基于ARM的煤礦瓦斯涌出量預測系統的設計

隨著微電子技術和計算機技術的發展，嵌入式技術得到了廣闊的發展空間。特別是進入20世紀90年代以來，嵌入式技術的發展和普及更為引人注目，已經成為現代工業控制、通信類和消費類產品發展的方向。在煤炭開采工業中，瓦斯是危害礦井安全生產的重要因素之一。目前的煤礦瓦斯預測系統大多是將影響瓦斯涌出的物理量如濃度、濕度、風速等發送至井上的中心管理系統中進行分析預測，預測信息難以及時反應到井下作業人員及系統，從而導致不能在第一時間作出反應。基于嵌入式的瓦斯涌出量預測系統便于在井下不同的開采區安裝，對當前開采區傳感器數據進行處理分析，并預測出該開采區的瓦斯涌出量信息，各個開采區之間不但彼此可以相互通信，而且可以與上位機進行實時交互。
1 總體設計
　　瓦斯傳感器將被測物理量瓦斯涌出量轉換成電信號，經過A/D轉換采樣，轉換成數字信號，在ARM處理器中處理。基于ARM920T內核的S3C2440核心板帶有內置STN/CSTN/TFT LCD控制器，支持1 024×768分辨率以下的各種液晶，用于顯示預測信息、檢測量、檢測時間等。內置4線制電阻式觸摸屏控制器，用于用戶與系統的交互，也可以通過鍵盤對系統參數等進行設置。100 Mbit/s 以太網控制器，用于與上位PC的雙向信息傳遞。系統的軟件開發是在Fedora Linux環境下基于QT設計的。QT是挪威的Trolltech 公司開發的一個開源的、跨平臺的C++圖形用戶界面應用程序框架。它提供給應用程序開發者建立藝術級的圖形用戶界面所需的所用功能。QT完全面向對象，很容易擴展，并且允許真正地組件編程。系統依據分源法^[1，2]將礦井各個開采面分為不同的瓦斯涌出源，建立瓦斯分源預測模型，經過換算得到預測數據并顯示。系統結構如圖1所示。

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2?硬件設計
2.1?芯片及存儲器設計
　　系統選用了三星公司基于ARM 9 內核的S3C2440嵌入式處理器。S3C2440被廣泛應用于PDA、移動通信、路由器、工業控制等領域, 芯片中集成了下列模塊: 16 KB指令Cache、16 KB數據Cache、MMU、外部存儲器控制器、LCD控制器、NAND Flash控制器、4通道PWM 定時器和1個內部定時器、168腳通用GPIO、實時時鐘、8通道10 bit的AD和觸摸屏接口、標準20 pin JTAG調試接口等。存儲器方面采用標準的64 MB Nand-Flash用于數據存儲和64 MB SDRAM用于程序的運行。
2.2?A/D采樣、顯示和接口設計
　　A/D轉換單元采用MAX1297AEEG實現12位并行模數轉換，直接與核心板的I/O線連接，如圖2所示。由于S3C2440自帶有LCD控制器，所以免去了LCD控制器的設計，顯示屏采用NEC公司的3.5寸的壓電式觸摸LCD，分辨率為240×320。以太網接口采用TC3097F-5芯片。

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3? 軟件設計
3.1? BootLoader的移植
　　BootLoader是在操作系統內核運行之前運行的一段小程序。大多數BootLoader都分為Stage1 和Stage2 兩大部分。Stage1主要包含依賴于CPU的體系結構硬件初始化的代碼，通常都用匯編語言來實現。這個階段的任務有：(1)為基本的硬件設備初始化；(2)為第二階段準備RAM空間；(3)設置堆棧并跳轉到第二階段的程序入口點。Stage2通常用C語言完成，以便實現更復雜的功能，也使程序有更好的可讀性和可移植性。這個階段的任務有：(1)初始化本階段要使用到的硬件設備，檢測系統內存映射；(2)將內核映像和根文件系統映像從Flash讀到RAM；(3)為內核設置啟動參數，調用內核。系統采用韓國MIZI公司開發的開源BootLoader, 即vivi，對vivi進行必要的裁剪并移植到系統當中。

