基于ARM的便攜式礦用智能檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)

廖嘉寶　李捍東

摘 要：目前市面上常見的礦用氣體檢測(cè)儀存在著響應(yīng)速度慢、穩(wěn)定性差、測(cè)量精度不高等問題，因此，文中研究并設(shè)計(jì)了一種基于ARM9的便攜式礦用智能檢測(cè)儀。本檢測(cè)儀以S3C2440A微處理器為核心控制器，以微型集成式激光甲烷模塊作為傳感模塊，可精確檢測(cè)礦井下甲烷氣體濃度，對(duì)采集到的氣體環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析并通過4G模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。該檢測(cè)儀攜帶方便，能夠快速有效的預(yù)警，從而為井下工作人員提供良好的生命財(cái)產(chǎn)安全保障。

關(guān)健詞：ARM；便攜式；礦用；智能檢測(cè)儀

中圖分類號(hào)：TP216 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2016）08-00-02

0 引 言

在煤礦的開采過程中會(huì)釋放出大量的有毒有害氣體和可燃性氣體，如CH4、H2S、CO等，當(dāng)這些有毒氣體達(dá)到一定濃度時(shí)，就會(huì)使人呼吸困難，嚴(yán)重時(shí)將發(fā)生甲烷爆炸，對(duì)井下工作人員的生命和財(cái)產(chǎn)安全造成很大威脅[1]。因此，為了盡可能的降低風(fēng)險(xiǎn)，通過檢測(cè)設(shè)備對(duì)環(huán)境氣體進(jìn)行分析并提前傳達(dá)警報(bào)信息十分必要。目前，我國(guó)煤礦井下采用的檢測(cè)設(shè)備普遍存在智能化程度不高、運(yùn)行速度慢、實(shí)時(shí)性圖形化不強(qiáng)等問題?；诖耍疚难芯苛艘环N基于ARM9的便攜式礦用智能檢測(cè)儀。該檢測(cè)儀采用高性能的激光甲烷傳感器，能夠快速準(zhǔn)確地檢測(cè)氣體濃度，對(duì)采集到的氣體環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析，并通過4G模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。

1 檢測(cè)儀總體結(jié)構(gòu)

該礦用智能檢測(cè)儀以S3C2440A微處理器為核心控制器，由觸摸屏顯示模塊、預(yù)警報(bào)警模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、無線通信模塊、電源模塊等組成，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 檢測(cè)儀硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器檢測(cè)原理及選型

目前應(yīng)用于礦井下甲烷濃度的檢測(cè)方式主要有熱導(dǎo)式、光干涉式、紅外吸收式等。

（1）熱導(dǎo)式氣體傳感器利用所測(cè)氣體與空氣之間存在的熱導(dǎo)率的差值來實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體濃度的檢測(cè)；

（2）光干涉式氣體傳感器利用光波在空氣和瓦斯中的不同傳播速度產(chǎn)生的光程差引起干涉條紋移動(dòng)的原理來測(cè)量甲烷濃度；

（3）紅外吸收式氣體傳感器利用不同氣體對(duì)紅外光有著不同吸收光譜及部分氣體的特征光譜吸收強(qiáng)度和氣體濃度相關(guān)的原理來測(cè)量甲烷濃度[2]。

結(jié)合以上甲烷濃度測(cè)量方法的優(yōu)缺點(diǎn)，該檢測(cè)儀選用武漢六九傳感科技有限公司的微型集成式激光甲烷模塊作為甲烷濃度檢測(cè)傳感器。

2.2 微處理器選型

數(shù)據(jù)采集模塊選擇MSP430單片機(jī)作為微處理器。MSP430系列單片機(jī)是由美國(guó)德州儀器設(shè)計(jì)的一款16位超低功耗、具有精簡(jiǎn)指令集（RISC）的混合信號(hào)處理器[3]；核心控制器選擇S3C2440A ARM9處理器作為主控芯片。S3C2440A 是由三星公司設(shè)計(jì)的一款低功耗、高性能32位RISC微處理器，它采用ARM920T的內(nèi)核，集成了豐富的片上資源，方便開發(fā)者對(duì)應(yīng)用程序的開發(fā)，同時(shí)減少了開發(fā)者對(duì)外圍部件的設(shè)計(jì)，大大縮短了開發(fā)周期[4]。

2.3 觸摸屏顯示模塊

S3C2440A微處理器內(nèi)部集成了相應(yīng)的觸摸屏接口，此接口可以直接與四線觸摸屏相連。該模塊設(shè)計(jì)選用統(tǒng)寶公司生產(chǎn)的3.5寸真彩LCD，分辨率為240×320。

2.4 預(yù)警報(bào)警模塊

預(yù)警報(bào)警模塊由蜂鳴器、發(fā)光二極管、微型震動(dòng)馬達(dá)組成。當(dāng)甲烷濃度暫處于較低危險(xiǎn)濃度但正以較快速度逼近較高危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)，紅色LED燈不停閃爍以預(yù)警工作人員在一段時(shí)間內(nèi)甲烷濃度將超限；當(dāng)氣體超限時(shí)，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲響，與此同時(shí)微型馬達(dá)發(fā)生震動(dòng)，紅色LED燈閃爍，相應(yīng)的氣體濃度值在觸摸屏上閃爍，提示甲烷濃度超限，警示工作人員采取相應(yīng)措施。

2.5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

甲烷檢測(cè)儀在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)（包括甲烷濃度、報(bào)警狀態(tài)等），為了將這些數(shù)據(jù)儲(chǔ)存起來，方便工作人員查閱及分析，就需要有特定的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。

