基于ARM的便携式矿用智能检测仪的设计

引 言

在煤矿的开采过程中会释放出大量的有毒有害气体和可燃性气体，如 CH4、H2S、CO 等，当这些有毒气体达到一定浓度时，就会使人呼吸困难，严重时将发生甲烷爆炸，对井下工作人员的生命和财产安全造成很大威胁[1]。因此，为了尽可能的降低风险，通过检测设备对环境气体进行分析并提前传达警报信息十分必要。目前，我国煤矿井下采用的检测设备普遍存在智能化程度不高、运行速度慢、实时性图形化不强等问题。基于此，本文研究了一种基于 ARM9 的便携式矿用智能检测仪。该检测仪采用高性能的激光甲烷传感器，能够快速准确地检测气体浓度，对采集到的气体环境数据进行智能分析，并通过 4G 模块将数据传输到上位机。

1 检测仪总体结构

该矿用智能检测仪以S3C2440A 微处理器为核心控制器， 由触摸屏显示模块、预警报警模块、数据采集模块、数据存储模块、无线通信模块、电源模块等组成，其总体结构如图 1 所示。

2 检测仪硬件设计

2.1 传感器检测原理及选型

目前应用于矿井下甲烷浓度的检测方式主要有热导式、光干涉式、红外吸收式等。

(1) 热导式气体传感器利用所测气体与空气之间存在的热导率的差值来实现对气体浓度的检测；

(2) 光干涉式气体传感器利用光波在空气和瓦斯中的不同传播速度产生的光程差引起干涉条纹移动的原理来测量甲烷浓度；

(3) 红外吸收式气体传感器利用不同气体对红外光有着不同吸收光谱及部分气体的特征光谱吸收强度和气体浓度相关的原理来测量甲烷浓度[2]。

结合以上甲烷浓度测量方法的优缺点，该检测仪选用武汉六九传感科技有限公司的微型集成式激光甲烷模块作为甲烷浓度检测传感器。

2.2 微处理器选型

数据采集模块选择 MSP430单片机作为微处理器。MSP430系列单片机是由美国德州仪器设计的一款 16位超低功耗、具有精简指令集（RISC）的混合信号处理器 [3] ； 核心控制器选择 S3C2440AARM9处理器作为主控芯片。S3C2440A是由三星公司设计的一款低功耗、高性能 32位RISC微处理器，它采用ARM920T的内核，集成了丰富的片上资源，方便开发者对应用程序的开发，同时减少了开发者对外围部件的设计，大大缩短了开发周期 [4]。

2.3 触摸屏显示模块

S3C2440A 微处理器内部集成了相应的触摸屏接口，此接口可以直接与四线触摸屏相连。该模块设计选用统宝公司生产的 3.5 寸真彩LCD，分辨率为 240×320。

2.4 预警报警模块

预警报警模块由蜂鸣器、发光二极管、微型震动马达组成。当甲烷浓度暂处于较低危险浓度但正以较快速度逼近较高危险状态时，红色 LED 灯不停闪烁以预警工作人员在一段时间内甲烷浓度将超限；当气体超限时，蜂鸣器发出报警声响， 与此同时微型马达发生震动，红色 LED 灯闪烁，相应的气体浓度值在触摸屏上闪烁，提示甲烷浓度超限，警示工作人员采取相应措施。

2.5 数据存储模块

甲烷检测仪在工作时会产生大量的数据（包括甲烷浓度、报警状态等），为了将这些数据储存起来，方便工作人员查阅及分析，就需要有特定的数据存储模块。

S3C2440A 控制器虽然自带 4 K 的 Boot Internal SRAM 芯片，但为了满足系统的存储量，本设计选用了ATMEL 公司生产的容量为 64 K 的E2PROM 芯片AT24C64 来扩充系统的存储量，AT24C64 芯片可进行百万次程序编写与擦除，数据可长期保存且不容易丢失

0.1 2.6 无线通信模块

      因为矿井下的信号比较微弱，无法实时传输数据，本设计采用无线通信方式，工作人员在离开矿井之后可以通过开启无线通信功能向上位机发送数据。

本设计的无线通信模块选用移远通信 EC20 4G 模块。EC20 4G 模块的最大上行速率可达 50 Mb/s，最大下行速率可达 100 Mb/s，同时支持移动、联通、电信三大运营商。

检测仪软件设计主要包括嵌入式操作系统 Linux 的移植以及在Qt 框架平台上开发基于操作系统的用户界面应用程序。

3.1 Linux系统的移植

与其它操作系统相比，Linux 最大的特点就是它是一款遵循 GPL 的操作系统，我们可以自由地使用、修改和扩展。为提高CPU 的利用率，我们需要对原有系统进行裁剪和优化， 制定符合实际要求的特有系统。

Linux 系统移植包含内核的移植和系统的移植。

3.1.1 内核的移植

Linux 内核由进程管理、内存管理、设备管理、虚拟文件系统、网络五个功能部分组成。在系统移植时，主要改动的是进程管理、内存管理和设备管理中被独立出来与硬件相关部分的代码。在Linux 代码树下，这部分代码全部在 arch 目录下。

3.1.2 系统的移植

系统移植实际上是一个最小系统的重建过程，包括 init、libc 库、驱动模块、必须的应用程序和系统配置脚本。

3.2 应用程序的设计

应用程序设计主要实现以下几个功能：

(1) 矿井气体的数据采集，实时曲线显示，气体指数超标报警；

(2) 温度数据采集，实时曲线显示；

（3）状态分析功能，完成各传感器工作状态评估、系统 硬件运行状态评估、综合状态决策等 ； 

（4）无线模式启动功能，系统将存储模块的数据通过无 线模块发送到监控中心。 

程序设计采用了 Linux 嵌入式实时操作系统模块化编程 的思想。通过 C 和 C++ 语言分模块编写子程序，不仅方便系 统集中管理，还有利于修改和扩展相应的功能。系统软件框 图如图 2 所示。

检测仪启动后首先对各子模块进行初始化，初始化完成 后进行数据采集，数据经子程序运算处理后，在触摸屏上显 示相应的数值和图形。当检测到的甲烷浓度超限时（即超过 设定值），报警电路开始工作，发光二极管、蜂鸣器和微型震 动马达同时发出报警信号 ；当检测到的甲烷浓度未达到上限 值但正以较快速度逼近较高危险状态时，预警电路开始工作， 发光二极管发出报警信号。系统软件流程图如图 3 所示。

4 结 语

本文利用 ARM9 内核微处理器 S3C2440A 与 Linux 操作 系统的组合，设计了一种灵敏度高、响应时间短、准确性高、 抗干扰性强，适合便携式测量的矿用智能检测仪。它可以有效 解决传统甲烷浓度检测装置误报漏报的问题，同时大大增强 了显示直观性，拓宽了仪器的适用范围，对工矿、气站等甲烷 集中安全生产与运营有着极其重要的作用。