基于ARM的淺層氣檢測儀*

黃 斌 ，王 英* ，王 強(qiáng) ，盧 群 ，茅奇輝

(1．浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動控制學(xué)院，浙江杭州310018;2．浙江省地礦勘察院，浙江杭州310013)

0 引 言

在地質(zhì)勘察與地下建筑工程領(lǐng)域，淺層氣給施工過程帶來極大的困擾［1-2］。淺層氣的泄露和噴發(fā)會造成勘查設(shè)備損害和人員傷亡。淺層氣的主要成分還是地球溫室效應(yīng)來源之一，其泄露和噴發(fā)造成環(huán)境損壞。因此研究淺層氣的高精度探測方法，已成為我國地質(zhì)勘察、地下工程建設(shè)與環(huán)境保護(hù)的迫切需求［3］。淺層氣主要成分為甲烷，含量為90%以上，其余為二氧化碳、及少量氮?dú)夂鸵谎趸迹?］。本研究通過檢測淺層氣勘探和施工現(xiàn)場空氣中的甲烷與二氧化碳濃度為勘探和施工過程提供保證。目前工程勘探部門在用的淺層氣檢測的方法是現(xiàn)場采集到氣體后再到實(shí)驗(yàn)室中通過氣體組分測定分析試驗(yàn)來獲取淺層氣中各種氣體的濃度信息，這種方法檢測周期長，實(shí)驗(yàn)環(huán)境與方法復(fù)雜，無法在工程勘探現(xiàn)場對淺層氣進(jìn)行方便、快捷地檢測［5］。

本研究采用SAMSUNG 公司的S3C2440 微處理器，結(jié)合嵌入式Linux 操作系統(tǒng)作為儀器的主要平臺，使用非色散紅外吸收法(NDIR)氣體傳感器MH-410D和MH-440D 分別用于檢測淺層氣中CO2與CH4的濃度［6］，通過嵌入式SQLite 數(shù)據(jù)庫來存儲淺層氣檢測的濃度數(shù)據(jù)，運(yùn)用Qt Creator 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)訪問的圖形用戶界面(GUI)來顯示實(shí)時濃度、歷史數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)曲線。

1 硬件設(shè)計(jì)

1．1 系統(tǒng)平臺硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)儀器功能的需求，本研究設(shè)計(jì)了儀器的硬件電路。它主要包括以微處理器為中心的核心板模塊、電源模塊、串口調(diào)試模塊，數(shù)據(jù)顯示模塊，SD 存儲模塊，傳感器模塊。硬件資源包括64 MB SDRAM、128M字節(jié)的NAND Flash。LCD 顯示屏用于氣體數(shù)據(jù)的顯示，SD 卡用于存儲氣體濃度數(shù)據(jù)，RS-232 接口用于開發(fā)過程中輸出系統(tǒng)調(diào)試信息，JTAG 接口用于燒寫UBoot，Linux 內(nèi)核以及文件系統(tǒng)的鏡像文件。硬件框圖如圖1 所示。

圖1 硬件框圖

1．2 甲烷傳感器

甲烷傳感器選用MH-440D 型紅外氣體傳感器，該傳感器采用非色散紅外(NDIR)技術(shù)［7-8］對空氣中存在的CH4進(jìn)行探測，檢測原理為CH4對特定波長的紅外光具有一定的吸收作用，濃度越大，吸收越強(qiáng)烈，傳感器內(nèi)部帶有溫度傳感器，可進(jìn)行溫度補(bǔ)償。廣泛應(yīng)用于存在可燃性、爆炸性氣體的各種場合。將傳感器VCC 端接5 V，GND 端接電源地，Vout端接微處理器ADC 模塊的輸入端AIN0。經(jīng)過預(yù)熱時間后從Vout端輸出電壓值0．4 V～2．0 V 代表氣體濃度值0～100%VOL。當(dāng)自檢發(fā)現(xiàn)故障時，傳感器輸出電壓為0 V。MH-440D 型甲烷傳感器的技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 MH-440D 型甲烷傳感器技術(shù)參數(shù)表

設(shè)A/D 轉(zhuǎn)換值為ADCCH4，ADC 參考電壓值為VVDDA，轉(zhuǎn)換精度為S，ADC 輸出最小值為VMIN，測量范圍為L，信號輸出范圍為VL。則甲烷濃度值VALCH4為:

1．3 二氧化碳傳感器

二氧化碳傳感器采用MH-410D 型紅外傳感器，MH-410D 傳感器同樣基于NDIR 原理對空氣中存在的CO2進(jìn)行探測，其內(nèi)置溫度傳感器，可進(jìn)行溫度補(bǔ)償。MH-410D 是一款小巧精密的二氧化碳傳感器。將傳感器VCC 端接5 V，GND 端接電源地，Vout端接微處理器ADC 模塊的輸入端AIN1。傳感器的預(yù)熱時間為3 min，經(jīng)過預(yù)熱時間后從Vout端輸出表征氣體濃度的電壓值，正常輸出電壓信號范圍是0．4 V～2．0 V 代表氣體濃度值0～5% VOL。當(dāng)自檢發(fā)現(xiàn)故障時，傳感器輸出電壓為0 V。MH-410D 型傳感器的技術(shù)參數(shù)如表2 所示。

表2 MH-410D 型二氧化碳傳感器技術(shù)參數(shù)表

設(shè)A/D 轉(zhuǎn)換值為ADCCO2，ADC 參考電壓值為VVDDA，轉(zhuǎn)換精度為S，ADC 輸出最小值為VMIN，測量范圍L，信號輸出范圍VL。則二氧化碳濃度值VALCO2為:

2 ADC 驅(qū)動程序設(shè)計(jì)

2．1 ADC 模塊介紹

S3C2440 微處理器內(nèi)部集成一個八通道模擬輸入轉(zhuǎn)換器，ADC 單元在工作時的供電電壓為3．3 V，輸入的模擬信號幅值為0～3．3 V 的電壓信號，由此可知該模數(shù)轉(zhuǎn)換的最大量程為3．3 V。ADC 單元的分辨率為10 位，那么電壓信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換后的輸出值應(yīng)該在0～210之間的一個值，這樣就可以通過轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量來表示輸入的模擬電壓值的大小并以數(shù)值的形式保存在ADC 模塊的數(shù)據(jù)寄存器中，然后通過ADC 驅(qū)動程序讀取數(shù)值并提交給應(yīng)用程序進(jìn)行處理。

2．2 A/D 采樣頻率

S3C2440 微處理器ADC 單元最大的轉(zhuǎn)換速率是在2．5 MHz 轉(zhuǎn)換時鐘下達(dá)到500 KSPS。S3C2440 有3個時鐘FCLK、HCLK 和PLCK。FLCK 是芯片內(nèi)核時鐘，HCLK 是高速總線時鐘，PCLK 是低速I/O 接口時鐘。S3C2440 的ADC 采樣頻率與PCLK 有關(guān)，PCLK一般配置為50 MHz。因?yàn)闀r鐘頻率過高，需要通過對預(yù)分頻器進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)置，才能獲取ADC 正常工作的頻率。設(shè)定PCLK 的頻率為50 MHz，預(yù)分頻值在ADCCON 寄存器中設(shè)定。ADC 轉(zhuǎn)換頻率fA/D可以通過式(3)求得:

2．3 ADC 驅(qū)動程序初始化函數(shù)

ADC 驅(qū)動程序初始化函數(shù)主要完成以下5 部分工作:

(1)使用register_chrdev_region(devno，adc_nr_devs，"adc_device")函數(shù)獲取驅(qū)動程序設(shè)備號，如果申請失敗則使用alloc_chrdev_region(＆devno，adc_minor，adc_nr_devs，"adc_device")函數(shù)請求內(nèi)核動態(tài)分配一個未被占用的設(shè)備號，本次使用的主設(shè)備號設(shè)為240，次設(shè)備分別為0 和1;

(2)映射虛擬內(nèi)存地址:使用ioremap(58000000，0x6)函數(shù)將A/D 轉(zhuǎn)換器的物理地址映射為Linux 內(nèi)核能夠訪問的虛擬內(nèi)存地址;

(3)使能ADC 轉(zhuǎn)換時鐘:clk_get()從時鐘list 鏈表中以字符id 名稱來查找ADC 時鐘clk 結(jié)構(gòu)體并且返回，最后調(diào)用clk_enable()使能對應(yīng)的ADC 模塊的時鐘源;

