ARM—Linux嵌入式系統(tǒng)在煤礦井下的應(yīng)用
李文江，徐宏雷 ，孫健
摘要：為實現(xiàn)礦井中溫度、壓力和氣體濃度三因素數(shù)據(jù)的遠程數(shù)據(jù)采集，引入嵌入式ARM9微處理器和Linux嵌入式操作系統(tǒng)技術(shù)，設(shè)計了一種基于TCP／IP協(xié)議的嵌入式遠程實時數(shù)據(jù)采集方案，可幫助系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠性高及抗干擾能力強。
1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計
(1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成
本系統(tǒng)由嵌入式控制器、遠程監(jiān)控站、前端數(shù)據(jù)采集器及相應(yīng)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(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
(2)系統(tǒng)硬件設(shè)計
系統(tǒng)硬件設(shè)計的核心是嵌入式控制器，其硬件組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。
1)ARM—S3C2410芯片。北京ARM開發(fā)板處理器是ARM(Advanced RISC Machines)公司通過授權(quán)方式，由不同芯片廠商生產(chǎn)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(nèi)核，支持JTAG仿真調(diào)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(nèi)4 KB SRAM，可用作NAND Flash系統(tǒng)引導(dǎo)。
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(tǒng)的硬件設(shè)計，而且提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性?
2)系統(tǒng)環(huán)境Linux的主要特點
a．采用模塊化設(shè)計，源代碼完全開放，任何人都可以根據(jù)需要任意修改并在GUN協(xié)議下發(fā)行。
b．具有強大的網(wǎng)絡(luò)功能，能提供各種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。
c．具有豐富的軟件資源，幾乎所有的Unix下的應(yīng)用軟件都可移植到Linux平臺上。
d．支持多種體系結(jié)構(gòu)，如ARM、SPARC、X86等。
(3)系統(tǒng)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(zhǔn)確度高；壓力采集器采用陜西紅翔科技開發(fā)有限公司的GD一307，能自動將工作面的頂板壓力轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)電信號傳送給相關(guān)設(shè)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(shù)據(jù)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(xié)議的以太網(wǎng)和遠程控制站連接，使用RS485現(xiàn)場總線與分線器連接。前端采集器分布在礦井中的各個監(jiān)控點，負責(zé)實時地采集壓、溫度和井下氣體濃度數(shù)據(jù)，然后將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)分線器通過RS485現(xiàn)場總線上傳導(dǎo)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(yīng)的檢測點，并將前端傳感器采集到的數(shù)據(jù)上傳到嵌入式控制器。嵌入式控制器負責(zé)接收各個前端傳感器上傳的數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進行實時處理，再將這些處理后的結(jié)果經(jīng)以太網(wǎng)發(fā)送到遠程監(jiān)測站供技術(shù)人員做進一步的分析。
2 軟件設(shè)計
(1)系統(tǒng)運行環(huán)境
系統(tǒng)運行環(huán)境主要有嵌入式控制器主板啟動程序BootLoader、Linux內(nèi)核、根文件系統(tǒng)cramfs、初始化進程、設(shè)備驅(qū)動程序等組成．為應(yīng)用程序提供低層服務(wù)。設(shè)備驅(qū)動程序能夠讓嵌入式操作系統(tǒng)訪問和控制外圍設(shè)備，使這些設(shè)備在該系統(tǒng)下工作。本系統(tǒng)中的設(shè)備驅(qū)動程序有CS8900A網(wǎng)卡驅(qū)動和其他通信接口驅(qū)動，負責(zé)完成系統(tǒng)通訊的低層工作。
(2)應(yīng)用程序設(shè)計
應(yīng)用程序主要運行于嵌入式控制器，負責(zé)收發(fā)和處理數(shù)據(jù)，并對相應(yīng)的外設(shè)進行控制。其流程圖如圖3所示。
嵌入式控制的應(yīng)用程序采用看守進程和指令執(zhí)行進程。看守進程負責(zé)監(jiān)聽RS485總線端口，網(wǎng)絡(luò)端口以及數(shù)據(jù)的傳輸。嵌入式控制器應(yīng)用程序初始化后運行看守進程，一方面監(jiān)聽遠程監(jiān)控站的服務(wù)請求，當(dāng)服務(wù)請求命令到達后，先對命令解析，判斷該命令的執(zhí)行對象，然后將其交給執(zhí)行進程執(zhí)行，另一方面接收分線器發(fā)送的數(shù)據(jù)，讀接收的數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，確定礦井的條件是否在正常范圍內(nèi)，若是，就將處理后的結(jié)果發(fā)送至遠程監(jiān)控站以供進一步處理，否則發(fā)送一緊急中斷信號，觸發(fā)報警器以采取相應(yīng)措施。
Linux串口應(yīng)用開發(fā)，UART為串行通信，操作有數(shù)據(jù)發(fā)、數(shù)據(jù)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(shè)置輸入輸出波特率；④ 使用掩碼設(shè)置數(shù)據(jù)位；⑤ 設(shè)置奇偶校驗位；⑥ 設(shè)置停止位；⑦ 設(shè)置最少字符和等待時間。
3 結(jié)語
本系統(tǒng)采用嵌入式Internet技術(shù)實現(xiàn)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(fā)生有很大的幫助。該系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠性高及抗干擾能力強，達到了預(yù)期的設(shè)計目的。
