基于ARM的便攜式礦用智能檢測儀的設計

廖嘉寶　李捍東

摘 要：目前市面上常見的礦用氣體檢測儀存在著響應速度慢、穩定性差、測量精度不高等問題，因此，文中研究并設計了一種基于ARM9的便攜式礦用智能檢測儀。本檢測儀以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，可精確檢測礦井下甲烷氣體濃度，對采集到的氣體環境數據進行智能分析并通過4G模塊將數據傳輸到上位機。該檢測儀攜帶方便，能夠快速有效的預警，從而為井下工作人員提供良好的生命財產安全保障。

關健詞：ARM；便攜式；礦用；智能檢測儀

中圖分類號：TP216 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）08-00-02

0 引 言

在煤礦的開采過程中會釋放出大量的有毒有害氣體和可燃性氣體，如CH4、H2S、CO等，當這些有毒氣體達到一定濃度時，就會使人呼吸困難，嚴重時將發生甲烷爆炸，對井下工作人員的生命和財產安全造成很大威脅[1]。因此，為了盡可能的降低風險，通過檢測設備對環境氣體進行分析并提前傳達警報信息十分必要。目前，我國煤礦井下采用的檢測設備普遍存在智能化程度不高、運行速度慢、實時性圖形化不強等問題。基于此，本文研究了一種基于ARM9的便攜式礦用智能檢測儀。該檢測儀采用高性能的激光甲烷傳感器，能夠快速準確地檢測氣體濃度，對采集到的氣體環境數據進行智能分析，并通過4G模塊將數據傳輸到上位機。

1 檢測儀總體結構

該礦用智能檢測儀以S3C2440A微處理器為核心控制器，由觸摸屏顯示模塊、預警報警模塊、數據采集模塊、數據存儲模塊、無線通信模塊、電源模塊等組成，其總體結構如圖1所示。

2 檢測儀硬件設計

2.1 傳感器檢測原理及選型

目前應用于礦井下甲烷濃度的檢測方式主要有熱導式、光干涉式、紅外吸收式等。

（1）熱導式氣體傳感器利用所測氣體與空氣之間存在的熱導率的差值來實現對氣體濃度的檢測；

（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生的光程差引起干涉條紋移動的原理來測量甲烷濃度；

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

結合以上甲烷濃度測量方法的優缺點，該檢測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傳感器。

2.2 微處理器選型

數據采集模塊選擇MSP430單片機作為微處理器。MSP430系列單片機是由美國德州儀器設計的一款16位超低功耗、具有精簡指令集（RISC）的混合信號處理器[3]；核心控制器選擇S3C2440A ARM9處理器作為主控芯片。S3C2440A 是由三星公司設計的一款低功耗、高性能32位RISC微處理器，它采用ARM920T的內核，集成了豐富的片上資源，方便開發者對應用程序的開發，同時減少了開發者對外圍部件的設計，大大縮短了開發周期[4]。

2.3 觸摸屏顯示模塊

S3C2440A微處理器內部集成了相應的觸摸屏接口，此接口可以直接與四線觸摸屏相連。該模塊設計選用統寶公司生產的3.5寸真彩LCD，分辨率為240×320。

2.4 預警報警模塊

預警報警模塊由蜂鳴器、發光二極管、微型震動馬達組成。當甲烷濃度暫處于較低危險濃度但正以較快速度逼近較高危險狀態時，紅色LED燈不停閃爍以預警工作人員在一段時間內甲烷濃度將超限；當氣體超限時，蜂鳴器發出報警聲響，與此同時微型馬達發生震動，紅色LED燈閃爍，相應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措施。

2.5 數據存儲模塊

甲烷檢測儀在工作時會產生大量的數據（包括甲烷濃度、報警狀態等），為了將這些數據儲存起來，方便工作人員查閱及分析，就需要有特定的數據存儲模塊。

S3C2440A控制器雖然自帶4 K的Boot Internal SRAM芯片，但為了滿足系統的存儲量，本設計選用了ATMEL公司生產的容量為64 K的E2PROM芯片AT24C64來擴充系統的存儲量，AT24C64芯片可進行百萬次程序編寫與擦除，數據可長期保存且不容易丟失[5]。

2.6 無線通信模塊

因為礦井下的信號比較微弱，無法實時傳輸數據，本設計采用無線通信方式，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發送數據。

本設計的無線通信模塊選用移遠通信EC20 4G模塊。EC20 4G模塊的最大上行速率可達50 Mb/s，最大下行速率可達100 Mb/s，同時支持移動、聯通、電信三大運營商。

3 檢測儀軟件設計

檢測儀軟件設計主要包括嵌入式操作系統Linux的移植以及在Qt框架平臺上開發基于操作系統的用戶界面應用程序。

3.1 Linux系統的移植

與其它操作系統相比，Linux最大的特點就是它是一款遵循GPL的操作系統，我們可以自由地使用、修改和擴展。為提高CPU的利用率，我們需要對原有系統進行裁剪和優化，制定符合實際要求的特有系統。

Linux系統移植包含內核的移植和系統的移植。

3.1.1 內核的移植

Linux內核由進程管理、內存管理、設備管理、虛擬文件系統、網絡五個功能部分組成。在系統移植時，主要改動的是進程管理、內存管理和設備管理中被獨立出來與硬件相關部分的代碼。在Linux代碼樹下，這部分代碼全部在arch目錄下。

3.1.2 系統的移植

系統移植實際上是一個最小系統的重建過程，包括init、libc庫、驅動模塊、必須的應用程序和系統配置腳本。

3.2 應用程序的設計

應用程序設計主要實現以下幾個功能：

（1）礦井氣體的數據采集，實時曲線顯示，氣體指數超標報警；

（2）溫度數據采集，實時曲線顯示；

（3）狀態分析功能，完成各傳感器工作狀態評估、系統硬件運行狀態評估、綜合狀態決策等；

（4）無線模式啟動功能，系統將存儲模塊的數據通過無線模塊發送到監控中心。

程序設計采用了 Linux嵌入式實時操作系統模塊化編程的思想。通過C和C++語言分模塊編寫子程序，不僅方便系統集中管理，還有利于修改和擴展相應的功能。系統軟件框圖如圖2所示。

檢測儀啟動后首先對各子模塊進行初始化，初始化完成后進行數據采集，數據經子程序運算處理后，在觸摸屏上顯示相應的數值和圖形。當檢測到的甲烷濃度超限時（即超過設定值），報警電路開始工作，發光二極管、蜂鳴器和微型震動馬達同時發出報警信號；當檢測到的甲烷濃度未達到上限值但正以較快速度逼近較高危險狀態時，預警電路開始工作，發光二極管發出報警信號。系統軟件流程圖如圖3所示。

4 結 語

本文利用ARM9內核微處理器S3C2440A與Linux操作系統的組合，設計了一種靈敏度高、響應時間短、準確性高、抗干擾性強，適合便攜式測量的礦用智能檢測儀。它可以有效解決傳統甲烷濃度檢測裝置誤報漏報的問題，同時大大增強了顯示直觀性，拓寬了儀器的適用范圍，對工礦、氣站等甲烷集中安全生產與運營有著極其重要的作用。

參考文獻

[1]陶德保，朱峰，江濤，等.礦用便攜式多參數氣體檢測儀設計[J].工礦自動化，2014，40（2）：92-95.

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

[3]沈建華，楊艷琴.MSP430 系列 16 位超低功耗單片機原理及應用[M].北京：清華大學出版社，2004.

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

[5]張荷芳，楊靜.礦用瓦斯濃度檢測系統的研究與設計[J].計算機與數字工程2013，41（10）：1698-1700.