简析瓦斯基于Cortex—M4内核智能瓦斯检测仪设计

论文导读：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ARMCortex—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。
摘要：介绍了一种基于ARM Cortex—M4内核微处理器及无线传输的瓦斯检测报警仪的硬件结构和软件设计方法，ARM Cortex—M4的高性能内核简化了硬件的设计，优化了软件编程。此设备实现了瓦斯含量实时检测和报警，具有精度高、速度快、便于携带和易扩展等优点，使得煤矿生产更加安全可靠。
关键词：ARM Cortex—M4；MQX操作系统；瓦斯监测；报警
：A
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。
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摘自：本科生毕业论文范文www.7ctime.com
是通用瓦斯检测仪的性能比较。
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MJ/

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 I频段，具有非常低的芯片能耗。nRF2401内置地址、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，需要很少的元件，使用起来非常方便。nRF2401应用电路如图2所示。
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。
参考文献
路秋英.郝国法等.基于51单片机和VB

6.0的瓦斯浓度监测系统[J].工矿自动化，2008（1）：48—50.

王峰.智能型瓦斯检测报警仪设计[J].201

1.3（1）：70—7

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