S3C2440A控制器雖然自帶4 K的Boot Internal SRAM芯片，但為了滿足系統(tǒng)的存儲(chǔ)量，本設(shè)計(jì)選用了ATMEL公司生產(chǎn)的容量為64 K的E2PROM芯片AT24C64來擴(kuò)充系統(tǒng)的存儲(chǔ)量，AT24C64芯片可進(jìn)行百萬次程序編寫與擦除，數(shù)據(jù)可長(zhǎng)期保存且不容易丟失[5]。

2.6 無線通信模塊

因?yàn)榈V井下的信號(hào)比較微弱，無法實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，本設(shè)計(jì)采用無線通信方式，工作人員在離開礦井之后可以通過開啟無線通信功能向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。

本設(shè)計(jì)的無線通信模塊選用移遠(yuǎn)通信EC20 4G模塊。EC20 4G模塊的最大上行速率可達(dá)50 Mb/s，最大下行速率可達(dá)100 Mb/s，同時(shí)支持移動(dòng)、聯(lián)通、電信三大運(yùn)營(yíng)商。

3 檢測(cè)儀軟件設(shè)計(jì)

檢測(cè)儀軟件設(shè)計(jì)主要包括嵌入式操作系統(tǒng)Linux的移植以及在Qt框架平臺(tái)上開發(fā)基于操作系統(tǒng)的用戶界面應(yīng)用程序。

3.1 Linux系統(tǒng)的移植

與其它操作系統(tǒng)相比，Linux最大的特點(diǎn)就是它是一款遵循GPL的操作系統(tǒng)，我們可以自由地使用、修改和擴(kuò)展。為提高CPU的利用率，我們需要對(duì)原有系統(tǒng)進(jìn)行裁剪和優(yōu)化，制定符合實(shí)際要求的特有系統(tǒng)。

Linux系統(tǒng)移植包含內(nèi)核的移植和系統(tǒng)的移植。

3.1.1 內(nèi)核的移植

Linux內(nèi)核由進(jìn)程管理、內(nèi)存管理、設(shè)備管理、虛擬文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)五個(gè)功能部分組成。在系統(tǒng)移植時(shí)，主要改動(dòng)的是進(jìn)程管理、內(nèi)存管理和設(shè)備管理中被獨(dú)立出來與硬件相關(guān)部分的代碼。在Linux代碼樹下，這部分代碼全部在arch目錄下。

3.1.2 系統(tǒng)的移植

系統(tǒng)移植實(shí)際上是一個(gè)最小系統(tǒng)的重建過程，包括init、libc庫(kù)、驅(qū)動(dòng)模塊、必須的應(yīng)用程序和系統(tǒng)配置腳本。

3.2 應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)

應(yīng)用程序設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)功能：

（1）礦井氣體的數(shù)據(jù)采集，實(shí)時(shí)曲線顯示，氣體指數(shù)超標(biāo)報(bào)警；

（2）溫度數(shù)據(jù)采集，實(shí)時(shí)曲線顯示；

（3）狀態(tài)分析功能，完成各傳感器工作狀態(tài)評(píng)估、系統(tǒng)硬件運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估、綜合狀態(tài)決策等；

（4）無線模式啟動(dòng)功能，系統(tǒng)將存儲(chǔ)模塊的數(shù)據(jù)通過無線模塊發(fā)送到監(jiān)控中心。

程序設(shè)計(jì)采用了 Linux嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)模塊化編程的思想。通過C和C++語言分模塊編寫子程序，不僅方便系統(tǒng)集中管理，還有利于修改和擴(kuò)展相應(yīng)的功能。系統(tǒng)軟件框圖如圖2所示。

檢測(cè)儀啟動(dòng)后首先對(duì)各子模塊進(jìn)行初始化，初始化完成后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)經(jīng)子程序運(yùn)算處理后，在觸摸屏上顯示相應(yīng)的數(shù)值和圖形。當(dāng)檢測(cè)到的甲烷濃度超限時(shí)（即超過設(shè)定值），報(bào)警電路開始工作，發(fā)光二極管、蜂鳴器和微型震動(dòng)馬達(dá)同時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)；當(dāng)檢測(cè)到的甲烷濃度未達(dá)到上限值但正以較快速度逼近較高危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)，預(yù)警電路開始工作，發(fā)光二極管發(fā)出報(bào)警信號(hào)。系統(tǒng)軟件流程圖如圖3所示。

4 結(jié) 語

本文利用ARM9內(nèi)核微處理器S3C2440A與Linux操作系統(tǒng)的組合，設(shè)計(jì)了一種靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間短、準(zhǔn)確性高、抗干擾性強(qiáng)，適合便攜式測(cè)量的礦用智能檢測(cè)儀。它可以有效解決傳統(tǒng)甲烷濃度檢測(cè)裝置誤報(bào)漏報(bào)的問題，同時(shí)大大增強(qiáng)了顯示直觀性，拓寬了儀器的適用范圍，對(duì)工礦、氣站等甲烷集中安全生產(chǎn)與運(yùn)營(yíng)有著極其重要的作用。

參考文獻(xiàn)

[1]陶德保，朱峰，江濤，等.礦用便攜式多參數(shù)氣體檢測(cè)儀設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化，2014，40（2）：92-95.

[2]趙磊.煤礦瓦斯光纖傳感檢測(cè)儀的研制[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2009.

[3]沈建華，楊艷琴.MSP430 系列 16 位超低功耗單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[4]劉竹琴，白澤生.一種甲烷氣體檢測(cè)方法的實(shí)現(xiàn)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2009（11）： 89-91.

[5]張荷芳，楊靜.礦用瓦斯?jié)舛葯z測(cè)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程2013，41（10）：1698-1700.