ARM—Linux嵌入式系统在煤矿井下的应用

李文江，徐宏雷 ，孙健

摘要：为实现矿井中温度、压力和气体浓度三因素数据的远程数据采集，引入嵌入式ARM9微处理器和Linux嵌入式操作系统技术，设计了一种基于TCP／IP协议的嵌入式远程实时数据采集方案，可帮助系统运行稳定、可靠性高及抗干扰能力强。

1 系统硬件结构设计

(1)系统结构组成

    本系统由嵌入式控制器、远程监控站、前端数据采集器及相应的分线器组成。前端传感器有温度、压力及气体浓度采集器。系统结构如图1所示。

(2)系统硬件设计

系统硬件设计的核心是嵌入式控制器，其硬件组成结构如图2所示。

1)ARM—S3C2410芯片。北京ARM开发板处理器是ARM(Advanced RISC Machines)公司通过授权方式，由不同芯片厂商生产的基于ARM核的位处理器芯片，S3C2440是三星公司推出的一款功能强大，功耗极低的ARM9嵌入式CPU。其主要特征有：

a．200 MHz的ARM920T内核，支持JTAG仿真调试。

b．外部存储器控制(SDRAM控制和片选逻辑)，分8个Bank，每个Bank可访问128 M空间。

C．片内4 KB SRAM，可用作NAND Flash系统引导。

d．LCD控制器(最大支持4 K色STN和256 K色T )，1通道LCD专用DMA等。这种高度集成化不仅方便系统的硬件设计，而且提高了系统的稳定性和可靠性?

2)系统环境Linux的主要特点

a．采用模块化设计，源代码完全开放，任何人都可以根据需要任意修改并在GUN协议下发行。

b．具有强大的网络功能，能提供各种网络服务。

c．具有丰富的软件资源，几乎所有的Unix下的应用软件都可移植到Linux平台上。

d．支持多种体系结构，如ARM、SPARC、X86等。

(3)系统工作原理

    温度采集器主要部分是温度传感器PH100TMPA，具有分辨率精确和准确度高；压力采集器采用陕西红翔科技开发有限公司的GD一307，能自动将工作面的顶板压力转变为标准电信号传送给相关设备；气体浓度采集器采用意大利的OGGI防爆气体传感器，它具有灵敏度高，能够测量O ／NH，／CO／H：S等多种气体。分线器的硬件部分为单片机AT89S52和串行电平接口芯片MAX483，主要用作数据传输和控制信号寻址，远程控制站是一台PC机及其所需配套器件。

    嵌入式控制器通过基于TCP／IP协议的以太网和远程控制站连接，使用RS485现场总线与分线器连接。前端采集器分布在矿井中的各个监控点，负责实时地采集压、温度和井下气体浓度数据，然后将采集到的数据经分线器通过RS485现场总线上传导嵌入式控制器。分散器接收嵌入式控制器的控制信号，切换相应的检测点，并将前端传感器采集到的数据上传到嵌入式控制器。嵌入式控制器负责接收各个前端传感器上传的数据，并对这些数据进行实时处理，再将这些处理后的结果经以太网发送到远程监测站供技术人员做进一步的分析。

2 软件设计

(1)系统运行环境

    系统运行环境主要有嵌入式控制器主板启动程序BootLoader、Linux内核、根文件系统cramfs、初始化进程、设备驱动程序等组成．为应用程序提供低层服务。设备驱动程序能够让嵌入式操作系统访问和控制外围设备，使这些设备在该系统下工作。本系统中的设备驱动程序有CS8900A网卡驱动和其他通信接口驱动，负责完成系统通讯的低层工作。

(2)应用程序设计

    应用程序主要运行于嵌入式控制器，负责收发和处理数据，并对相应的外设进行控制。其流程图如图3所示。

     嵌入式控制的应用程序采用看守进程和指令执行进程。看守进程负责监听RS485总线端口，网络端口以及数据的传输。嵌入式控制器应用程序初始化后运行看守进程，一方面监听远程监控站的服务请求，当服务请求命令到达后，先对命令解析，判断该命令的执行对象，然后将其交给执行进程执行，另一方面接收分线器发送的数据，读接收的数据进行标准化处理，确定矿井的条件是否在正常范围内，若是，就将处理后的结果发送至远程监控站以供进一步处理，否则发送一紧急中断信号，触发报警器以采取相应措施。

    Linux串口应用开发，UART为串行通信，操作有数据发、数据收、中断、波特率，模式有Loopback、红外、自动流控。Arm与串口通信配置：① 保存原来串口配置；② 激活本地连接和接收使能；③ 设置输入输出波特率；④ 使用掩码设置数据位；⑤ 设置奇偶校验位；⑥ 设置停止位；⑦ 设置最少字符和等待时间。

3 结语

    本系统采用嵌入式Internet技术实现了矿井下的温度、湿度和气体浓度的在线实时检测，可随时检测井下的状况，对于防止井下事故的发生有很大的帮助。该系统运行稳定、可靠性高及抗干扰能力强，达到了预期的设计目的。