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,。全國現(xiàn)有矸石山1500余座，堆積量30億噸以上,，占中國工業(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芯片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
γ射線,，它與物質(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)會發(fā)生明顯變化,，因此通過放射性強(qiáng)度的測量,，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,、探測器,、數(shù)據(jù)采集電路、精密電子天平,、S3C44BOX硬件平臺,、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。
信號采集電路采集γ射線的能量信號，精密電子天平同步測量混合燃料的質(zhì)量信號,，并通過RS 232串口將數(shù)據(jù)傳送到處理器,，S3C44BOX對采集到的數(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)度檢測部分
由探測器,、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閃爍探測器輸出與入射γ射線成正比的脈沖信號，入射γ射線強(qiáng)度越大,，單位時(shí)間內(nèi)探測器輸出的脈沖數(shù)就越多,。
線性放大電路對探測器輸出的脈沖進(jìn)行放大整形，以滿足后接信號處理設(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)即可測得γ射線強(qiáng)度,。
2.2 質(zhì)量信號采集部分
系統(tǒng)選用JA2003精密電子天平測量混合燃料的質(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(+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其進(jìn)行讀寫操作,。
為了長期保存數(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,，即使掉電也不會丟失。
本地軟件在Linux下用C語言編寫,，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)度檢測線程負(fù)責(zé)采集脈沖信號;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;數(shù)據(jù)處理線程負(fù)責(zé)對采集到的兩路數(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
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)測部門的化驗(yàn)室,，對混合燃料的成分進(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,，造成測量誤差,。因此，如何合理選擇混合燃料質(zhì)量吸收系數(shù)測量時(shí)的修正值,，就成為精確測量的關(guān)鍵,，可以通過大量實(shí)驗(yàn)確定,。