基于ARM的礦用便攜式多參數氣體檢測儀的設計

摘要：針對目前煤礦常用氣體檢測儀以檢測單氣體為主，檢測精度不高、穩定性不強等問題，研究并設計了一種基于ARM9的便攜式多參數氣體檢測儀。本檢測儀以S3C2440A微處理器為核心控制器，可以實現CH4、CO、H2S、O2四種氣體濃度的實時檢測，同時，檢測儀移植了Linux嵌入式操作系統，提高了系統的可靠性和穩定性。實際應用表明，該檢測儀攜帶方便，測量準確，將井下氣體信息濃縮于一掌之中，使井下生產人員能及時有效的獲得礦井安全狀況，具有較高的推廣應用價值。

關健詞：ARM;傳感器;便攜式;氣體檢測儀

0 引言

在煤礦的開采過程中，會釋放出大量的有毒有害氣體和可燃性氣體，諸如CH4、CO、H2S，當這些氣體積攢到一定濃度時，就會使人呼吸困難、窒息死亡，甚至引發瓦斯爆炸事故，嚴重威脅著井下作業人員的生命和財產安全，因此，實時準確地檢測出井下環境中的各氣體濃度，做到事前預警，就顯得尤為重要。

目前，我國煤礦井下所用氣體檢測儀以單參數檢測儀為主，使用不方便，雖然已經研制出一些多參數氣體檢測儀，但這些檢測儀普遍存在著穩定性不夠、測量精度低等問題?；诖?，本文研究并設計了一種基于ARM9的高性能礦用便攜式多參數氣體檢測儀。本檢測儀能夠實時準確地檢測出CH4、CO、H2S、O2四種氣體濃度，當氣體濃度超過預設報警值時，進行聲光報警，有效地消除了礦井的安全隱患，減少了事故的發生。

1 系統總體結構設計

檢測儀以基于ARM9內核的S3C2440A嵌入式微處理器為核心，由氣體傳感器模塊、信號調理模塊、LCD顯示模塊、聲光報警模塊、數據存儲模塊、通訊接口模塊、電源模塊等組成，其具體結構如圖1所示。

氣體傳感器將檢測到的氣體數據轉化成微弱的模擬信號，經過信號調理電路進行濾波、放大以及A/D轉換處理后送入S3C2440A，經過S3C2440A的運算處理，最終得出相應的濃度值，送LCD顯示屏實時顯示出來。同時，將檢測到的濃度值與預設的報警值進行比較，若超過報警值，則進行聲光報警。為便于濃度數據的長期保存和查詢，S3C2440A設計有片外存儲器，來擴充數據存儲容量。

儀器還具有與上位機PC通信的功能，通過RS232串口通訊接口可將測量濃度值傳輸給PC機，實現歷史數據的備份。電源方面，采用可充電鋰電池，通過高轉換效率的LDO對各模塊供電。

2 系統硬件設計

2.1 氣體傳感器檢測原理及選型

氣體傳感器是決定檢測儀效果的關鍵元件，主要完成從物理量到電信號的轉換，是信號采集的第一步。氣體傳感器按原理分為熱導池式、催化燃燒式、電化學式、光干涉式、紅外式等幾大類。根據實際需要，選擇合適的傳感器進行檢測。

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

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

2.2 處理器選型

本檢測儀選擇三星公司生產的S3C2440A嵌入式處理器作為主控芯片。S3C2440A是一款專為便攜式設備而設計的低功耗、高性能32位RISC微處理器，它采用ARM920T的內核，集成了豐富的片上資源，使開發者可以盡可能地減少外圍部件的設計，方便了應用系統的開發，縮短了開發周期。

S3C2440A中主要集成了下列模塊：16KB指令Cache、16KB數據Cache、MMU、外部存儲器控制器、LCD控制器、168腳通用GPIO、實時時鐘、8通道多路復用ADC和FET給線性觸摸屏接口、標準20pin JTAG調試接口等。

2.3 LCD顯示模塊設計

為便于更好的人機交互，本設計采用觸摸屏設計。

S3C2440A自帶有LCD控制器，所以免去了LCD控制器的設計。S3C2440A內部集成了一個觸摸屏接口，可以直接與四線電阻式觸摸屏連接;

