基于S3C44B0X的工業(yè)用煤成分分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要:為了檢測工業(yè)用煤中煤與矸石的混合比例，以ARM7芯片S3C44B0X為微處理器，以μClinux為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一個(gè)工業(yè)用煤成分定量分析系統(tǒng)。在應(yīng)用軟件的控制下完成數(shù)據(jù)采集、處理、顯示等任務(wù)，同時(shí)還擴(kuò)展了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口，可以將數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程PC，以備后期分析。系統(tǒng)使用方便，可配備于熱電廠及監(jiān)測部門的化驗(yàn)室，對混合燃料煤的成分進(jìn)行快速定量分析。

關(guān)鍵詞:S3C44B0X; μClinux; γ射線; 煤成分

中圖分類號:TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號:1004-373X(2010)13-0168-03

S3C44B0X-based Design of Ingredient Analysis System for Industrial Used Coal

XU Hang， ZHANG Bin， NIU Ling-xin， LUO Chuang， ZHAO Shu-jun

(Physics Engineering School， Zhengzhou University， Zhengzhou 450001， China)

Abstract: A quantitative ingredient analysis system of the industrial used coal was designed with μclinux as a real-time operating system and ARM7 chip S3C44B0X as a processor to examine the mixture proportion of the coal and the gangue in the industrial used coa. The data collection， processing and display are finished under the control of an application software. Meanwhile， a network interface is also expanded to transfer the data to a long-distance PC for later analyzes. This system is easy to operate， and can be used in the thermal power plant and laboratories of monitoring units to give a fast quantitative ingredient analysis of the coal.

Keywords: S3C44B0X; μClinux; γ ray; ingredient of coal

煤矸石是采煤和洗煤過程中排放的固體廢物，是一種在成煤過程中與煤層伴生的黑灰色巖石[1]。全國現(xiàn)有矸石山1 500余座，堆積量30億噸以上，占中國工業(yè)固體廢物排放總量的40%以上。煤矸石的大量堆放，不僅占用土地資源，而且造成環(huán)境污染。用洗中煤和矸石混燒發(fā)電，是解決污染的有效途徑[1]。2009年，煤矸石綜合利用量3.9億噸以上，利用率達(dá)到70%以上。如何快速、精確地定量分析混合燃料中煤與矸石的搭配比例，就成為監(jiān)管部門及企業(yè)需要解決的問題。為解決上述問題，本文基于ARM7芯片S3C44B0X，設(shè)計(jì)了一個(gè)集數(shù)據(jù)采集、處理、顯示為一體的嵌入式定量分析系統(tǒng)，并可以通網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程PC。

1 系統(tǒng)原理及總體方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)原理

241Am是一種低能γ射線，它與物質(zhì)的相互作用主要是光電效應(yīng)。不同物質(zhì)由于原子序數(shù)不同，對γ射線的質(zhì)量系數(shù)也明顯不同[2]，意味著按不同比例配制的煤與矸石的混合燃料，其吸收系數(shù)會(huì)發(fā)生明顯變化，因此通過放射性強(qiáng)度的測量，可以分析混合燃料中煤與矸石的混合比例。

用單能、窄束γ射線照射混合燃料，經(jīng)理論推導(dǎo)可得:

αc=(μρ-μg)/(μc-μg)

(1)

αg=1-αc=(μρ-μc)/(μg-μc)

(2)

μm=-ln(I/I0)/ρd

(3)

ρ=W/V

(4)

式中:αc，αg分別為混合燃料中煤、矸石的重量百分比;μc，μg，μρ分別為煤、矸石、混合燃料的質(zhì)量吸收系數(shù);μm為待測的質(zhì)量吸收系數(shù);I0，I分別為γ射線穿過物體前、后的強(qiáng)度;V為標(biāo)準(zhǔn)樣品盒的凈容積，d為盒內(nèi)樣品厚度，二者均可看作已知常量;ρ為樣品密度[3-5]。

