shè)備，降低鉆井的設(shè)計體積，而且能夠節(jié)約成本，實現(xiàn)高效利用。

對油井的環(huán)境參數(shù)采集之后，通過電力線上傳到ARM板中，完成了數(shù)據(jù)的采集和保存功能，但工作人員卻無法讀取數(shù)據(jù)，并沒有實現(xiàn)監(jiān)測的功能。文中采用Visual C++面向?qū)ο蠓椒ǎ?－2］設(shè)計一個上位機軟件，實現(xiàn)對油井環(huán)境參數(shù)的接收和顯示功能。

2 系統(tǒng)設(shè)計

上位機顯示系統(tǒng)主要由接收和顯示兩個模塊組成。其系統(tǒng)流程如圖2所示，軟件界面如圖3所示。其中“選擇連接方式”、“建立連接，接收數(shù)據(jù)”兩部分屬于接收模塊，“顯示數(shù)據(jù)”屬于顯示模塊。

顯示模塊可以調(diào)整顯示速率，顯示區(qū)間，點擊“暫?！辨I后可以通過鼠標點擊曲線獲得該點的數(shù)值和時間。通過選擇起始時間和截止時間還可以對一段時間內(nèi)的數(shù)據(jù)進行局部放大。

為增強軟件使用的靈活性，接收模塊和顯示模塊既可以共同使用，也可以獨立使用。兩個模塊獨立使用時可以使用兩者之一的任一種功能。若用戶只需要保存數(shù)據(jù)可以僅使用接收模塊的功能，將ARM板中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)到電腦中。電腦中保存的數(shù)據(jù)是以一定格式存儲的，方便日后查看。若用戶想觀測電腦中已有數(shù)據(jù)可以使用顯示模塊的功能，通過選擇指定的文件以曲線的形式觀測數(shù)據(jù)的變化情況。

圖2 系統(tǒng)流程圖

圖3 軟件界面

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 接收模塊

為同ARM板建立穩(wěn)定的連接，保證數(shù)據(jù)準確傳輸，同時也為了提供更加靈活的通信模式，使整個系統(tǒng)更加穩(wěn)定、靈活，接收模塊提供了3種通信方式:網(wǎng)絡(luò)通信［3－4］、串口通信［4］、USB通信。通信方式由用戶根據(jù)實際情況在界面上自由選擇選擇。

3.1.1 網(wǎng)絡(luò)通信

網(wǎng)絡(luò)通信具有可靠性高、穩(wěn)定性強的特點，還可以達到較高的數(shù)據(jù)吞吐率。當用戶選擇采用網(wǎng)絡(luò)通信的方式時，首先需要用一根網(wǎng)線將上位機與ARM板連接，然后在軟件界面上選擇“網(wǎng)口”的連接方式，這樣就可采用網(wǎng)絡(luò)通信的方式與ARM板建立連接，操作簡單易行。

選擇“網(wǎng)口”的連接方式之后，“串口”、“USB”兩種連接方式變灰，不可選。點擊“開始”按鈕，數(shù)據(jù)開始傳輸，當數(shù)據(jù)接收成功后會彈出“數(shù)據(jù)接收完畢”的提示，如圖4所示。

圖4 網(wǎng)絡(luò)通信

上位機軟件作為客戶端，主動與ARM開發(fā)板裝載的Linux服務(wù)器系統(tǒng)建立連接，為保證傳輸?shù)目煽啃圆捎肨CP連接，連接成功之后開始約定的“3次握手”協(xié)議，如圖5所示。

圖5 “3次握手”協(xié)議

“3次握手”協(xié)議保證了通信的暢通，此后開始接收ARM板中的數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)通信采用的是上位機每接收2 000 Byte的數(shù)據(jù)向ARM板發(fā)送“transmit”指令，ARM收到指令后才會再次發(fā)送2 000 Byte的數(shù)據(jù)直至全部發(fā)送完畢，此時ARM板向上位機發(fā)送“over”指令表示通信結(jié)束。

