摘 要：介紹了基于ARM920T嵌入式處理器(S3C2440)硬件平臺上的瓦斯涌出量預(yù)測系統(tǒng)的設(shè)計。基于ARM嵌入式設(shè)備體積小、反應(yīng)快、可靠性高等特點，可以有效地對多傳感器數(shù)據(jù)進行融合和即時分析，從而及時地預(yù)測瓦斯涌出量的變化。系統(tǒng)采用分源法作為預(yù)測算法，討論了硬件及軟件方面的設(shè)計。
　　關(guān)鍵詞：ARM920T；瓦斯預(yù)測；嵌入式系統(tǒng)；分源法；QT

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　　隨著微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，嵌入式技術(shù)得到了廣闊的發(fā)展空間。特別是進入20世紀(jì)90年代以來，嵌入式技術(shù)的發(fā)展和普及更為引人注目，已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)控制、通信類和消費類產(chǎn)品發(fā)展的方向。在煤炭開采工業(yè)中，瓦斯是危害礦井安全生產(chǎn)的重要因素之一。目前的煤礦瓦斯預(yù)測系統(tǒng)大多是將影響瓦斯涌出的物理量如濃度、濕度、風(fēng)速等發(fā)送至井上的中心管理系統(tǒng)中進行分析預(yù)測，預(yù)測信息難以及時反應(yīng)到井下作業(yè)人員及系統(tǒng)，從而導(dǎo)致不能在第一時間作出反應(yīng)?；谇度胧降耐咚褂砍隽款A(yù)測系統(tǒng)便于在井下不同的開采區(qū)安裝，對當(dāng)前開采區(qū)傳感器數(shù)據(jù)進行處理分析，并預(yù)測出該開采區(qū)的瓦斯涌出量信息，各個開采區(qū)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(shè)計
　　瓦斯傳感器將被測物理量瓦斯涌出量轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換采樣，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，在ARM處理器中處理?；贏RM920T內(nèi)核的S3C2440核心板帶有內(nèi)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(yù)測信息、檢測量、檢測時間等。內(nèi)置4線制電阻式觸摸屏控制器，用于用戶與系統(tǒng)的交互，也可以通過鍵盤對系統(tǒng)參數(shù)等進行設(shè)置。100 Mbit/s 以太網(wǎng)控制器，用于與上位PC的雙向信息傳遞。系統(tǒng)的軟件開發(fā)是在Fedora Linux環(huán)境下基于QT設(shè)計的。QT是挪威的Trolltech 公司開發(fā)的一個開源的、跨平臺的C++圖形用戶界面應(yīng)用程序框架。它提供給應(yīng)用程序開發(fā)者建立藝術(shù)級的圖形用戶界面所需的所用功能。QT完全面向?qū)ο?，很容易擴展，并且允許真正地組件編程。系統(tǒng)依據(jù)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(yù)測模型，經(jīng)過換算得到預(yù)測數(shù)據(jù)并顯示。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

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2?硬件設(shè)計
2.1?芯片及存儲器設(shè)計
　　系統(tǒng)選用了三星公司基于ARM 9 內(nèi)核的S3C2440嵌入式處理器。S3C2440被廣泛應(yīng)用于PDA、移動通信、路由器、工業(yè)控制等領(lǐng)域, 芯片中集成了下列模塊: 16 KB指令Cache、16 KB數(shù)據(jù)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(nèi)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(biāo)準(zhǔn)20 pin JTAG調(diào)試接口等。存儲器方面采用標(biāo)準(zhǔn)的64 MB Nand-Flash用于數(shù)據(jù)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(shè)計
　　A/D轉(zhuǎn)換單元采用MAX1297AEEG實現(xiàn)12位并行模數(shù)轉(zhuǎn)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(shè)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(wǎng)接口采用TC3097F-5芯片。

