基于Cortex-M4内核的智能瓦斯检测仪的设计

薛席 刘贯营

（安徽理工大学 电气与信息工程学院，安徽 淮南 232001）

瓦斯是煤矿生产的伴生物，其主要成分是甲烷，易燃易爆，是威胁煤矿安全生产的头等灾害。给国家和人民的生命财产带来重大的损失。因此，开发研制出能够准确快速的检测瓦斯浓度的设备，有效防止和避免因瓦斯浓度超限而引起瓦斯爆炸成为关键问题。传统的瓦斯检测仪大都是基于8位单片机控制的，不同程度的存在着功能单一、工作时间短、性能不稳定、误报动作和升级困难等问题。本文设计的是以ARM Cortex-M4内核控制器为核心利用红外传输功能的智能自动化仪表。利用ARM和计算机强大的数据处理能力，可对瓦斯实时的进行检测，同时可以对传感器进行自校零和线性划处理。当瓦斯浓度超过预定值是发出报警。而且Cortex-M4内核的低功耗、高速16位模数转换器、12位数模转换器及性价比方面具有极大的优势，大大提高了仪器的性能，提高了井下人员的安全性，非常适合煤矿井下的环境。

1 系统电路组成及工作原理

瓦斯浓度监测报警系统由瓦斯浓度传感器，微控制器和计算机数据处理等软硬件组成。瓦斯浓度传感器首先采集现场信号，转化为电信号经过放大电路送入A/D电路转化为数字信号传给微控制器处理，微控制器经过计算得到瓦斯的浓度，在LCD液晶屏上显示，同时利用红外发射模块将数据送出到地面监控站的PC机，PC机对数据进一步分析，保存和绘制曲线。当浓度超过界限时，启动声光报警电路，同时为了防止高浓度瓦斯的冲击，当瓦斯浓度大于最大设定值时关断传感器电源，以延长传感器的寿命。系统工作原理图如图1所示。

图1 系统工作原理图

2 硬件电路设计

2.1 Cortex-M4内核微处理器K60N512

Cortex-M4内核是在Cortex-M3内核的基础上发展起来的，其性能比Cortex-M3提高了20%。Cortex-M4在Cortex-M3的基础上强化了运算能力，新加了浮点运算控制器、DSP和并行计算等。K60N512芯片是基于M4内核集成度最高的芯片，主频高达100MHZ，32路DMA供外设和存储器使用，大大提高了CPU利用率，4路差分的16位AD转换和2路12位DA转换等资源，极大的提高了系统的稳定性和可靠性。

2.2 催化燃烧式瓦斯传感器

市场上各种瓦斯检测仪在煤矿生产中发挥着重要作用，表1是通用瓦斯检测仪的性能比较。

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催化燃烧法是通过加热催化元件来实现对有机物的完全氧化，催化传感原件由掺有贵金属催化剂Pt或Pd的Al2O3多孔陶瓷体中Pt丝线圈构成。当可燃性气体在催化剂元件表面燃烧时，元件表面温度升高引起了Pt丝电阻的变化，根据电阻的变化来测量气体浓度。国外用的大多数是红外甲烷传感器，但是该传感器对环境的要求比较高，而国内的煤矿井下环境都比较恶劣，再加上性价比的考虑，本文选用催化燃烧式瓦斯检测传感器。最终系统选用MJC4/3.0J型催化元件。

2.3 无线传输模块

考虑到煤矿井下环境恶劣等技术指标，本设计方案采用nRF2401无线芯片，nRF2401是单片射频收发芯片，工作于2.4～2.5GHZ ISM频段，具有非常低的芯片能耗。nRF2401内置地址解码器、先入先出堆栈区、解调处理器、时钟处理器、GFSK滤波器、频率合成器，功率放大器等功能模块，需要很少的外围元件，使用起来非常方便。nRF2401应用电路如图2所示。

图2 nRF2401应用电路

3 软件设计

FreeRTOS是由InterNiche公司在2005年开发的一个开源的免费多任务实时操作系统。可配置的任务调度方式，执行效率高，最小的配置仅需要0.5K的RAM资源和约1K的FLASH资源[5]。用户花很少的时间就可以灵活运用它。Cortex-M4处理器强大的功能简化了设计的步骤，应用软件采用C编写，模块化程序设计使每一个任务独立开来，方便设计、编程、测试和查错，最后一起实现应用程序的功能。本设计的任务有：

1)声光报警任务，

2)设备欠压报警任务，

3)防高浓度冲击自关断任务，

4)零点漂移自校正任务，

5)数据采集任务，

6)无线数据传输任务。采用优先级调度的方法使每个任务顺利运行。

结语

经过连续的实验室测试，此系统最大误差小于0.03%，足以提高煤矿开采作业的安全等级。以新型的32位ARM Cortex-M4内核控制器为核心搭建的瓦斯检测系统，具有精度高、速度快，而且资源丰富，便于功能的扩展，可以在本系统的基础上加上温湿度等的测量功能。具有良好的应用前景。

[1]路秋英.郝国法等.基于51单片机和VB6.0的瓦斯浓度监测系统 [J].工矿自动化，2008(1):48-50.

[2]王峰.智能型瓦斯检测报警仪设计[J].2011.3(1):70-71.

[3]柴化鹏，冯锋等.瓦斯传感器的研究进展[J].山西大同大学学报(自然科学版)，2009，6(3):27～30.

[4]K60 Sub-Family Reference Manual.2011 http://www.freescale.com.

[5]Freescale MQX RTOS Reference Manual.2011 http://www.freescale.com/mqx.