網(wǎng)絡(luò)通信采用多線程的方式與服務(wù)器端建立連接，接收數(shù)據(jù)。主要用到4個靜態(tài)函數(shù):threadClient、threadRecvData、threadSendData和threadAnalyData。(1)threadClient:客戶端線程，與服務(wù)器端(ARM板)建立連接。(2)threadRecvData:接收消息線程，接收服務(wù)器端(ARM板)發(fā)送的數(shù)據(jù)信息。(3)threadSendData:發(fā)送消息線程，每發(fā)送完一條消息，該線程自動結(jié)束。(4)threadAnalyData:消息解析線程，解析接收服務(wù)器端(ARM板)發(fā)送的數(shù)據(jù)信息并以一定的格式保存到電腦中。

3.1.2 串口通信

串口是指數(shù)據(jù)一位一位地順序傳送，其特點是通信線路簡單，只要一對傳輸線就可以實現(xiàn)雙向通信，適用于遠距離通信，但傳送速度較慢，多用于工控和測量設(shè)備以及部分通信設(shè)備中。用戶選擇串口通信時，首先用串口線將上位機與ARM板連接，然后選擇上位機軟件中的串口連接方式。在彈出的串口配置框中對串口進行配置，包括波特率、數(shù)據(jù)位和停止位，配置完成之后雙方可以依照相同的配置進行串口通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞和交換。

選擇“串口”之后，“網(wǎng)口”、“USB”選項變灰不可選，點擊“開始”按鈕，開始接收數(shù)據(jù)，當接收數(shù)據(jù)成功之后同樣會提示“數(shù)據(jù)接收完畢”，如圖6所示。

圖6 串口通信

對串口進行初始化配置后，進行圖5所示的“3次握手”協(xié)議，在這之后進行數(shù)據(jù)的傳輸。與網(wǎng)絡(luò)通信的不同之處在于，進行“3次握手”之后串口可以一次性接收ARM板中的全部數(shù)據(jù)，中途不需要向ARM板發(fā)送“transmit”指令。當數(shù)據(jù)接收完畢后，ARM板同樣會向上位機發(fā)送一個“over”指令。

串口通信同樣采用多線程方式，在對串口進行初始化配置之后采用StartMonitoring函數(shù)監(jiān)聽串口的數(shù)據(jù)情況。有數(shù)據(jù)到來時采用OnSerialCommu函數(shù)解析處理數(shù)據(jù)。串口通信主要采用CSerialPort類，該類對串口的相關(guān)操作進行了封裝，方便了后續(xù)的調(diào)用。CSerialPort類中比較重要的幾個方法:(1)InitPort:串口初始化函數(shù)，對串口進行初始化配置，與ARM板上的串口配置要保持一致。(2)StartMonitoring:開啟線程，監(jiān)聽串口的數(shù)據(jù)情況。(3)WriteToPort:采用函數(shù)重載的方式定義了4個同名函數(shù)，功能都是向串口寫數(shù)據(jù)。(4)CommThread:靜態(tài)函數(shù)，監(jiān)聽串口的數(shù)據(jù)情況。(5)StopMonitoring:退出線程。

3.1.3 USB通信

USB即通用串行總線，是一個外部總線標準，用于規(guī)范電腦與外部設(shè)備的連接和通訊，是一種高速總線，可以實現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的高速傳輸。系統(tǒng)中的USB通信是與上述兩種截然不同的通信方式:將U盤插入開發(fā)板后，開發(fā)板上的Linux系統(tǒng)會自動檢測到U盤的插入，從而將油井的環(huán)境參數(shù)文件拷貝至U盤中，再將U盤與電腦連接，在軟件界面上選擇“USB”的連接方式之后，通過文件操作讀取并解析U盤中的油井參數(shù)數(shù)據(jù)文件。

