基于S3C44B0X的工业用煤成分分析系统设计

煤矸石是采煤和洗煤过程中排放的固体废物，是一种在成煤过程中与煤层伴生的黑灰色岩石。全国现有矸石山1500余座，堆积量30亿吨以上，占中国工业固体废物排放总量的40％以上。煤矸石的大量堆放，不仅占用土地资源，而且造成环境污染。用洗中煤和矸石混烧发电，是解决污染的有效途径。2009年，煤矸石综合利用量3．9亿吨以上，利用率达到70％以上。如何快速、精确地定量分析混合燃料中煤与矸石的搭配比例，就成为监管部门及企业需要解决的问题。为解决上述问题，本文基于ARM7芯片S3C44BOX，设计了一个集数据采集、处理、显示为一体的嵌入式定量分析系统，并可以通网络将数据传送到远程PC。

1 系统原理及总体方案设计
1．1 系统原理
     是一种低能γ射线，它与物质的相互作用主要是光电效应。不同物质由于原子序数不同，对γ射线的质量系数也明显不同，意味着按不同比例配制的煤与矸石的混合燃料，其吸收系数会发生明显变化，因此通过放射性强度的测量，可以分析混合燃料中煤与矸石的混合比例。
    用单能、窄束γ射线照射混合燃料，经理论推导可得：
   
式中：αc，αg分别为混合燃料中煤、矸石的重量百分比；μc，μg，μp分别为煤、矸石、混合燃料的质量吸收系数；μm为待测的质量吸收系数；I0，I分别为γ射线穿过物体前、后的强度；V为标准样品盒的净容积，d为盒内样品厚度，二者均可看作已知常量；ρ为样品密度。
    因此只需要测出γ射线照射混合燃料前后的强度及混合燃料的质量，就可以计算出煤、矸石的重量百分比。
1．2 系统总体方案设计
    系统主要包括γ射线源、探测器、数据采集电路、精密电子天平、S3C44BOX硬件平台、LCD显示屏、网络接口。硬件框图如图1所示。

    系统的核心是S3C44BOX微处理器，它是Samsung公司推出的16／32 b RISC处理器，采用2．5 VARM7TDMI内核，0．25／μm工艺的COMS标准宏单元和存储编译器。它提供了丰富的内置部件，主要包括8 KB Cache、内部SRAM、带自动握手的2通道URAT、4通道DMA、系统管理器、RT-C、I／O端口、LCD控制器等，很好地满足了系统设计要求。S3C44BOX可以很方便地扩展一个网络接口，实现数据的网络传输。另外S3C44BOX提供了70多个I／O端口，极大地方便了以后的功能扩展。
    信号采集电路采集γ射线的能量信号，精密电子天平同步测量混合燃料的质量信号，并通过RS 232串口将数据传送到处理器，S3C44BOX对采集到的数据进行处理，得到煤与矸石的混合比例，将其显示在LCD屏上，同时可以通过网络接口将数据传送到远程PC，以备后期分析。

2 系统功能模块设计
2．1 γ射线强度检测部分
    由探测器、线性放大电路、脉冲幅度分析电路等几部分组成，原理框图如图2所示。

    NaI闪烁探测器输出与入射γ射线成正比的脉冲信号，入射γ射线强度越大，单位时间内探测器输出的脉冲数就越多。
    线性放大电路对探测器输出的脉冲进行放大整形，以满足后接信号处理设备的要求。LMl38集成运算放大器具有15 MHz带宽，转换速度达50 V／μs，LMl38先对γ脉冲进行放大，然后进行成形，最后由缓冲放大器输出。
    脉冲幅度分析电路由2个甄别器和1个反符合电路组成。2个甄别器分别设定计数脉冲的上下阈值，上下阈值之差即为道宽，反符合电路输出此设定道宽内的脉冲。如图3所示。

    脉冲幅度分析电路的上下阈值选取γ射线的全能峰脉冲，送到微处理器的计数器计数，根据单位时间内落在此道宽内的脉冲计数即可测得γ射线强度。
2．2 质量信号采集部分
    系统选用JA2003精密电子天平测量混合燃料的质量，它采用专利陶瓷电容称重技术，内部集成一个用户温度补偿电路，具有测量精度高等优点。JA2003带有一个标准的RS 232接口，可以很方便地实现和S3C44BOX之间的通信。
    当天平与S3C44BOX连接时，可以使用立即打印符“#”进行数据传送，天平将显示的数据以字符串的形式传送给处理器。数据格式如下：
+／- 1 2 3 4 5 6 ． CO C1 C2 C3 CR LF前六个为数字区，前面通常有符号(+或-)。C0为空格，当天平被设定为自动模式时C1为空格，C2表示传出单位，如果天平设定的单位为克时，则传送“g”，C3表示数据传输的稳定性，空格表示不稳定，“s”表示传输稳定，CR、LF分别代表回车和换行符。
2．3 网络传输部分
    RTL8019AS是台湾Realtek公司生产的以太网控制器，适应于EthernetⅡ，IEEE 802．3，全双工，收发可同时达到10 Mb／s的速率，支持8 b、16 b的数据总线。RTL8019AS内部可分为本地DMA通道和远程DMA通道，本地DMA完成控制器与网线的数据交换，主处理器收发数据只需要对远程DMA进行操作。RTL8019AS与S3C44BOX的链接如图4所示。

    当系统向网络发送数据时，D[O：15]数据通过远程DMA送到RTL8019AS发送缓存区，然后发出传送命令，RTL8019AS完成上一帧的发送后，再完成此帧的发送。接收数据时D[0：15]数据经74F163245反相后传给处理器。
    同时还扩展了一个8．4英寸640×480的。TFTLCD屏，作为人机界面。

3 软件设计
    系统选用μClinux操作系统，它在标准的Linux基础上进行了适当的裁剪和优化，形成了一个高度优化、代码紧凑的Linux。虽然体积小，但仍然保留了Linux的大多数优点，非常适合嵌入式系统的应用。
    在μClinux内核基础上，编写了RS 232串口驱动程序、LCD驱动程序和网络接口驱动程序。设备驱动程序屏蔽了是硬件细节，这样操作系统可以像操作普通文件一样对其进行读写操作。
    为了长期保存数据，系统在μClinux编译时添加了JFFS2文件系统。操作系统通过J17FS2文件系统管理FLASH空间，不仅可以保存系统设置的各种参数，还可以将采集到的数据以文件形式保存在FLASH中，即使掉电也不会丢失。
    本地软件在Linux下用C语言编写，并通过交叉编译得到适合在μClinux运行的程序。本应用采用多线程编程，将系统工作划分为γ射线强度检测线程、串口通信线程、数据处理线程、LCD显示线程、网络传输线程。各线程是相对独立的工作子模块，可以同时工作，有利于提高实时性。
    γ射线强度检测线程负责采集脉冲信号；串口通信线程负责采集煤与矸石混合燃料的质量信号；数据处理线程负责对采集到的两路数据进行处理，分别得到煤、矸石的混合比例；LCD显示线程显示煤、矸石的混合比例；网络传输线程将处理得到的数据传送到远程PC。

4 结语
    基于S3C44BOX微处理器的工业用煤成分定量分析系统，其电路设计简单、易于操作、可靠性强，具有良好的人机界面。可配备于热电厂及监测部门的化验室，对混合燃料的成分进行快速定量分析。
    由于矸石本身含有一定量的煤，减小了矸石与煤的区分度，造成测量误差。因此，如何合理选择混合燃料质量吸收系数测量时的修正值，就成为精确测量的关键，可以通过大量实验确定。