因此只需要測出γ射線照射混合燃料前后的強(qiáng)度及混合燃料的質(zhì)量，就可以計(jì)算出煤、矸石的重量百分比。

1.2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要包括γ射線源、探測器、數(shù)據(jù)采集電路、精密電子天平、S3C44B0X硬件平臺(tái)、LCD顯示屏、網(wǎng)絡(luò)接口。硬件框圖如圖1所示。

系統(tǒng)的核心是S3C44B0X微處理器，它是Samsung公司推出的16/32 b RISC處理器，采用25 V ARM7TDMI內(nèi)核，025 μm工藝的COMS標(biāo)準(zhǔn)宏單元和存儲(chǔ)編譯器。它提供了豐富的內(nèi)置部件，主要包括8 KB Cache、內(nèi)部SRAM、帶自動(dòng)握手的2通道URAT、4通道DMA、系統(tǒng)管理器、RTC、I/O端口、LCD控制器等，很好地滿足了系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。S3C44B0X可以很方便地?cái)U(kuò)展一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸。另外S3C44B0X提供了70多個(gè)I/O端口，極大地方便了以后的功能擴(kuò)展[6-7]。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

信號采集電路采集γ射線的能量信號，精密電子天平同步測量混合燃料的質(zhì)量信號，并通過RS 232串口將數(shù)據(jù)傳送到處理器，S3C44B0X對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到煤與矸石的混合比例，將其顯示在LCD屏上，同時(shí)可以通過網(wǎng)絡(luò)接口將數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程PC，以備后期分析。

2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

2.1 γ射線強(qiáng)度檢測部分

由探測器、線性放大電路、脈沖幅度分析電路等幾部分組成，原理框圖如圖2所示。

圖2 γ射線強(qiáng)度檢測框圖

NaI閃爍探測器輸出與入射γ射線成正比的脈沖信號，入射γ射線強(qiáng)度越大，單位時(shí)間內(nèi)探測器輸出的脈沖數(shù)就越多[8]。

線性放大電路對探測器輸出的脈沖進(jìn)行放大整形，以滿足后接信號處理設(shè)備的要求。LM138集成運(yùn)算放大器具有15 MHz帶寬，轉(zhuǎn)換速度達(dá)50 V/μs， LM138先對γ脈沖進(jìn)行放大，然后進(jìn)行(CR)2-(RC)2成形，最后由緩沖放大器輸出。

脈沖幅度分析電路由2個(gè)甄別器和1個(gè)反符合電路組成。2個(gè)甄別器分別設(shè)定計(jì)數(shù)脈沖的上下閾值，上下閾值之差即為道寬，反符合電路輸出此設(shè)定道寬內(nèi)的脈沖。如圖3所示。

圖3 脈沖幅度分析電路

脈沖幅度分析電路的上下閾值選取γ射線的全能峰脈沖，送到微處理器的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)落在此道寬內(nèi)的脈沖計(jì)數(shù)即可測得γ射線強(qiáng)度。

2.2 質(zhì)量信號采集部分

系統(tǒng)選用JA2003精密電子天平測量混合燃料的質(zhì)量，它采用專利陶瓷電容稱重技術(shù)，內(nèi)部集成一個(gè)用戶溫度補(bǔ)償電路，具有測量精度高等優(yōu)點(diǎn)。JA2003帶有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的RS 232接口，可以很方便地實(shí)現(xiàn)和S3C44B0X之間的通信。

當(dāng)天平與S3C44B0X連接時(shí)，可以使用立即打印符“#”進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，天平將顯示的數(shù)據(jù)以字符串的形式傳送給處理器。數(shù)據(jù)格式如下:

+/- 1 2 3 4 5 6 . C0  C1  C2  C3  CRLF

前六個(gè)為數(shù)字區(qū)，前面通常有符號(+或-)。C0為空格，當(dāng)天平被設(shè)定為自動(dòng)模式時(shí)C1為空格，C2表示傳出單位，如果天平設(shè)定的單位為克時(shí)，則傳送“g”，C3表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，空格表示不穩(wěn)定，“s”表示傳輸穩(wěn)定，CR、LF分別代表回車和換行符。

