基于ARM的礦用便攜式多參數(shù)氣體檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)

 摘要：針對(duì)目前煤礦常用氣體檢測(cè)儀以檢測(cè)單氣體為主，檢測(cè)精度不高、穩(wěn)定性不強(qiáng)等問題，研究并設(shè)計(jì)了一種基于ARM9的便攜式多參數(shù)氣體檢測(cè)儀。本檢測(cè)儀以S3C2440A微處理器為核心控制器，可以實(shí)現(xiàn)CH4、CO、H2S、O2四種氣體濃度的實(shí)時(shí)檢測(cè)，同時(shí)，檢測(cè)儀移植了Linux嵌入式操作系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。實(shí)際應(yīng)用表明，該檢測(cè)儀攜帶方便，測(cè)量準(zhǔn)確，將井下氣體信息濃縮于一掌之中，使井下生產(chǎn)人員能及時(shí)有效的獲得礦井安全狀況，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)健詞：ARM;傳感器;便攜式;氣體檢測(cè)儀

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，諸如CH4、CO、H2S，當(dāng)這些氣體積攢到一定濃度時(shí)，就會(huì)使人呼吸困難、窒息死亡，甚至引發(fā)瓦斯爆炸事故，嚴(yán)重威脅著井下作業(yè)人員的生命和財(cái)產(chǎn)安全，因此，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)出井下環(huán)境中的各氣體濃度，做到事前預(yù)警，就顯得尤為重要。

目前，我國煤礦井下所用氣體檢測(cè)儀以單參數(shù)檢測(cè)儀為主，使用不方便，雖然已經(jīng)研制出一些多參數(shù)氣體檢測(cè)儀，但這些檢測(cè)儀普遍存在著穩(wěn)定性不夠、測(cè)量精度低等問題?；诖?，本文研究并設(shè)計(jì)了一種基于ARM9的高性能礦用便攜式多參數(shù)氣體檢測(cè)儀。本檢測(cè)儀能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)出CH4、CO、H2S、O2四種氣體濃度，當(dāng)氣體濃度超過預(yù)設(shè)報(bào)警值時(shí)，進(jìn)行聲光報(bào)警，有效地消除了礦井的安全隱患，減少了事故的發(fā)生。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

檢測(cè)儀以基于ARM9內(nèi)核的S3C2440A嵌入式微處理器為核心，由氣體傳感器模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、LCD顯示模塊、聲光報(bào)警模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、通訊接口模塊、電源模塊等組成，其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

氣體傳感器將檢測(cè)到的氣體數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成微弱的模擬信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行濾波、放大以及A/D轉(zhuǎn)換處理后送入S3C2440A，經(jīng)過S3C2440A的運(yùn)算處理，最終得出相應(yīng)的濃度值，送LCD顯示屏實(shí)時(shí)顯示出來。同時(shí)，將檢測(cè)到的濃度值與預(yù)設(shè)的報(bào)警值進(jìn)行比較，若超過報(bào)警值，則進(jìn)行聲光報(bào)警。為便于濃度數(shù)據(jù)的長期保存和查詢，S3C2440A設(shè)計(jì)有片外存儲(chǔ)器，來擴(kuò)充數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量。

儀器還具有與上位機(jī)PC通信的功能，通過RS232串口通訊接口可將測(cè)量濃度值傳輸給PC機(jī)，實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的備份。電源方面，采用可充電鋰電池，通過高轉(zhuǎn)換效率的LDO對(duì)各模塊供電。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 氣體傳感器檢測(cè)原理及選型

氣體傳感器是決定檢測(cè)儀效果的關(guān)鍵元件，主要完成從物理量到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，是信號(hào)采集的第一步。氣體傳感器按原理分為熱導(dǎo)池式、催化燃燒式、電化學(xué)式、光干涉式、紅外式等幾大類。根據(jù)實(shí)際需要，選擇合適的傳感器進(jìn)行檢測(cè)。

電化學(xué)式傳感器有膜電極和電解液澆封而成，通常待測(cè)氣體擴(kuò)散進(jìn)入傳感器內(nèi)，將電解液分解成正負(fù)帶電離子，形成電流信號(hào)，膜電極將信號(hào)輸出，通過檢測(cè)電流信號(hào)就能得到氣體的濃度，電化學(xué)式傳感器主要用于氧氣和有毒氣體的檢測(cè)。紅外式傳感器檢測(cè)原理基于比爾-朗伯吸收定律，即不同氣體對(duì)特定波長的光有吸收，吸收強(qiáng)度與氣體的濃度成正比，通過檢測(cè)吸收強(qiáng)度就可換算出相應(yīng)氣體的濃度。

