隨著微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，嵌入式技術(shù)得到了廣闊的發(fā)展空間。特別是進入20世紀(jì)90年代以來，嵌入式技術(shù)的發(fā)展和普及更為引人注目，已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)控制、通信類和消費類產(chǎn)品發(fā)展的方向。在煤炭開采工業(yè)中，瓦斯是危害礦井安全生產(chǎn)的重要因素之一。目前的煤礦瓦斯預(yù)測系統(tǒng)大多是將影響瓦斯涌出的物理量如濃度、濕度、風(fēng)速等發(fā)送至井上的中心管理系統(tǒng)中進行分析預(yù)測，預(yù)測信息難以及時反應(yīng)到井下作業(yè)人員及系統(tǒng)，從而導(dǎo)致不能在第一時間作出反應(yīng)。基于嵌入式的瓦斯涌出量預(yù)測系統(tǒng)便于在井下不同的開采區(qū)安裝，對當(dāng)前開采區(qū)傳感器數(shù)據(jù)進行處理分析，并預(yù)測出該開采區(qū)的瓦斯涌出量信息，各個開采區(qū)之間不但彼此可以相互通信，而且可以與上位機進行實時交互。
1 總體設(shè)計
瓦斯傳感器將被測物理量瓦斯涌出量轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換采樣，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，在ARM處理器中處理。基于ARM920T內(nèi)核的S3C2440核心板帶有內(nèi)置STN/CSTN/TFT LCD控制器，支持1 024×768分辨率以下的各種液晶，用于顯示預(yù)測信息、檢測量、檢測時間等。內(nèi)置4線制電阻式觸摸屏控制器，用于用戶與系統(tǒng)的交互，也可以通過鍵盤對系統(tǒng)參數(shù)等進行設(shè)置。100 Mbit/s 以太網(wǎng)控制器，用于與上位PC的雙向信息傳遞。系統(tǒng)的軟件開發(fā)是在Fedora Linux環(huán)境下基于QT設(shè)計的。QT是挪威的Trolltech 公司開發(fā)的一個開源的、跨平臺的C++圖形用戶界面應(yīng)用程序框架。它提供給應(yīng)用程序開發(fā)者建立藝術(shù)級的圖形用戶界面所需的所用功能。QT完全面向?qū)ο螅苋菀讛U展，并且允許真正地組件編程。系統(tǒng)依據(jù)分源法[1，2]將礦井各個開采面分為不同的瓦斯涌出源，建立瓦斯分源預(yù)測模型，經(jīng)過換算得到預(yù)測數(shù)據(jù)并顯示。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
2 硬件設(shè)計
2.1 芯片及存儲器設(shè)計
系統(tǒng)選用了三星公司基于ARM 9 內(nèi)核的S3C2440嵌入式處理器。S3C2440被廣泛應(yīng)用于PDA、移動通信、路由器、工業(yè)控制等領(lǐng)域, 芯片中集成了下列模塊: 16 KB指令Cache、16 KB數(shù)據(jù)Cache、MMU、外部存儲器控制器、LCD控制器、NAND Flash控制器、4通道PWM 定時器和1個內(nèi)部定時器、168腳通用GPIO、實時時鐘、8通道10 bit的AD和觸摸屏接口、標(biāo)準(zhǔn)20 pin JTAG調(diào)試接口等。存儲器方面采用標(biāo)準(zhǔn)的64 MB Nand-Flash用于數(shù)據(jù)存儲和64 MB SDRAM用于程序的運行。
2.2 A/D采樣、顯示和接口設(shè)計
A/D轉(zhuǎn)換單元采用MAX1297AEEG實現(xiàn)12位并行模數(shù)轉(zhuǎn)換，直接與核心板的I/O線連接，如圖2所示。由于S3C2440自帶有LCD控制器，所以免去了LCD控制器的設(shè)計，顯示屏采用NEC公司的3.5寸的壓電式觸摸LCD，分辨率為240×320。以太網(wǎng)接口采用TC3097F-5芯片。
3 軟件設(shè)計
3.1 BootLoader的移植
BootLoader是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運行之前運行的一段小程序。大多數(shù)BootLoader都分為Stage1 和Stage2 兩大部分。Stage1主要包含依賴于CPU的體系結(jié)構(gòu)硬件初始化的代碼，通常都用匯編語言來實現(xiàn)。這個階段的任務(wù)有：(1)為基本的硬件設(shè)備初始化；(2)為第二階段準(zhǔn)備RAM空間；(3)設(shè)置堆棧并跳轉(zhuǎn)到第二階段的程序入口點。Stage2通常用C語言完成，以便實現(xiàn)更復(fù)雜的功能，也使程序有更好的可讀性和可移植性。這個階段的任務(wù)有：(1)初始化本階段要使用到的硬件設(shè)備，檢測系統(tǒng)內(nèi)存映射；(2)將內(nèi)核映像和根文件系統(tǒng)映像從Flash讀到RAM；(3)為內(nèi)核設(shè)置啟動參數(shù)，調(diào)用內(nèi)核。系統(tǒng)采用韓國MIZI公司開發(fā)的開源BootLoader, 即vivi，對vivi進行必要的裁剪并移植到系統(tǒng)當(dāng)中。
