ARM—Linux嵌入式系統在煤礦井下的應用

李文江，徐宏雷 ，孫健

摘要：為實現礦井中溫度、壓力和氣體濃度三因素數據的遠程數據采集，引入嵌入式ARM9微處理器和Linux嵌入式操作系統技術，設計了一種基于TCP／IP協議的嵌入式遠程實時數據采集方案，可幫助系統運行穩定、可靠性高及抗干擾能力強。

1 系統硬件結構設計

(1)系統結構組成

    本系統由嵌入式控制器、遠程監控站、前端數據采集器及相應的分線器組成。前端傳感器有溫度、壓力及氣體濃度采集器。系統結構如圖1所示。

(2)系統硬件設計

系統硬件設計的核心是嵌入式控制器，其硬件組成結構如圖2所示。

1)ARM—S3C2410芯片。北京ARM開發板處理器是ARM(Advanced RISC Machines)公司通過授權方式，由不同芯片廠商生產的基于ARM核的位處理器芯片，S3C2440是三星公司推出的一款功能強大，功耗極低的ARM9嵌入式CPU。其主要特征有：

a．200 MHz的ARM920T內核，支持JTAG仿真調試。

b．外部存儲器控制(SDRAM控制和片選邏輯)，分8個Bank，每個Bank可訪問128 M空間。

C．片內4 KB SRAM，可用作NAND Flash系統引導。

d．LCD控制器(最大支持4 K色STN和256 K色T )，1通道LCD專用DMA等。這種高度集成化不僅方便系統的硬件設計，而且提高了系統的穩定性和可靠性?

2)系統環境Linux的主要特點

a．采用模塊化設計，源代碼完全開放，任何人都可以根據需要任意修改并在GUN協議下發行。

b．具有強大的網絡功能，能提供各種網絡服務。

c．具有豐富的軟件資源，幾乎所有的Unix下的應用軟件都可移植到Linux平臺上。

d．支持多種體系結構，如ARM、SPARC、X86等。

(3)系統工作原理

    溫度采集器主要部分是溫度傳感器PH100TMPA，具有分辨率精確和準確度高；壓力采集器采用陜西紅翔科技開發有限公司的GD一307，能自動將工作面的頂板壓力轉變為標準電信號傳送給相關設備；氣體濃度采集器采用意大利的OGGI防爆氣體傳感器，它具有靈敏度高，能夠測量O ／NH，／CO／H：S等多種氣體。分線器的硬件部分為單片機AT89S52和串行電平接口芯片MAX483，主要用作數據傳輸和控制信號尋址，遠程控制站是一臺PC機及其所需配套器件。

    嵌入式控制器通過基于TCP／IP協議的以太網和遠程控制站連接，使用RS485現場總線與分線器連接。前端采集器分布在礦井中的各個監控點，負責實時地采集壓、溫度和井下氣體濃度數據，然后將采集到的數據經分線器通過RS485現場總線上傳導嵌入式控制器。分散器接收嵌入式控制器的控制信號，切換相應的檢測點，并將前端傳感器采集到的數據上傳到嵌入式控制器。嵌入式控制器負責接收各個前端傳感器上傳的數據，并對這些數據進行實時處理，再將這些處理后的結果經以太網發送到遠程監測站供技術人員做進一步的分析。

2 軟件設計

(1)系統運行環境

    系統運行環境主要有嵌入式控制器主板啟動程序BootLoader、Linux內核、根文件系統cramfs、初始化進程、設備驅動程序等組成．為應用程序提供低層服務。設備驅動程序能夠讓嵌入式操作系統訪問和控制外圍設備，使這些設備在該系統下工作。本系統中的設備驅動程序有CS8900A網卡驅動和其他通信接口驅動，負責完成系統通訊的低層工作。

(2)應用程序設計

    應用程序主要運行于嵌入式控制器，負責收發和處理數據，并對相應的外設進行控制。其流程圖如圖3所示。

     嵌入式控制的應用程序采用看守進程和指令執行進程�？词剡M程負責監聽RS485總線端口，網絡端口以及數據的傳輸。嵌入式控制器應用程序初始化后運行看守進程，一方面監聽遠程監控站的服務請求，當服務請求命令到達后，先對命令解析，判斷該命令的執行對象，然后將其交給執行進程執行，另一方面接收分線器發送的數據，讀接收的數據進行標準化處理，確定礦井的條件是否在正常范圍內，若是，就將處理后的結果發送至遠程監控站以供進一步處理，否則發送一緊急中斷信號，觸發報警器以采取相應措施。

    Linux串口應用開發，UART為串行通信，操作有數據發、數據收、中斷、波特率，模式有Loopback、紅外、自動流控。Arm與串口通信配置：① 保存原來串口配置；② 激活本地連接和接收使能；③ 設置輸入輸出波特率；④ 使用掩碼設置數據位；⑤ 設置奇偶校驗位；⑥ 設置停止位；⑦ 設置最少字符和等待時間。

3 結語

    本系統采用嵌入式Internet技術實現了礦井下的溫度、濕度和氣體濃度的在線實時檢測，可隨時檢測井下的狀況，對于防止井下事故的發生有很大的幫助。該系統運行穩定、可靠性高及抗干擾能力強，達到了預期的設計目的。