本檢測(cè)儀通過比較各傳感器的性能以及應(yīng)用范圍綜合考慮決定，采用英國SUSA公司所生產(chǎn)的電化學(xué)式傳感器4H2S-AS來檢測(cè)H2S;采用英國阿爾法公司生產(chǎn)的電化學(xué)式傳感器CO-AF和O2-A2分別檢測(cè)CO和O2;采用英國City公司生產(chǎn)的紅外式傳感器IRcel CH4來檢測(cè)CH4。

2.2 處理器選型

本檢測(cè)儀選擇三星公司生產(chǎn)的S3C2440A嵌入式處理器作為主控芯片。S3C2440A是一款專為便攜式設(shè)備而設(shè)計(jì)的低功耗、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，使開發(fā)者可以盡可能地減少外圍部件的設(shè)計(jì)，方便了應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)，縮短了開發(fā)周期。

S3C2440A中主要集成了下列模塊：16KB指令Cache、16KB數(shù)據(jù)Cache、MMU、外部存儲(chǔ)器控制器、LCD控制器、168腳通用GPIO、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、8通道多路復(fù)用ADC和FET給線性觸摸屏接口、標(biāo)準(zhǔn)20pin JTAG調(diào)試接口等。

2.3 LCD顯示模塊設(shè)計(jì)

為便于更好的人機(jī)交互，本設(shè)計(jì)采用觸摸屏設(shè)計(jì)。

S3C2440A自帶有LCD控制器，所以免去了LCD控制器的設(shè)計(jì)。S3C2440A內(nèi)部集成了一個(gè)觸摸屏接口，可以直接與四線電阻式觸摸屏連接;

S3C2440A具有8個(gè)轉(zhuǎn)換通道(AIN[0-7])，其中AIN[7]用于觸摸屏X坐標(biāo)輸入，AIN[5]用于觸摸屏Y坐標(biāo)輸入。

本設(shè)計(jì)選用三星公司生產(chǎn)的四線電阻式LCD觸摸屏，尺寸為3.5寸，分辨率為320×240。

2.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)

由于檢測(cè)儀程序量很大、檢測(cè)后所得的濃度數(shù)據(jù)眾多，且需要長期保存以便調(diào)閱和查詢，本設(shè)計(jì)決定采用3種存儲(chǔ)器，以提高系統(tǒng)的性能。

NAND Flash作為文件存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)氣體濃度數(shù)據(jù);NOR Flash作為程序存儲(chǔ)器，用于存放引導(dǎo)程序、用戶程序以及Linux嵌入式操作系統(tǒng);SDROM作為數(shù)據(jù)交換存儲(chǔ)器，系統(tǒng)運(yùn)行所使用的程序代碼、堆棧和數(shù)據(jù)一般都調(diào)入此存儲(chǔ)器運(yùn)行，以提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度。

本系統(tǒng)選用三星公司的K9F1208芯片作為NAND Flash存儲(chǔ)器，單片存儲(chǔ)容量為64 MB;采用K802815芯片作為NOR Flash，單片存儲(chǔ)容量16MB。

2.5 聲光報(bào)警模塊設(shè)計(jì)

聲光報(bào)警電路由三極管、發(fā)光二極管、蜂鳴器組成。當(dāng)檢測(cè)儀檢測(cè)到某種氣體濃度超限時(shí)，相對(duì)應(yīng)的氣體濃度值在LCD顯示屏上持續(xù)閃爍，提示是哪種氣體濃度超限，同時(shí)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出聲響以及紅色發(fā)光二極管閃爍，進(jìn)行聲光報(bào)警，警示檢測(cè)人員采取必要的行動(dòng)。

2.6 通訊接口模塊設(shè)計(jì)

檢測(cè)儀具有與上位機(jī)PC通信的功能，通過串口可將測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸給PC機(jī)，同時(shí)也可通過PC對(duì)檢測(cè)儀的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

