基于S3C44B0X的工業用煤成分分析系統設計

摘 要:為了檢測工業用煤中煤與矸石的混合比例，以ARM7芯片S3C44B0X為微處理器，以μClinux為實時操作系統，設計了一個工業用煤成分定量分析系統。在應用軟件的控制下完成數據采集、處理、顯示等任務，同時還擴展了一個網絡接口，可以將數據傳送到遠程PC，以備后期分析。系統使用方便，可配備于熱電廠及監測部門的化驗室，對混合燃料煤的成分進行快速定量分析。

關鍵詞:S3C44B0X; μClinux; γ射線; 煤成分

中圖分類號:TP274 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)13-0168-03

S3C44B0X-based Design of Ingredient Analysis System for Industrial Used Coal

XU Hang， ZHANG Bin， NIU Ling-xin， LUO Chuang， ZHAO Shu-jun

(Physics Engineering School， Zhengzhou University， Zhengzhou 450001， China)

Abstract: A quantitative ingredient analysis system of the industrial used coal was designed with μclinux as a real-time operating system and ARM7 chip S3C44B0X as a processor to examine the mixture proportion of the coal and the gangue in the industrial used coa. The data collection， processing and display are finished under the control of an application software. Meanwhile， a network interface is also expanded to transfer the data to a long-distance PC for later analyzes. This system is easy to operate， and can be used in the thermal power plant and laboratories of monitoring units to give a fast quantitative ingredient analysis of the coal.

Keywords: S3C44B0X; μClinux; γ ray; ingredient of coal

煤矸石是采煤和洗煤過程中排放的固體廢物，是一種在成煤過程中與煤層伴生的黑灰色巖石[1]。全國現有矸石山1 500余座，堆積量30億噸以上，占中國工業固體廢物排放總量的40%以上。煤矸石的大量堆放，不僅占用土地資源，而且造成環境污染。用洗中煤和矸石混燒發電，是解決污染的有效途徑[1]。2009年，煤矸石綜合利用量3.9億噸以上，利用率達到70%以上。如何快速、精確地定量分析混合燃料中煤與矸石的搭配比例，就成為監管部門及企業需要解決的問題。為解決上述問題，本文基于ARM7芯片S3C44B0X，設計了一個集數據采集、處理、顯示為一體的嵌入式定量分析系統，并可以通網絡將數據傳送到遠程PC。

1 系統原理及總體方案設計

1.1 系統原理

241Am是一種低能γ射線，它與物質的相互作用主要是光電效應。不同物質由于原子序數不同，對γ射線的質量系數也明顯不同[2]，意味著按不同比例配制的煤與矸石的混合燃料，其吸收系數會發生明顯變化，因此通過放射性強度的測量，可以分析混合燃料中煤與矸石的混合比例。

用單能、窄束γ射線照射混合燃料，經理論推導可得:

αc=(μρ-μg)/(μc-μg)

(1)

αg=1-αc=(μρ-μc)/(μg-μc)

(2)

μm=-ln(I/I0)/ρd

(3)

ρ=W/V

(4)

式中:αc，αg分別為混合燃料中煤、矸石的重量百分比;μc，μg，μρ分別為煤、矸石、混合燃料的質量吸收系數;μm為待測的質量吸收系數;I0，I分別為γ射線穿過物體前、后的強度;V為標準樣品盒的凈容積，d為盒內樣品厚度，二者均可看作已知常量;ρ為樣品密度[3-5]。

因此只需要測出γ射線照射混合燃料前后的強度及混合燃料的質量，就可以計算出煤、矸石的重量百分比。

1.2 系統總體方案設計

系統主要包括γ射線源、探測器、數據采集電路、精密電子天平、S3C44B0X硬件平臺、LCD顯示屏、網絡接口。硬件框圖如圖1所示。

系統的核心是S3C44B0X微處理器，它是Samsung公司推出的16/32 b RISC處理器，采用25 V ARM7TDMI內核，025 μm工藝的COMS標準宏單元和存儲編譯器。它提供了豐富的內置部件，主要包括8 KB Cache、內部SRAM、帶自動握手的2通道URAT、4通道DMA、系統管理器、RTC、I/O端口、LCD控制器等，很好地滿足了系統設計要求。S3C44B0X可以很方便地擴展一個網絡接口，實現數據的網絡傳輸。另外S3C44B0X提供了70多個I/O端口，極大地方便了以后的功能擴展[6-7]。

圖1 系統硬件框圖

信號采集電路采集γ射線的能量信號，精密電子天平同步測量混合燃料的質量信號，并通過RS 232串口將數據傳送到處理器，S3C44B0X對采集到的數據進行處理，得到煤與矸石的混合比例，將其顯示在LCD屏上，同時可以通過網絡接口將數據傳送到遠程PC，以備后期分析。