2.3 網(wǎng)絡(luò)傳輸部分

RTL8019AS是臺(tái)灣Realtek公司生產(chǎn)的以太網(wǎng)控制器，適應(yīng)于EthernetⅡ，IEEE 802.3，全雙工，收發(fā)可同時(shí)達(dá)到10 Mb/s的速率，支持8 b、16 b的數(shù)據(jù)總線。RTL8019AS內(nèi)部可分為本地DMA通道和遠(yuǎn)程DMA通道，本地DMA完成控制器與網(wǎng)線的數(shù)據(jù)交換，主處理器收發(fā)數(shù)據(jù)只需要對遠(yuǎn)程DMA進(jìn)行操作。RTL8019AS與S3C44B0X的鏈接如圖4所示。

圖4 S3C44B0X與RTL8019AS接口原理圖

當(dāng)系統(tǒng)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，D[0:15]數(shù)據(jù)通過遠(yuǎn)程DMA送到RTL8019AS發(fā)送緩存區(qū)，然后發(fā)出傳送命令，RTL8019AS完成上一幀的發(fā)送后，再完成此幀的發(fā)送。接收數(shù)據(jù)時(shí)D[0:15]數(shù)據(jù)經(jīng)74F163245反相后傳給處理器。

同時(shí)還擴(kuò)展了一個(gè)8.4英寸640×480的TFT LCD屏，作為人機(jī)界面。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用μClinux操作系統(tǒng)，它在標(biāo)準(zhǔn)的Linux基礎(chǔ)上進(jìn)行了適當(dāng)?shù)牟眉艉蛢?yōu)化，形成了一個(gè)高度優(yōu)化、代碼緊湊的Linux。雖然體積小，但仍然保留了Linux的大多數(shù)優(yōu)點(diǎn)，非常適合嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用。

在μClinux內(nèi)核基礎(chǔ)上，編寫了RS 232串口驅(qū)動(dòng)程序、LCD驅(qū)動(dòng)程序和網(wǎng)絡(luò)接口驅(qū)動(dòng)程序。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序屏蔽了是硬件細(xì)節(jié)，這樣操作系統(tǒng)可以像操作普通文件一樣對其進(jìn)行讀寫操作。

為了長期保存數(shù)據(jù)，系統(tǒng)在μClinux編譯時(shí)添加了JFFS2文件系統(tǒng)。操作系統(tǒng)通過JFFS2文件系統(tǒng)管理FLASH空間，不僅可以保存系統(tǒng)設(shè)置的各種參數(shù)，還可以將采集到的數(shù)據(jù)以文件形式保存在FLASH中，即使掉電也不會(huì)丟失。

本地軟件在Linux下用C語言編寫，并通過交叉編譯得到適合在μClinux運(yùn)行的程序。本應(yīng)用采用多線程編程，將系統(tǒng)工作劃分為γ射線強(qiáng)度檢測線程、串口通信線程、數(shù)據(jù)處理線程、LCD顯示線程、網(wǎng)絡(luò)傳輸線程。各線程是相對獨(dú)立的工作子模塊，可以同時(shí)工作，有利于提高實(shí)時(shí)性[9]。

γ射線強(qiáng)度檢測線程負(fù)責(zé)采集脈沖信號;串口通信線程負(fù)責(zé)采集煤與矸石混合燃料的質(zhì)量信號;數(shù)據(jù)處理線程負(fù)責(zé)對采集到的兩路數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分別得到煤、矸石的混合比例;LCD顯示線程顯示煤、矸石的混合比例;網(wǎng)絡(luò)傳輸線程將處理得到的數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程PC。

4 結(jié) 語

基于S3C44B0X微處理器的工業(yè)用煤成分定量分析系統(tǒng)，其電路設(shè)計(jì)簡單、易于操作、可靠性強(qiáng)，具有良好的人機(jī)界面。可配備于熱電廠及監(jiān)測部門的化驗(yàn)室，對混合燃料的成分進(jìn)行快速定量分析。

由于矸石本身含有一定量的煤，減小了矸石與煤的區(qū)分度，造成測量誤差[10]。因此，如何合理選擇混合燃料質(zhì)量吸收系數(shù)測量時(shí)的修正值，就成為精確測量的關(guān)鍵，可以通過大量實(shí)驗(yàn)確定。

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