由于S3C2440A的輸入、輸出電平是TTL電平，而PC機(jī)配置的是RS232標(biāo)準(zhǔn)串行接口，因此要完成S3C2440A與PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，必須對(duì)TTL電平進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。在本系統(tǒng)中使用了SP3232E芯片來完成TTL電子到RS232電平的轉(zhuǎn)換。

2.7 電源模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)需要的工作電壓有1.3V、3.3V、5V三種，其中S3C2440A內(nèi)核所需的工作電壓為1.3V;氣體傳感器、LCD顯示屏等需要5V電壓供電;S3C2440A的I/O口、一些主要的外圍器件如SDROM、NORFlash、NAND Flash等需要3.3V電壓供電。

檢測(cè)儀采用可充電鋰電池供電，通過5V穩(wěn)壓器LM340A-5獲得5V電壓，從5V電源通過SPX5205系列LDO穩(wěn)壓芯片獲得3.3V和1.3V電壓。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的需求，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括嵌入式操作系統(tǒng)Linux的移植和基于Linux操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。

3.1 Linux嵌入式操作系統(tǒng)的移植

傳統(tǒng)的系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)中一般采用前后臺(tái)的工作方式，這種工作方式實(shí)時(shí)性不強(qiáng)，處理多任務(wù)的能力較差，而嵌入式操作系統(tǒng)能及時(shí)響應(yīng)外部異步事件的請(qǐng)求，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)該事件的處理，并控制所有實(shí)時(shí)任務(wù)協(xié)調(diào)一致地運(yùn)行。因此，為提高系統(tǒng)CPU的利用率以及系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，本設(shè)計(jì)選擇移植入Linux嵌入式操作系統(tǒng)。

Linux是一個(gè)源代碼開放、功能強(qiáng)大、效率高的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，它軟件移植方便，可以根據(jù)具體的系統(tǒng)進(jìn)行裁減和優(yōu)化。Linux操作系統(tǒng)的移植主要包含以下三個(gè)部分：引導(dǎo)程序(BootLoader)移植、內(nèi)核配置與編譯、文件系統(tǒng)的加載。

3.2 系統(tǒng)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)應(yīng)用程序使用C語言進(jìn)行編寫，采用模塊化設(shè)計(jì)的思想，在主程序下分成若干彼此獨(dú)立的功能子程序，開發(fā)工具為VS2005。

系統(tǒng)主程序主要包括系統(tǒng)初始化子程序、按鍵輸入子程序、氣體數(shù)據(jù)采集子程序、LCD顯示子程序、聲光報(bào)警子程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子程序、串口通信子程序、串口中斷處理子程序等。

系統(tǒng)主程序如圖2所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

檢測(cè)儀是井下一線生產(chǎn)人員獲得井下安全狀況的重要手段。檢測(cè)儀開機(jī)后，自動(dòng)初始化系統(tǒng)各模塊，通過LCD觸摸屏顯示系統(tǒng)主界面，人為觸摸控制各項(xiàng)功能，進(jìn)行氣體檢測(cè)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)查詢、報(bào)警處理、數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔僮鳌z測(cè)儀上電后運(yùn)行主界面如圖3所示。

氣體檢測(cè)主要用于CH4、CO、H2S、O2四種氣體濃度的實(shí)時(shí)檢測(cè)，可一次性檢測(cè)四種氣體濃度，也可選擇其中的一種氣體進(jìn)行檢測(cè);數(shù)據(jù)存儲(chǔ)用以將檢測(cè)所得數(shù)據(jù)存放于存儲(chǔ)器中，以供歷史查詢;數(shù)據(jù)傳輸是檢測(cè)儀與上位機(jī)PC通信的功能，檢測(cè)儀可將測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸給PC機(jī)，同時(shí)也可通過PC對(duì)檢測(cè)儀的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置;當(dāng)氣體濃度超限時(shí)，檢測(cè)儀會(huì)進(jìn)行聲光報(bào)警，這時(shí)點(diǎn)擊報(bào)警處理，可解除報(bào)警。

5 結(jié)束語

本文以基于ARM9內(nèi)核的S3C2440A微處理器為核心，結(jié)合Linux嵌入式操作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種新型的礦用便攜式多參數(shù)氣體檢測(cè)儀，本檢測(cè)儀體積小、攜帶方便、靈敏度高，能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)出礦井中有毒有害氣體的濃度，為井下作業(yè)人員提供安全保障，具有很高的實(shí)用性。