2 系統功能模塊設計

2.1 γ射線強度檢測部分

由探測器、線性放大電路、脈沖幅度分析電路等幾部分組成，原理框圖如圖2所示。

圖2 γ射線強度檢測框圖

NaI閃爍探測器輸出與入射γ射線成正比的脈沖信號，入射γ射線強度越大，單位時間內探測器輸出的脈沖數就越多[8]。

線性放大電路對探測器輸出的脈沖進行放大整形，以滿足后接信號處理設備的要求。LM138集成運算放大器具有15 MHz帶寬，轉換速度達50 V/μs， LM138先對γ脈沖進行放大，然后進行(CR)2-(RC)2成形，最后由緩沖放大器輸出。

脈沖幅度分析電路由2個甄別器和1個反符合電路組成。2個甄別器分別設定計數脈沖的上下閾值，上下閾值之差即為道寬，反符合電路輸出此設定道寬內的脈沖。如圖3所示。

圖3 脈沖幅度分析電路

脈沖幅度分析電路的上下閾值選取γ射線的全能峰脈沖，送到微處理器的計數器計數，根據單位時間內落在此道寬內的脈沖計數即可測得γ射線強度。

2.2 質量信號采集部分

系統選用JA2003精密電子天平測量混合燃料的質量，它采用專利陶瓷電容稱重技術，內部集成一個用戶溫度補償電路，具有測量精度高等優點。JA2003帶有一個標準的RS 232接口，可以很方便地實現和S3C44B0X之間的通信。

當天平與S3C44B0X連接時，可以使用立即打印符“#”進行數據傳送，天平將顯示的數據以字符串的形式傳送給處理器。數據格式如下:

+/- 1 2 3 4 5 6 . C0  C1  C2  C3  CRLF

前六個為數字區，前面通常有符號(+或-)。C0為空格，當天平被設定為自動模式時C1為空格，C2表示傳出單位，如果天平設定的單位為克時，則傳送“g”，C3表示數據傳輸的穩定性，空格表示不穩定，“s”表示傳輸穩定，CR、LF分別代表回車和換行符。

2.3 網絡傳輸部分

RTL8019AS是臺灣Realtek公司生產的以太網控制器，適應于EthernetⅡ，IEEE 802.3，全雙工，收發可同時達到10 Mb/s的速率，支持8 b、16 b的數據總線。RTL8019AS內部可分為本地DMA通道和遠程DMA通道，本地DMA完成控制器與網線的數據交換，主處理器收發數據只需要對遠程DMA進行操作。RTL8019AS與S3C44B0X的鏈接如圖4所示。

圖4 S3C44B0X與RTL8019AS接口原理圖

當系統向網絡發送數據時，D[0:15]數據通過遠程DMA送到RTL8019AS發送緩存區，然后發出傳送命令，RTL8019AS完成上一幀的發送后，再完成此幀的發送。接收數據時D[0:15]數據經74F163245反相后傳給處理器。

同時還擴展了一個8.4英寸640×480的TFT LCD屏，作為人機界面。

3 軟件設計

系統選用μClinux操作系統，它在標準的Linux基礎上進行了適當的裁剪和優化，形成了一個高度優化、代碼緊湊的Linux。雖然體積小，但仍然保留了Linux的大多數優點，非常適合嵌入式系統的應用。

在μClinux內核基礎上，編寫了RS 232串口驅動程序、LCD驅動程序和網絡接口驅動程序。設備驅動程序屏蔽了是硬件細節，這樣操作系統可以像操作普通文件一樣對其進行讀寫操作。

為了長期保存數據，系統在μClinux編譯時添加了JFFS2文件系統。操作系統通過JFFS2文件系統管理FLASH空間，不僅可以保存系統設置的各種參數，還可以將采集到的數據以文件形式保存在FLASH中，即使掉電也不會丟失。

本地軟件在Linux下用C語言編寫，并通過交叉編譯得到適合在μClinux運行的程序。本應用采用多線程編程，將系統工作劃分為γ射線強度檢測線程、串口通信線程、數據處理線程、LCD顯示線程、網絡傳輸線程。各線程是相對獨立的工作子模塊，可以同時工作，有利于提高實時性[9]。

γ射線強度檢測線程負責采集脈沖信號;串口通信線程負責采集煤與矸石混合燃料的質量信號;數據處理線程負責對采集到的兩路數據進行處理，分別得到煤、矸石的混合比例;LCD顯示線程顯示煤、矸石的混合比例;網絡傳輸線程將處理得到的數據傳送到遠程PC。

4 結 語

基于S3C44B0X微處理器的工業用煤成分定量分析系統，其電路設計簡單、易于操作、可靠性強，具有良好的人機界面。可配備于熱電廠及監測部門的化驗室，對混合燃料的成分進行快速定量分析。

由于矸石本身含有一定量的煤，減小了矸石與煤的區分度，造成測量誤差[10]。因此，如何合理選擇混合燃料質量吸收系數測量時的修正值，就成為精確測量的關鍵，可以通過大量實驗確定。

參考文獻

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