(4)設(shè)置ADC 預(yù)分頻值:設(shè)置預(yù)分頻值時先要使能A/D 預(yù)分頻器，然后在ADCCON 寄存器中設(shè)置其預(yù)分頻值;

(5)創(chuàng)建設(shè)備文件:設(shè)備文件是Linux 內(nèi)核給用戶空間的訪問接口，應(yīng)用程序通過操作設(shè)備文件來訪問硬件，創(chuàng)建設(shè)備文件使用class_create()和device_create()函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。

2．4 ADC 驅(qū)動程序讀函數(shù)

當(dāng)用戶空間調(diào)用read 函數(shù)時，最終驅(qū)動程序中的read 函數(shù)被執(zhí)行，這個函數(shù)主要用來讀取硬件的數(shù)據(jù)并和用戶空間交換數(shù)據(jù)。宏定義GET_DATA 用來實(shí)現(xiàn)兩路ADC 數(shù)據(jù)的讀取，宏定義SET_ADC_CHANNEL(ch)可以實(shí)現(xiàn)兩路ADC 轉(zhuǎn)換通道的切換，參數(shù)ch是次設(shè)備號，通過iminor()函數(shù)在內(nèi)部調(diào)用MINOR宏，從inode 中提取次設(shè)備號。內(nèi)核空間與用戶空間交換數(shù)據(jù)使用copy_to_user(buf，＆data，sizeof(data))函數(shù)，參數(shù)buf 來自于用戶空間，參數(shù)＆data 是內(nèi)核空間中存放A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的地址，參數(shù)sizeof(data)表示從內(nèi)核空間復(fù)制到用戶空間數(shù)據(jù)的長度。

2．5 ADC 驅(qū)動程序加載

本研究將雙通道ADC 驅(qū)動程序編譯進(jìn)內(nèi)核采用驅(qū)動靜態(tài)加載的方式:①將ADC 驅(qū)動程序復(fù)制到Linux 內(nèi)核的/drivers/char/目錄下;②修改/drivers/char/目錄下的內(nèi)核配置文件Kconfig;③修改/drivers/char/目錄下的Makefile 文件將ADC 驅(qū)動以靜態(tài)方式編譯;④使用make menuconfig 命令將雙通道ADC 驅(qū)動配置到Linux內(nèi)核中;⑤編譯生成Linux 內(nèi)核鏡像文件;⑥將內(nèi)核鏡像文件通過以NFS 的方式下載到目標(biāo)板上啟動即可。

3 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

3．1 防脈沖干擾設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)中采用了軟件抗干擾設(shè)計(jì)，針對由于脈沖干擾所引起的氣體采樣偏差，筆者采用防脈沖干擾平均濾波法降低隨機(jī)干擾。防脈沖干擾平均濾波法又可稱為中位值平均濾波法，它是平均濾波法與中位值濾波法結(jié)合體。平均濾波法只能對周期性的脈動采樣值進(jìn)行平滑處理，但是對于隨機(jī)的脈沖干擾卻無法消除，而采用中位值平均濾波法就可以解決這個問題，故將兩種濾波方法結(jié)合在一起形成中位值平均濾波法。采樣序列的濾波結(jié)果Y 可用過公式求得:

若X(1)≤X(2)≤X(3)…X(N)，(3 ≤N ≤14)

在實(shí)際應(yīng)用中，防脈沖干擾平均濾波法對信號的平滑度取決于連續(xù)采樣次數(shù)N，N 值越大濾波平滑度越好，但靈敏度變差;反之，N 值越小濾波靈敏度越好而平滑度變差，通常N 的取值在區(qū)間［3～14］中［9］。連續(xù)采樣次數(shù)N 取為10，每采集到10 個采樣值后進(jìn)行一次中位值平均濾波，記錄所得到的濾波結(jié)果。每次濾波運(yùn)算完成后接著進(jìn)行下一組采樣值的濾波運(yùn)算并保存結(jié)果。防脈沖濾波法程序流程圖如圖2 所示。

