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。全國(guó)現(xiàn)有矸石山1500余座，堆積量30億噸以上，占中國(guó)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。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" title="ARM7">ARM7芯片S3C44BOX" title="S3C44BOX">S3C44BOX，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
它是一種低能γ射線，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(duì)γ射線的質(zhì)量系數(shù)也明顯不同，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(cè)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：
式中：αc，αg分別為混合燃料中煤、矸石的重量百分比；μc，μg，μp分別為煤、矸石、混合燃料的質(zhì)量吸收系數(shù)；μm為待測(cè)的質(zhì)量吸收系數(shù)；I0，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。
因此只需要測(cè)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(cè)器、數(shù)據(jù)采集電路、精密電子天平、S3C44BOX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S3C44BOX微處理器，它是Samsung公司推出的16／32 b RISC處理器，采用2．5 VARM7TDMI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、RT-C、I／O端口、LCD控制器等，很好地滿足了系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。S3C44BOX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S3C44BOX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。
信號(hào)采集電路采集γ射線的能量信號(hào)，精密電子天平同步測(cè)量混合燃料的質(zhì)量信號(hào)，并通過RS 232串口將數(shù)據(jù)傳送到處理器，S3C44BOX對(duì)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(cè)部分
由探測(cè)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。
NaI閃爍探測(cè)器輸出與入射γ射線成正比的脈沖信號(hào)，入射γ射線強(qiáng)度越大，單位時(shí)間內(nèi)探測(cè)器輸出的脈沖數(shù)就越多。
線性放大電路對(duì)探測(cè)器輸出的脈沖進(jìn)行放大整形，以滿足后接信號(hào)處理設(shè)備的要求。LMl38集成運(yùn)算放大器具有15 MHz帶寬，轉(zhuǎn)換速度達(dá)50 V／μs，LMl38先對(duì)γ脈沖進(jìn)行放大，然后進(jìn)行成形，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。
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(cè)得γ射線強(qiáng)度。
2．2 質(zhì)量信號(hào)采集部分
系統(tǒng)選用JA2003精密電子天平測(cè)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(cè)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S3C44BOX之間的通信。
當(dāng)天平與S3C44BOX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 ． CO C1 C2 C3 CR LF前六個(gè)為數(shù)字區(qū)，前面通常有符號(hào)(+或-)。C0為空格，當(dāng)天平被設(shè)定為自動(dòng)模式時(shí)C1為空格，C2表示傳出單位，如果天平設(shè)定的單位為克時(shí)，則傳送“g”，C3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(duì)遠(yuǎn)程DMA進(jìn)行操作。RTL8019AS與S3C44BOX的鏈接如圖4所示。
當(dāng)系統(tǒng)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，D[O：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。TFTLCD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(duì)其進(jìn)行讀寫操作。
為了長(zhǎng)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J17FS2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(yǔ)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(cè)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(duì)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。
γ射線強(qiáng)度檢測(cè)線程負(fù)責(zé)采集脈沖信號(hào)；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(hào)；數(shù)據(jù)處理線程負(fù)責(zé)對(duì)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(yǔ)
基于S3C44BOX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(jiǎn)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(cè)部門的化驗(yàn)室，對(duì)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(cè)量誤差。因此，如何合理選擇混合燃料質(zhì)量吸收系數(shù)測(cè)量時(shí)的修正值，就成為精確測(cè)量的關(guān)鍵，可以通過大量實(shí)驗(yàn)確定。