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

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　　隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)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(jìn)入20世紀(jì)90年代以來(lái)，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(lèi)和消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品發(fā)展的方向。在煤炭開(kāi)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(cè)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(jìn)行分析預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)信息難以及時(shí)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(shí)間作出反應(yīng)。基于嵌入式的瓦斯涌出量預(yù)測(cè)系統(tǒng)便于在井下不同的開(kāi)采區(qū)安裝，對(duì)當(dāng)前開(kāi)采區(qū)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，并預(yù)測(cè)出該開(kāi)采區(qū)的瓦斯涌出量信息，各個(gè)開(kāi)采區(qū)之間不但彼此可以相互通信，而且可以與上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)交互。
1 總體設(shè)計(jì)
　　瓦斯傳感器將被測(cè)物理量瓦斯涌出量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換采樣，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，在ARM處理器中處理。基于ARM920T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(cè)信息、檢測(cè)量、檢測(cè)時(shí)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(guò)鍵盤(pán)對(duì)系統(tǒng)參數(shù)等進(jìn)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(kāi)發(fā)是在Fedora Linux環(huán)境下基于QT設(shè)計(jì)的。QT是挪威的Trolltech 公司開(kāi)發(fā)的一個(gè)開(kāi)源的、跨平臺(tái)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(kāi)發(fā)者建立藝術(shù)級(jí)的圖形用戶界面所需的所用功能。QT完全面向?qū)ο螅苋菀讛U(kuò)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(gè)開(kāi)采面分為不同的瓦斯涌出源，建立瓦斯分源預(yù)測(cè)模型，經(jīng)過(guò)換算得到預(yù)測(cè)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(jì)
2.1?芯片及存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)
　　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(dòng)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(chǔ)器控制器、LCD控制器、NAND Flash控制器、4通道PWM 定時(shí)器和1個(gè)內(nèi)部定時(shí)器、168腳通用GPIO、實(shí)時(shí)時(shí)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(chǔ)器方面采用標(biāo)準(zhǔn)的64 MB Nand-Flash用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和64 MB SDRAM用于程序的運(yùn)行。
2.2?A/D采樣、顯示和接口設(shè)計(jì)
　　A/D轉(zhuǎn)換單元采用MAX1297AEEG實(shí)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(jì)，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(jì)
3.1? BootLoader的移植
　　BootLoader是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行之前運(yùn)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(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)。這個(gè)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(diǎn)。Stage2通常用C語(yǔ)言完成，以便實(shí)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(gè)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(cè)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(dòng)參數(shù)，調(diào)用內(nèi)核。系統(tǒng)采用韓國(guó)MIZI公司開(kāi)發(fā)的開(kāi)源BootLoader, 即vivi，對(duì)vivi進(jìn)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(jī)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(xiàng)(make menuconfig)：(1)加入Yaffs2文件系統(tǒng)支持；(2)CS8900網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)的移植；(3)LCD驅(qū)動(dòng)移植；(4)USB驅(qū)動(dòng)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(huì)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(dòng)態(tài)共享庫(kù)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(jì)^[6]
　　系統(tǒng)的應(yīng)用程序主要包括以下幾個(gè)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(kāi)采煤層(包括圍巖)瓦斯涌出、鄰近煤層瓦斯涌出、掘進(jìn)巷道煤壁瓦斯涌出、掘進(jìn)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(kāi)采煤層瓦斯涌出+鄰近煤層瓦斯涌出
　　掘進(jìn)工作面瓦斯涌出q₂=掘進(jìn)巷道煤壁瓦斯涌出+掘進(jìn)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(jí)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(duì)數(shù)據(jù)安全無(wú)特殊要求、對(duì)響應(yīng)速度要求高等情況。QT提供了一個(gè)QUdpSocket類(lèi)用于編寫(xiě)UDP程序，QUdpSocket類(lèi)提供的一個(gè)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(bào)，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(jìn)行操作。QT的GUI類(lèi)為程序設(shè)計(jì)人員提供了豐富的操作控件，可以方便地設(shè)計(jì)出操作簡(jiǎn)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(jìn)工作面瓦斯涌出量，當(dāng)前開(kāi)采面風(fēng)速、濕度、瓦斯涌出量預(yù)報(bào)信息及檢測(cè)時(shí)間等。
　　本文針對(duì)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(diǎn)，設(shè)計(jì)出分布式的基于ARM的瓦斯預(yù)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)的硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)，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(qiáng)的Linux+QT的設(shè)計(jì)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(zhǎng)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(cè)值為45.28 m³/min，實(shí)際值為50.06 m3/min。