3.2? Linux內核的移植^[5]
　　由于系統包括數據的分析、系統間的通信及與上位機的交互等功能的綜合，所以考慮加入操作系統，以便更好地管理和分配資源。系統采用最新的Linux 2.6.14內核，內核的移植較為復雜，主要包括Makefile文件的修改(如設置交叉編譯的路徑、flash分區的設置等)和配置內核編譯項(make menuconfig)：(1)加入Yaffs2文件系統支持；(2)CS8900網卡驅動的移植；(3)LCD驅動移植；(4)USB驅動移植等。
3.3 Yaffs2文件系統的制作
　　文件系統的制作主要是用busybox工具制作最小文件系統，編譯和安裝busybox-1.7.tar后會在busybox目錄下生成子目錄_install，并且/bin目錄下集成壓縮了Linux的許多工具和命令。另外，還要加入QT程序所依賴的動態共享庫libQtCore.so.4、libQtGui.so.4和libQtNetWork.so.4，并設置環境變量。
3.4?基于QT的軟件設計^[6]
　　系統的應用程序主要包括以下幾個模塊：
　　(1)核心算法模塊。根據分源法建立數學模型，如圖3所示。

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　　其中主要瓦斯涌出源包括開采煤層(包括圍巖)瓦斯涌出、鄰近煤層瓦斯涌出、掘進巷道煤壁瓦斯涌出、掘進落煤瓦斯涌出、已采采區采空區瓦斯涌出和生產采區瓦斯涌出。
　　回采工作面瓦斯涌出量q₁=開采煤層瓦斯涌出+鄰近煤層瓦斯涌出
　　掘進工作面瓦斯涌出q₂=掘進巷道煤壁瓦斯涌出+掘進落煤瓦斯涌出
　　

　　其中q₄為已采采區采空區瓦斯涌出量。
　　(2)通信模塊。系統的通信包括與上位PC通信和與其他子系統的通信。通信接口采用100 Mb/s以太網接口，通信協議采用輕量級的UDP協議，該協議適用于短消息的網絡數據傳輸、擁有大量的客戶端、對數據安全無特殊要求、對響應速度要求高等情況。QT提供了一個QUdpSocket類用于編寫UDP程序，QUdpSocket類提供的一個重要功能是廣播，這里正好適合系統以廣播的形式向鄰近煤層系統發送廣播數據報，從而獲得鄰近煤層瓦斯涌出量信息。
　　(3)信息顯示GUI模塊。該模塊用于與操作人員交互，采用觸摸方式，更適于在狹窄的空間中進行操作。QT的GUI類為程序設計人員提供了豐富的操作控件，可以方便地設計出操作簡單、界面友好的系統。系統的顯示主要包括回采工作面瓦斯涌出量，掘進工作面瓦斯涌出量，當前開采面風速、濕度、瓦斯涌出量預報信息及檢測時間等。
　　本文針對礦井下不同深度、不同采區瓦斯涌出量的差異及鄰近采區瓦斯涌出相互影響的特點，設計出分布式的基于ARM的瓦斯預測系統。系統的硬件平臺設計，鑒于其特殊的應用環境，采用可靠性高、應用廣泛、技術成熟的S3C2440做為核心板；軟件方面采用了兼容性強的Linux+QT的設計方式，保證了系統的穩定可靠。根據歷史瓦斯涌出數據，在煤層厚度為4.96m、日產量3 000 t、巷長1 000 m、巷道橫截面為5 m²、平均瓦斯含量為18.80 m³/t、距地面90 m的礦井下，系統預測值為45.28 m³/min，實際值為50.06 m3/min。