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3? 軟件設(shè)計
3.1? BootLoader的移植
　　BootLoader是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運行之前運行的一段小程序。大多數(shù)BootLoader都分為Stage1 和Stage2 兩大部分。Stage1主要包含依賴于CPU的體系結(jié)構(gòu)硬件初始化的代碼，通常都用匯編語言來實現(xiàn)。這個階段的任務(wù)有：(1)為基本的硬件設(shè)備初始化；(2)為第二階段準(zhǔn)備RAM空間；(3)設(shè)置堆棧并跳轉(zhuǎn)到第二階段的程序入口點。Stage2通常用C語言完成，以便實現(xiàn)更復(fù)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(wù)有：(1)初始化本階段要使用到的硬件設(shè)備，檢測系統(tǒng)內(nèi)存映射；(2)將內(nèi)核映像和根文件系統(tǒng)映像從Flash讀到RAM；(3)為內(nèi)核設(shè)置啟動參數(shù)，調(diào)用內(nèi)核。系統(tǒng)采用韓國MIZI公司開發(fā)的開源BootLoader, 即vivi，對vivi進行必要的裁剪并移植到系統(tǒng)當(dāng)中。
3.2? Linux內(nèi)核的移植^[5]
　　由于系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)的分析、系統(tǒng)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(tǒng)，以便更好地管理和分配資源。系統(tǒng)采用最新的Linux 2.6.14內(nèi)核，內(nèi)核的移植較為復(fù)雜，主要包括Makefile文件的修改(如設(shè)置交叉編譯的路徑、flash分區(qū)的設(shè)置等)和配置內(nèi)核編譯項(make menuconfig)：(1)加入Yaffs2文件系統(tǒng)支持；(2)CS8900網(wǎng)卡驅(qū)動的移植；(3)LCD驅(qū)動移植；(4)USB驅(qū)動移植等。
3.3 Yaffs2文件系統(tǒng)的制作
　　文件系統(tǒng)的制作主要是用busybox工具制作最小文件系統(tǒng)，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(tài)共享庫libQtCore.so.4、libQtGui.so.4和libQtNetWork.so.4，并設(shè)置環(huán)境變量。
3.4?基于QT的軟件設(shè)計^[6]
　　系統(tǒng)的應(yīng)用程序主要包括以下幾個模塊：
　　(1)核心算法模塊。根據(jù)分源法建立數(shù)學(xué)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(qū)采空區(qū)瓦斯涌出和生產(chǎn)采區(qū)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(qū)采空區(qū)瓦斯涌出量。
　　(2)通信模塊。系統(tǒng)的通信包括與上位PC通信和與其他子系統(tǒng)的通信。通信接口采用100 Mb/s以太網(wǎng)接口，通信協(xié)議采用輕量級的UDP協(xié)議，該協(xié)議適用于短消息的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸、擁有大量的客戶端、對數(shù)據(jù)安全無特殊要求、對響應(yīng)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(tǒng)以廣播的形式向鄰近煤層系統(tǒng)發(fā)送廣播數(shù)據(jù)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(shè)計人員提供了豐富的操作控件，可以方便地設(shè)計出操作簡單、界面友好的系統(tǒng)。系統(tǒng)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(dāng)前開采面風(fēng)速、濕度、瓦斯涌出量預(yù)報信息及檢測時間等。
　　本文針對礦井下不同深度、不同采區(qū)瓦斯涌出量的差異及鄰近采區(qū)瓦斯涌出相互影響的特點，設(shè)計出分布式的基于ARM的瓦斯預(yù)測系統(tǒng)。系統(tǒng)的硬件平臺設(shè)計，鑒于其特殊的應(yīng)用環(huán)境，采用可靠性高、應(yīng)用廣泛、技術(shù)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(shè)計方式，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠。根據(jù)歷史瓦斯涌出數(shù)據(jù)，在煤層厚度為4.96m、日產(chǎn)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(tǒng)預(yù)測值為45.28 m³/min，實際值為50.06 m3/min。