基于嵌入式GUI的礦用瓦斯檢測儀的研究★

申海生，和衛紅，趙春洲，周文錚，劉雨竹

（1.潞安化工集團有限公司慈林山煤業有限公司李村煤礦，山西 長治 046000；2.遼寧工程技術大學，遼寧 葫蘆島 125000）

引言

近年許多礦區建立多設備組成的瓦斯監控系統，但礦下情況復雜，礦區中心站PC 機對環境適應能力較差，易受礦區惡劣環境干擾，且存在信息檢測智能化強度不高、運行速度慢等問題[1]。嵌入式的發展為其在礦下瓦斯終端提供了良好平臺，具有強實時性、抗干擾、低功耗的新型嵌入式監控終端能夠完全在惡劣煤礦現場完成工作[2]。通過采用實時操作系統，可以為上層程序提供高穩定性及可預測性[3]；通過圖形用戶接口（Graphical User Interface，簡稱GUI）方便對數據的處理，可實現監控終端與監控中心的無縫集成，為實時交互，通訊功能需求較高的煤礦現場創造了良好條件。

1 瓦斯檢測儀系統的設計

檢測儀系統采用主從機通信結構模式，對井下數據進行實時顯示和監控。監控中心機為主機，不同檢測儀分布在各井口井下。便攜式攜帶來監控煤礦現場并通過無線方式與主機進行通信[4]。硬件平臺通過無線方式實時獲取井下監控系統采集的瓦斯數據，數據包頭、包尾、提取有效數據由實時操作系統μC/OS-II 拆除并暫存。數據被Wince 操作系統提取，并被進行算法分析及圖形化顯示，得到兩種顯示效果，實時數據的顯示和歷史數據的曲線顯示，監控中心機接受被轉回的數據并進行進一步處理，礦用智能瓦斯檢測儀設計方案如圖1 所示。

圖1 礦用智能檢測儀設計方案

2 瓦斯傳感器數據的融合重構

將傳統最小二乘多項式擬合（Least Square 簡稱LS）與徑向基函數（Radial Basis Function 簡稱RBF）殘差處理相結合，對檢測數據進行融合重構。

2.1 數據擬合預處理

式中：p（x）=[p1（x），…，pm（x）]T，是同m 項完備單項式基函數；a=[a1，…，am]T，為待定系數。基于Taylor 展開LS 多項式擬合，假設傳感器的真實模型為φ（x），近似模型h（x）為k 階多項式，比較h（x）與φ（x）在某點x0的k 階Taylor 展開式：

由式（2）可知，通過提高擬合多項式的階數k（一般k≤4），只能有限改善LS 多項式擬合質量，同時，由于傳感器的非線性令LS 無法選用適合的多項式擬合次數，易造成過擬合或欠擬合[5]。為此，利用徑向基函數RBF 對殘差進行近似處理。

2.2 RBF 殘差近似處理

2.3 LS 與RBF的融合步驟

在LS 多項擬合的基礎上，使用徑向基函數RBF殘差處理結合殘差部分丟失的信息實現數據重構。RBF 擬合與LS 多項式擬合不能直接融合，需要進一步處理。由于RBF 提供的擬合結果不連續和傳感器自身非線性，采用多項式插值方法進行傳感器數據融合。將LS的階次對RBF 擬合結果進行多項式插值，將插值結果與h（x）疊加。數據融合方法與流程如圖2 所示。

圖2 傳感器數據融合高精度重構流程

若g'（x）為g（x）插值結果，則f（x）=h（x）+g'（x）為傳感器數據重構的精確近似模型。

3 瓦斯檢測儀的電路設計

監控終端的中心板使用S3C6410（ARM11）主處理器與協處理器STM32 共同組成，μC/OS-Ⅱ操作系統由STM32 協處理器運行，瓦斯傳感器的數據由核心板進行采集，并驅動無線模塊，以此接收其他部分傳輸的瓦斯數據，并將解析過的數據通過雙核間通信傳送到Wince 系統的上層軟件。弱信號檢測電路和超聲發射電路是瓦斯檢測儀中的兩個特色電路。

3.1 弱信號檢測電路

由于瓦斯傳感器傳輸的信號為模擬的毫伏級電壓信號，故要設計放大處理，設計瓦斯檢測電路如圖3。為增加電壓信號的帶負載能力，先令其經過電壓跟隨電路，然后使用反向比例運算放大電路放大瓦斯模擬信號。

圖3 瓦斯檢測電路

3.2 超聲波發射電路

為避免發射超聲波的振蕩電路產生不穩定的振蕩頻率，驅動原件選取NMOS 和PMOS 高速場效應管，具有低功耗、耐高壓、輸入內阻大等優點。由32主機控制信號控制效應管通斷，并激勵換能器發出超聲波脈沖。STM32的兩個GPIO 口分別與兩路發射電路的NMOS 柵極連接，兩路的超聲波收發電路通過GPIO 口的訪問控制，在某時刻一路發射超聲波，另外一路接收[7]。超聲波的收發電路如圖4 所示。

圖4 超聲波發射電路

nRF2401 無線芯片作為無線模塊，負責無線傳輸處理，PCB 天線作為通信模塊，串行口直接與nRF2401的數據收發端相連，nRF2401 狀態由MCU三個I/O 口控制。

4 瓦斯檢測儀GUI 雙內核系統的設計

系統選用微內核的μC/OS-Ⅱ作為主系統，子系統選用宏內核的Wince，形成一個多層的系統結構。Wince 在μC/OS-Ⅱ體系中作為空轉進程，以進程的形式運行實時任務，賦予最低優先級。在Wince進程空間中執行作為Wince 應用程序的非實時任務。雙系統構架如圖5 所示。在系統中，硬件部分由μC/OS-Ⅱ通過uHAL 硬件抽象層進行訪問，Wince內核產生的中斷請求作為軟件中斷由μC/OS-Ⅱ軟件中斷管理器處理。實時任務調度由實時高度器完成，并可對硬件進行直接的存取[8]。底層系統在μC/OS-Ⅱ中運行，對無線模塊進行驅動控制，實現儀器的智能功能。系統實時跟蹤上層軟件系統指令，保持與上層Wince 系統的內核間通信。

圖5 Wince-μC/OS-II 系統結構

μC/OS-Ⅱ中斷管理器處理Wince 內核的中斷請求，由于不同任務具有不同優先級，在多級系統中，進度調度被分為兩部分。為讓多機系統正確運行，使用混合調度算法，并在μC/OS-Ⅱ中增加負責管理Wince 中斷請求的軟件中斷管理器。按照μC/S-Ⅱ優先級調度算法進行實時進程空間的調度，在Wince 內核中使用多級輪轉反饋調度算法進行非實時進程空間調度。算法流程如圖6 所示。

圖6 μC/OS-Ⅱ混合調度算法

在雙內核系統中，Wince 保證系統靈活性，系統可在內核配置不同應用環境。μC/OS-Ⅱ高效、簡潔的特性保證了系統的實時性。雙內核開源操作系統保證系統具有開放性。

5 結論

1）提出了LS-RBF 數據融合重構方法，對弱非線性傳感器數據進行重構，降低了計算復雜度，提高了數據擬合精度。

2）設計瓦斯檢測儀器特色電路，對微弱檢測信號進行檢測與處理，提高了瓦斯信號采集準確性。

3）構建Wince&μC/OS-II的雙核雙操作GUI平臺，實現了數據的實時提取和解析，提高了瓦斯檢測儀的數據處理能力及實時操作性。