一種煤礦瓦斯涌出量預(yù)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[圖]

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，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(fèi)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(jìn)行分析預(yù)測，預(yù)測信息難以及時(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)。

ARM（Advanced RISC Machines）是微處理器行業(yè)的一家知名企業(yè)，設(shè)計(jì)了大量高性能、廉價(jià)、耗能低的RISC處理器、相關(guān)技術(shù)及軟件。技術(shù)具有性能高、成本低和能耗省的特點(diǎn)。適用于多種領(lǐng)域，比如嵌入控制、消費(fèi)/教育類多媒體、DSP和移動式應(yīng)用等。ARM將其技術(shù)授權(quán)給世界上許多著名的半導(dǎo)體、軟件和OEM廠商，每個廠商得到的ARM公司（6張）都是一套獨(dú)一無二的ARM相關(guān)技術(shù)及服務(wù)。利用這種合伙關(guān)系，ARM很快成為許多全球性RISC標(biāo)準(zhǔn)的締造者。

1 總體設(shè)計(jì)

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。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)測信息、檢測量、檢測時(shí)間等。100 Mbit/s 以太網(wǎng)控制器，用于與上位PC的雙向信息傳遞。QT完全面向?qū)ο螅�很容易擴(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。

預(yù)測是指在掌握現(xiàn)有信息的基礎(chǔ)上，依照一定的方法與規(guī)律對未來的事情進(jìn)行測算，以預(yù)先了解事情發(fā)展的結(jié)果。預(yù)測的方法與形式多種多樣，主要包括古代玄門術(shù)數(shù)對吉兇禍福的占卜與推演和現(xiàn)代科學(xué)對現(xiàn)有信息資料進(jìn)行精密分析后所做出的對自然狀況的預(yù)報(bào)以及各種政治理論學(xué)說對人類社會發(fā)展的推測。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 芯片及存儲器設(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(shí)器和1個內(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(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。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 BootLoader的移植

Bootloader是在運(yùn)行操作系統(tǒng)內(nèi)核前所執(zhí)行的一段小程序。通過執(zhí)行這段小程序，實(shí)現(xiàn)初始化硬件設(shè)備、建立內(nèi)存空間的映射圖，從而為系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境設(shè)置一個合適狀態(tài)，以便為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準(zhǔn)備好正確環(huán)境。

大多數(shù)Bootloader包含"啟動加載"和"下載"兩種操作模式。從最終用戶來看，Bootloader就是用來加載操作系統(tǒng)，而無工作模式區(qū)別。其中，啟動加載模式是Bootloader從目標(biāo)機(jī)上的某個固態(tài)存儲設(shè)備將操作系統(tǒng)加載到RAM中運(yùn)行，整個過程并沒有用戶介入。這種模式是Bootloader的正常工作模式。而在下載模式下，目標(biāo)機(jī)上的Bootloader通過串口連接或網(wǎng)絡(luò)連接從主機(jī)（Host）下載文件，例如下載內(nèi)核映像和根文件系統(tǒng)映像等。

由于實(shí)現(xiàn)Bootloader依賴CPU的體系結(jié)構(gòu)，因此大多數(shù)Bootloader分為stage1和stage2兩部分，并依賴于CPU體系結(jié)構(gòu)的代碼，例如：設(shè)備初始化代碼等，通常放在stage1中，一般采用匯編語言。而stage2則通常采用C語言實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能，而且代碼具有良好的可讀性和移植性。Bootloader的stage2步驟通常包括：初始化當(dāng)前階段使用的硬件設(shè)備；檢測系統(tǒng)內(nèi)存映射；將Kernel映像和根文件系統(tǒng)映像從Flash上讀到RAM空間中；為內(nèi)核設(shè)置啟動參數(shù)；調(diào)用內(nèi)核。

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，通常都用匯編語言來實(shí)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(diǎn)。

Stage2通常用C語言完成，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；

3.2 Linux內(nèi)核的移植

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文件的修改和配置內(nèi)核編譯項(xiàng)：（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(jì)

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。

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(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、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(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)前開采面風(fēng)速、濕度、瓦斯涌出量預(yù)報(bào)信息及檢測時(shí)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(diǎn)，設(shè)計(jì)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(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；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(shí)際值為50.06 m3/min。