基于嵌入式GUI的矿用瓦斯检测仪的研究★

2021-09-21申海生和卫红赵春洲周文铮刘雨竹

机械管理开发 2021年8期

申海生，和卫红，赵春洲，周文铮，刘雨竹

（1.潞安化工集团有限公司慈林山煤业有限公司李村煤矿，山西长治 046000；2.辽宁工程技术大学，辽宁葫芦岛 125000）

引言

近年许多矿区建立多设备组成的瓦斯监控系统，但矿下情况复杂，矿区中心站PC 机对环境适应能力较差，易受矿区恶劣环境干扰，且存在信息检测智能化强度不高、运行速度慢等问题[1]。嵌入式的发展为其在矿下瓦斯终端提供了良好平台，具有强实时性、抗干扰、低功耗的新型嵌入式监控终端能够完全在恶劣煤矿现场完成工作[2]。通过采用实时操作系统，可以为上层程序提供高稳定性及可预测性[3]；通过图形用户接口（Graphical User Interface，简称GUI）方便对数据的处理，可实现监控终端与监控中心的无缝集成，为实时交互，通讯功能需求较高的煤矿现场创造了良好条件。

1 瓦斯检测仪系统的设计

检测仪系统采用主从机通信结构模式，对井下数据进行实时显示和监控。监控中心机为主机，不同检测仪分布在各井口井下。便携式携带来监控煤矿现场并通过无线方式与主机进行通信[4]。硬件平台通过无线方式实时获取井下监控系统采集的瓦斯数据，数据包头、包尾、提取有效数据由实时操作系统μC/OS-II 拆除并暂存。数据被Wince 操作系统提取，并被进行算法分析及图形化显示，得到两种显示效果，实时数据的显示和历史数据的曲线显示，监控中心机接受被转回的数据并进行进一步处理，矿用智能瓦斯检测仪设计方案如图1 所示。

图1 矿用智能检测仪设计方案

2 瓦斯传感器数据的融合重构

将传统最小二乘多项式拟合（Least Square 简称LS）与径向基函数（Radial Basis Function 简称RBF）残差处理相结合，对检测数据进行融合重构。

2.1 数据拟合预处理

式中：p（x）=[p1（x），…，pm（x）]T，是同m 项完备单项式基函数；a=[a1，…，am]T，为待定系数。基于Taylor 展开LS 多项式拟合，假设传感器的真实模型为φ（x），近似模型h（x）为k 阶多项式，比较h（x）与φ（x）在某点x0的k 阶Taylor 展开式：

由式（2）可知，通过提高拟合多项式的阶数k（一般k≤4），只能有限改善LS 多项式拟合质量，同时，由于传感器的非线性令LS 无法选用适合的多项式拟合次数，易造成过拟合或欠拟合[5]。为此，利用径向基函数RBF 对残差进行近似处理。

2.2 RBF 残差近似处理

2.3 LS 与RBF的融合步骤

在LS 多项拟合的基础上，使用径向基函数RBF残差处理结合残差部分丢失的信息实现数据重构。RBF 拟合与LS 多项式拟合不能直接融合，需要进一步处理。由于RBF 提供的拟合结果不连续和传感器自身非线性，采用多项式插值方法进行传感器数据融合。将LS的阶次对RBF 拟合结果进行多项式插值，将插值结果与h（x）叠加。数据融合方法与流程如图2 所示。

图2 传感器数据融合高精度重构流程

若g'（x）为g（x）插值结果，则f（x）=h（x）+g'（x）为传感器数据重构的精确近似模型。

3 瓦斯检测仪的电路设计

监控终端的中心板使用S3C6410（ARM11）主处理器与协处理器STM32 共同组成，μC/OS-Ⅱ操作系统由STM32 协处理器运行，瓦斯传感器的数据由核心板进行采集，并驱动无线模块，以此接收其他部分传输的瓦斯数据，并将解析过的数据通过双核间通信传送到Wince 系统的上层软件。弱信号检测电路和超声发射电路是瓦斯检测仪中的两个特色电路。

3.1 弱信号检测电路

由于瓦斯传感器传输的信号为模拟的毫伏级电压信号，故要设计放大处理，设计瓦斯检测电路如图3。为增加电压信号的带负载能力，先令其经过电压跟随电路，然后使用反向比例运算放大电路放大瓦斯模拟信号。

图3 瓦斯检测电路

3.2 超声波发射电路

为避免发射超声波的振荡电路产生不稳定的振荡频率，驱动原件选取NMOS 和PMOS 高速场效应管，具有低功耗、耐高压、输入内阻大等优点。由32主机控制信号控制效应管通断，并激励换能器发出超声波脉冲。STM32的两个GPIO 口分别与两路发射电路的NMOS 栅极连接，两路的超声波收发电路通过GPIO 口的访问控制，在某时刻一路发射超声波，另外一路接收[7]。超声波的收发电路如图4 所示。

图4 超声波发射电路

nRF2401 无线芯片作为无线模块，负责无线传输处理，PCB 天线作为通信模块，串行口直接与nRF2401的数据收发端相连，nRF2401 状态由MCU三个I/O 口控制。

4 瓦斯检测仪GUI 双内核系统的设计

系统选用微内核的μC/OS-Ⅱ作为主系统，子系统选用宏内核的Wince，形成一个多层的系统结构。Wince 在μC/OS-Ⅱ体系中作为空转进程，以进程的形式运行实时任务，赋予最低优先级。在Wince进程空间中执行作为Wince 应用程序的非实时任务。双系统构架如图5 所示。在系统中，硬件部分由μC/OS-Ⅱ通过uHAL 硬件抽象层进行访问，Wince内核产生的中断请求作为软件中断由μC/OS-Ⅱ软件中断管理器处理。实时任务调度由实时高度器完成，并可对硬件进行直接的存取[8]。底层系统在μC/OS-Ⅱ中运行，对无线模块进行驱动控制，实现仪器的智能功能。系统实时跟踪上层软件系统指令，保持与上层Wince 系统的内核间通信。

图5 Wince-μC/OS-II 系统结构

μC/OS-Ⅱ中断管理器处理Wince 内核的中断请求，由于不同任务具有不同优先级，在多级系统中，进度调度被分为两部分。为让多机系统正确运行，使用混合调度算法，并在μC/OS-Ⅱ中增加负责管理Wince 中断请求的软件中断管理器。按照μC/S-Ⅱ优先级调度算法进行实时进程空间的调度，在Wince 内核中使用多级轮转反馈调度算法进行非实时进程空间调度。算法流程如图6 所示。