圖2 防脈沖濾波法流程圖

3．2 氣體濃度數(shù)據(jù)的存儲

由于Linux 內(nèi)核的內(nèi)存管理機(jī)制，應(yīng)用程序不能直接讀/寫硬件的物理地址，必須借助驅(qū)動程序在內(nèi)核空間實(shí)現(xiàn)對硬件地址的訪問。設(shè)備驅(qū)動程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核和系統(tǒng)硬件之間的接口，它為應(yīng)用程序屏蔽了硬件的細(xì)節(jié)。這樣在應(yīng)用程序看來，硬件設(shè)備只是一個設(shè)備文件，應(yīng)用程序可以和操作普通文件一樣，只需要進(jìn)行文件的打開、讀寫和關(guān)閉等操作，就能控制底層的具體硬件設(shè)備。Linux 系統(tǒng)與所有硬件設(shè)備的交互都如同操作普通文件一樣簡單。雙通道ADC 驅(qū)動程序加載后，在/dev/目錄下會產(chǎn)生兩個設(shè)備文件/dev/adc0 和/dev/adc1，應(yīng)用程序通過讀設(shè)備文件來獲取兩個傳感器數(shù)據(jù)。系統(tǒng)每間隔10 s 讀取一次氣體濃度數(shù)據(jù)，讀取的數(shù)據(jù)都保存在嵌入式數(shù)據(jù)庫中。當(dāng)嵌入式系統(tǒng)中移植了SQLite 數(shù)據(jù)庫后，應(yīng)用程序可以利用SQLite 提供的API 來進(jìn)行對數(shù)據(jù)的存儲操作。本次設(shè)計(jì)中建立了一張用于存儲氣體濃度數(shù)據(jù)表，在打開數(shù)據(jù)庫文件后，主要使用sqlite3_exec()函數(shù)執(zhí)行SQL 語句來實(shí)現(xiàn)氣體濃度數(shù)據(jù)的插入、刪除，讀取等操作。程序流程如圖3 所示。

3．3 Qt 界面設(shè)計(jì)

Qt 是一個跨平臺圖形用戶界面庫，它提供給應(yīng)用程序開發(fā)者建立圖形用戶界面所需的所用功能。Qt的開發(fā)語言是C + +，它可以向開發(fā)人員提供各種主要功能的統(tǒng)一的編程接口。由于Qt 的出現(xiàn)，使得UNIX、Linux 這些操作系統(tǒng)能為用戶展現(xiàn)精美的人機(jī)界面，Qt 是Linux 系統(tǒng)中主流的GUI 工具。Qt/Embedded 是一種面向嵌入式平臺的Qt 版本［10］。

圖3 程序流程圖

在嵌入式Linux 系統(tǒng)中搭建好Qt/Embedded 環(huán)境后，就可以將在上位機(jī)設(shè)計(jì)完成的Qt 界面程序拷貝到下位機(jī)上運(yùn)行。該設(shè)計(jì)的淺層氣檢測儀的GUI 界面由3 部分組成:①實(shí)時數(shù)據(jù)顯示;②歷史記錄顯示;③數(shù)據(jù)曲線顯示。儀器界面框圖如圖4 所示。

圖4 檢測儀界面

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

淺層氣檢測試驗(yàn)平臺由壓力容器、抽真空裝置、加氣增壓裝置和氣體收集四大部分組成。壓力容器用于混合氣體;抽真空裝置用于將壓力容器抽至真空狀態(tài);加氣增壓裝置用于向壓力容器中充氣，以獲得不同不同濃度的混合氣體;氣體收集部分主要用于收集從淺層氣物理模型中放出的氣體，以便后續(xù)檢測與分析，淺層氣檢測實(shí)驗(yàn)平臺簡圖如圖5 所示。本研究在進(jìn)行測量實(shí)驗(yàn)時采用稀釋配氣的方法獲取標(biāo)準(zhǔn)氣源，根據(jù)流量比混合法將兩種高純度氣體進(jìn)行混合，通過控制瞬時流量比的方式來獲取滿足要求的不同濃度標(biāo)準(zhǔn)氣。

在配制標(biāo)準(zhǔn)氣時，流量計(jì)處的溫度為鋼瓶氣溫度tstdm，壓力為pstdm，流量Fstdm;稀釋氣溫度tNm，壓力為pNm，流量為FNm，則配制的標(biāo)準(zhǔn)氣濃度為:

圖5 淺層氣檢測實(shí)驗(yàn)平臺簡圖

式中:C—稀釋后的標(biāo)準(zhǔn)氣濃度，%VOL;Cstd—瓶裝標(biāo)準(zhǔn)氣濃度，%VOL。且有:

故只需要調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)氣與稀釋氣輸出口的兩個流量計(jì)之比FNm/Fstdm，就可以獲得高濃度標(biāo)準(zhǔn)氣稀釋后的各種標(biāo)準(zhǔn)濃度的氣體［11］。

淺層氣檢測試驗(yàn)平臺上的甲烷氣瓶與二氧化碳?xì)馄垦b有濃度為99．9%的高純度標(biāo)準(zhǔn)氣體。筆者采用高精度的D07-7 型氣體質(zhì)量流量控制器控制配合D08-8C型流量積算儀設(shè)定瞬時流量實(shí)現(xiàn)流量計(jì)之比的調(diào)整。在實(shí)驗(yàn)平臺上測得的一組數(shù)據(jù)如表3、表4 所示。

表3 甲烷測量結(jié)果

表4 二氧化碳測量數(shù)據(jù)

對測量實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析可得:CH4與CO2的示值相對誤差為小于10%;通過重復(fù)測量值與貝塞爾公式求得CH4與CO2的標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為1．16%和0．78%;通過對實(shí)驗(yàn)過程分析可知儀器不確定度影響顯著的因素有:測量重復(fù)性引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度與淺層氣測量實(shí)驗(yàn)平臺配置標(biāo)準(zhǔn)濃度氣體的不確定度，檢測儀測量CH4與CO2合成不確定度分別為1．26%和1．08%。

5 結(jié)束語

本研究通過在實(shí)驗(yàn)室建立淺層氣測量實(shí)驗(yàn)平臺，采用NDIR 氣體傳感器檢測淺層氣中的主要成分甲烷與二氧化碳，設(shè)計(jì)了儀器的硬件電路，設(shè)計(jì)了Linux 系統(tǒng)中針對傳感器模塊的雙通道驅(qū)動程序，采樣Qt Creator 設(shè)計(jì)了顯示數(shù)據(jù)的儀器界面。筆者通過使用ARMLinux 作為儀器平臺有利于實(shí)現(xiàn)測控儀器的智能化與網(wǎng)絡(luò)化，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)淺層氣的遠(yuǎn)程檢測功能。該儀器在地質(zhì)勘察與地下建筑施工現(xiàn)場可幫助施工人員進(jìn)行方便快捷的獲取淺層氣濃度信息，具有較好的實(shí)用性。

［1］陶靈法，潘永堅(jiān)，蔡國成．沿海平原海相沉積土中淺層氣的探查［J］．鐵道勘察，2014(4):47-49．

［2］郭愛國，孔令偉，沈林沖，等．地鐵建設(shè)中淺層氣危害防治對策研究［J］．巖土力學(xué)，2013，34(3):769-775．

［3］孔令偉，郭愛國，陳守義，等．淺層天然氣井噴對地層的損傷影響與樁基工程危害分析［J］． 防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào)，2004，24(4):375-400．

［4］曾洪賢，周傳斌，黃燕慶．杭州灣大橋含生物氣層工程特性研究［J］．土工基礎(chǔ)，2008，22(3):53-55．

［5］王江濤． 天然氣水合物氣體組成分析方法研究與應(yīng)用［D］．青島:中國海洋大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，2012．

［6］付 華，劉 娜，周 坤，等． 基于ATMEGA16 的便攜式瓦斯檢測儀［J］．傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，25(9):1323-1325．

［7］PARK J S，YI S H． Temperature compensated NDIR CH4gas sensor with focused beam structure［J］．Procedia Engineering，2010(5):1248-1251．

［8］WCNG J Y，TSE C W． Recalibration technique for NDIR gas sensors without the need for gas standards［J］． Sensor Review，2012，32(3):217-221．

［9］陳 燕．基于ARM 的礦用便攜式多氣體檢測儀的研制［D］．西安:西安科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，2013．

［10］BLANCHETTE J，SUMMERFIELD M． C + + GUI programming with Qt 4［M］． Upper Saddle River:Prentice Hall Professional，2006．

［11］傅忠誠，艾效逸，王天飛．天然氣燃燒與節(jié)能環(huán)保新技術(shù)［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007．