USB通信實質(zhì)就是文件讀取操作，主要用到StartUSB函數(shù)。StartUSB函數(shù)具有文件打開、文件讀取、數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)保存、文件關(guān)閉這些功能。用戶選擇“USB”的連接方式后，“網(wǎng)口”、“串口”變灰，成為不可選狀態(tài)。點擊“確定”按鈕選中待讀取的數(shù)據(jù)文件，點擊“開始”按鈕進行數(shù)據(jù)的解析、存儲。當數(shù)據(jù)接收完畢之后，同樣會彈出對話框提示，如圖7所示。

圖7 USB通信

3.2 顯示模塊

顯示模塊主要負責解析和處理油井的環(huán)境參數(shù)，并將處理后的數(shù)據(jù)以曲線的形式直觀地顯示出來。油井參數(shù)包含4個數(shù)據(jù)信息，分別在4個方框中顯示，如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)顯示結(jié)果

顯示模塊將保存的數(shù)據(jù)以曲線的形式在界面上進行顯示，可根據(jù)需求對曲線的顯示速率進行調(diào)整。由曲線的走勢可以準確、直觀地觀測數(shù)據(jù)的變化情況。點擊“暫停”鍵在曲線靜止時可以獲得鼠標點擊處的數(shù)值和時間，這樣對于問題區(qū)域可以了解其發(fā)生時間，這對于油井觀測具有很重要意義。

顯示模塊用CHistogramCtrl類實現(xiàn)，是從MFC類庫中的CWnd類繼承來的。CHistogramCtrl類可以動態(tài)顯示給定的數(shù)據(jù)點，這樣數(shù)據(jù)點的個數(shù)就不會受到屏幕大小的限制。CHistogramCtrl類中比較重要的方法如下:(1)Create:創(chuàng)建繪圖區(qū)。(2)SetRange:設(shè)置繪圖區(qū)域點的顯示范圍。(3)SetPos:對待顯示的點進行相應的轉(zhuǎn)換。(4)SetSpeed:設(shè)置曲線的顯示速率。(5)DrawLine:畫圖函數(shù)。(6)OnTimer:調(diào)用DrawLine函數(shù)，使曲線按一定的速率動態(tài)顯示。

數(shù)據(jù)顯示時，為得到鼠標點擊處的數(shù)值和時間采用了CList鏈表類，創(chuàng)建了4個CList的指針對象*m_pList1、*m_pList2、*m_pList3、*m_pList4。4個CList指針對象均指向一定長度的隊列，隊列的長度是界面最多所能顯示的點數(shù)。當隊列長度達到最大值時，在隊列一端進行出隊操作，另一端進行入隊操作，兩端同時進行。這樣通過對鼠標點擊處的屏幕坐標進行相應的轉(zhuǎn)換即可得到當前點在隊列中的位置，找到該位置的數(shù)值即可得到鼠標點擊處的數(shù)據(jù)和時間值。

4 結(jié)束語

油井上位機顯示系統(tǒng)對于油井參數(shù)的觀測具有重要的意義，它大幅減輕了油井工作人員的工作強度。采用上位機顯示系統(tǒng)將ARM板中的數(shù)據(jù)以一定的格式存儲在電腦中并加以顯示，一方面可以直觀地觀測數(shù)據(jù)的變化情況，另一方面將數(shù)據(jù)保存在電腦中也方便了日后的查看。系統(tǒng)采用將數(shù)據(jù)和操作封裝面向?qū)ο笏枷?，使系統(tǒng)的開發(fā)具有靈活性、可靠性和可擴充性。在系統(tǒng)運行過程中，會及時給出各種操作的提示或?qū)﹀e誤操作的警告，使用戶操作更加便捷。軟件界面美觀、操作簡單，可操作性強。

［1］ 孫鑫，余安萍.VC++深入詳解［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2006.

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［3］STEVENS W R，F(xiàn)ENNER B，ANDREW M R.Unix網(wǎng)絡(luò)編程［M］.3版.北京:電子工業(yè)出版社，2010.

［4］ 王險峰，劉寶宏.Windows環(huán)境下的多線程編程原理與應用［M］.北京:清華大學出版社，2002.