基于Cortex-M4內核的智能瓦斯檢測儀的設計

薛席 劉貫營

（安徽理工大學 電氣與信息工程學院，安徽 淮南 232001）

瓦斯是煤礦生產的伴生物，其主要成分是甲烷，易燃易爆，是威脅煤礦安全生產的頭等災害。給國家和人民的生命財產帶來重大的損失。因此，開發研制出能夠準確快速的檢測瓦斯濃度的設備，有效防止和避免因瓦斯濃度超限而引起瓦斯爆炸成為關鍵問題。傳統的瓦斯檢測儀大都是基于8位單片機控制的，不同程度的存在著功能單一、工作時間短、性能不穩定、誤報動作和升級困難等問題。本文設計的是以ARM Cortex-M4內核控制器為核心利用紅外傳輸功能的智能自動化儀表。利用ARM和計算機強大的數據處理能力，可對瓦斯實時的進行檢測，同時可以對傳感器進行自校零和線性劃處理。當瓦斯濃度超過預定值是發出報警。而且Cortex-M4內核的低功耗、高速16位模數轉換器、12位數模轉換器及性價比方面具有極大的優勢，大大提高了儀器的性能，提高了井下人員的安全性，非常適合煤礦井下的環境。

1 系統電路組成及工作原理

瓦斯濃度監測報警系統由瓦斯濃度傳感器，微控制器和計算機數據處理等軟硬件組成。瓦斯濃度傳感器首先采集現場信號，轉化為電信號經過放大電路送入A/D電路轉化為數字信號傳給微控制器處理，微控制器經過計算得到瓦斯的濃度，在LCD液晶屏上顯示，同時利用紅外發射模塊將數據送出到地面監控站的PC機，PC機對數據進一步分析，保存和繪制曲線。當濃度超過界限時，啟動聲光報警電路，同時為了防止高濃度瓦斯的沖擊，當瓦斯濃度大于最大設定值時關斷傳感器電源，以延長傳感器的壽命。系統工作原理圖如圖1所示。

圖1 系統工作原理圖

2 硬件電路設計

2.1 Cortex-M4內核微處理器K60N512

Cortex-M4內核是在Cortex-M3內核的基礎上發展起來的，其性能比Cortex-M3提高了20%。Cortex-M4在Cortex-M3的基礎上強化了運算能力，新加了浮點運算控制器、DSP和并行計算等。K60N512芯片是基于M4內核集成度最高的芯片，主頻高達100MHZ，32路DMA供外設和存儲器使用，大大提高了CPU利用率，4路差分的16位AD轉換和2路12位DA轉換等資源，極大的提高了系統的穩定性和可靠性。

2.2 催化燃燒式瓦斯傳感器

市場上各種瓦斯檢測儀在煤礦生產中發揮著重要作用，表1是通用瓦斯檢測儀的性能比較。

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催化燃燒法是通過加熱催化元件來實現對有機物的完全氧化，催化傳感原件由摻有貴金屬催化劑Pt或Pd的Al2O3多孔陶瓷體中Pt絲線圈構成。當可燃性氣體在催化劑元件表面燃燒時，元件表面溫度升高引起了Pt絲電阻的變化，根據電阻的變化來測量氣體濃度。國外用的大多數是紅外甲烷傳感器，但是該傳感器對環境的要求比較高，而國內的煤礦井下環境都比較惡劣，再加上性價比的考慮，本文選用催化燃燒式瓦斯檢測傳感器。最終系統選用MJC4/3.0J型催化元件。

2.3 無線傳輸模塊

考慮到煤礦井下環境惡劣等技術指標，本設計方案采用nRF2401無線芯片，nRF2401是單片射頻收發芯片，工作于2.4～2.5GHZ ISM頻段，具有非常低的芯片能耗。nRF2401內置地址解碼器、先入先出堆棧區、解調處理器、時鐘處理器、GFSK濾波器、頻率合成器，功率放大器等功能模塊，需要很少的外圍元件，使用起來非常方便。nRF2401應用電路如圖2所示。

圖2 nRF2401應用電路

3 軟件設計

FreeRTOS是由InterNiche公司在2005年開發的一個開源的免費多任務實時操作系統。可配置的任務調度方式，執行效率高，最小的配置僅需要0.5K的RAM資源和約1K的FLASH資源[5]。用戶花很少的時間就可以靈活運用它。Cortex-M4處理器強大的功能簡化了設計的步驟，應用軟件采用C編寫，模塊化程序設計使每一個任務獨立開來，方便設計、編程、測試和查錯，最后一起實現應用程序的功能。本設計的任務有：

1)聲光報警任務，

2)設備欠壓報警任務，

3)防高濃度沖擊自關斷任務，

4)零點漂移自校正任務，

5)數據采集任務，

6)無線數據傳輸任務。采用優先級調度的方法使每個任務順利運行。

結語

經過連續的實驗室測試，此系統最大誤差小于0.03%，足以提高煤礦開采作業的安全等級。以新型的32位ARM Cortex-M4內核控制器為核心搭建的瓦斯檢測系統，具有精度高、速度快，而且資源豐富，便于功能的擴展，可以在本系統的基礎上加上溫濕度等的測量功能。具有良好的應用前景。

[1]路秋英.郝國法等.基于51單片機和VB6.0的瓦斯濃度監測系統 [J].工礦自動化，2008(1):48-50.

[2]王峰.智能型瓦斯檢測報警儀設計[J].2011.3(1):70-71.

[3]柴化鵬，馮鋒等.瓦斯傳感器的研究進展[J].山西大同大學學報(自然科學版)，2009，6(3):27～30.

[4]K60 Sub-Family Reference Manual.2011 http://www.freescale.com.

[5]Freescale MQX RTOS Reference Manual.2011 http://www.freescale.com/mqx.