S3C2440A具有8個轉換通道(AIN[0-7])，其中AIN[7]用于觸摸屏X坐標輸入，AIN[5]用于觸摸屏Y坐標輸入。

本設計選用三星公司生產的四線電阻式LCD觸摸屏，尺寸為3.5寸，分辨率為320×240。

2.4 數據存儲模塊設計

由于檢測儀程序量很大、檢測后所得的濃度數據眾多，且需要長期保存以便調閱和查詢，本設計決定采用3種存儲器，以提高系統的性能。

NAND Flash作為文件存儲器，用于存儲氣體濃度數據;NOR Flash作為程序存儲器，用于存放引導程序、用戶程序以及Linux嵌入式操作系統;SDROM作為數據交換存儲器，系統運行所使用的程序代碼、堆棧和數據一般都調入此存儲器運行，以提高系統的運行速度。

本系統選用三星公司的K9F1208芯片作為NAND Flash存儲器，單片存儲容量為64 MB;采用K802815芯片作為NOR Flash，單片存儲容量16MB。

2.5 聲光報警模塊設計

聲光報警電路由三極管、發光二極管、蜂鳴器組成。當檢測儀檢測到某種氣體濃度超限時，相對應的氣體濃度值在LCD顯示屏上持續閃爍，提示是哪種氣體濃度超限，同時系統驅動蜂鳴器發出聲響以及紅色發光二極管閃爍，進行聲光報警，警示檢測人員采取必要的行動。

2.6 通訊接口模塊設計

檢測儀具有與上位機PC通信的功能，通過串口可將測量數據傳輸給PC機，同時也可通過PC對檢測儀的各項參數進行設置。

由于S3C2440A的輸入、輸出電平是TTL電平，而PC機配置的是RS232標準串行接口，因此要完成S3C2440A與PC機之間的數據通信，必須對TTL電平進行電平轉換。在本系統中使用了SP3232E芯片來完成TTL電子到RS232電平的轉換。

2.7 電源模塊設計

本系統需要的工作電壓有1.3V、3.3V、5V三種，其中S3C2440A內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。

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

3 系統軟件設計

根據系統的需求，系統軟件設計主要包括嵌入式操作系統Linux的移植和基于Linux操作系統的應用程序設計。

3.1 Linux嵌入式操作系統的移植

傳統的系統程序設計中一般采用前后臺的工作方式，這種工作方式實時性不強，處理多任務的能力較差，而嵌入式操作系統能及時響應外部異步事件的請求，在規定的時間內完成對該事件的處理，并控制所有實時任務協調一致地運行。因此，為提高系統CPU的利用率以及系統的實時性，本設計選擇移植入Linux嵌入式操作系統。

Linux是一個源代碼開放、功能強大、效率高的實時多任務操作系統，它軟件移植方便，可以根據具體的系統進行裁減和優化。Linux操作系統的移植主要包含以下三個部分：引導程序(BootLoader)移植、群伺渲糜氡嘁搿⑽募系統的加載。

3.2 系統應用程序設計

系統應用程序使用C語言進行編寫，采用模塊化設計的思想，在主程序下分成若干彼此獨立的功能子程序，開發工具為VS2005。

系統主程序主要包括系統初始化子程序、按鍵輸入子程序、氣體數據采集子程序、LCD顯示子程序、聲光報警子程序、數據存儲子程序、串口通信子程序、串口中斷處理子程序等。

系統主程序如圖2所示。

4 實驗結果

檢測儀是井下一線生產人員獲得井下安全狀況的重要手段。檢測儀開機后，自動初始化系統各模塊，通過LCD觸摸屏顯示系統主界面，人為觸摸控制各項功能，進行氣體檢測、數據存儲、數據查詢、報警處理、數據傳輸等操作。檢測儀上電后運行主界面如圖3所示。

氣體檢測主要用于CH4、CO、H2S、O2四種氣體濃度的實時檢測，可一次性檢測四種氣體濃度，也可選擇其中的一種氣體進行檢測;數據存儲用以將檢測所得數據存放于存儲器中，以供歷史查詢;數據傳輸是檢測儀與上位機PC通信的功能，檢測儀可將測量數據傳輸給PC機，同時也可通過PC對檢測儀的參數進行設置;當氣體濃度超限時，檢測儀會進行聲光報警，這時點擊報警處理，可解除報警。

5 結束語

本文以基于ARM9內核的S3C2440A微處理器為核心，結合Linux嵌入式操作系統，設計了一種新型的礦用便攜式多參數氣體檢測儀，本檢測儀體積小、攜帶方便、靈敏度高，能實時準確地檢測出礦井中有毒有害氣體的濃度，為井下作業人員提供安全保障，具有很高的實用性。