申海生，和衛(wèi)紅，趙春洲，周文錚，劉雨竹

（1.潞安化工集團有限公司慈林山煤業(yè)有限公司李村煤礦，山西 長治 046000；2.遼寧工程技術(shù)大學，遼寧 葫蘆島 125000）

引言

近年許多礦區(qū)建立多設(shè)備組成的瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)，但礦下情況復雜，礦區(qū)中心站PC 機對環(huán)境適應能力較差，易受礦區(qū)惡劣環(huán)境干擾，且存在信息檢測智能化強度不高、運行速度慢等問題[1]。嵌入式的發(fā)展為其在礦下瓦斯終端提供了良好平臺，具有強實時性、抗干擾、低功耗的新型嵌入式監(jiān)控終端能夠完全在惡劣煤礦現(xiàn)場完成工作[2]。通過采用實時操作系統(tǒng)，可以為上層程序提供高穩(wěn)定性及可預測性[3]；通過圖形用戶接口（Graphical User Interface，簡稱GUI）方便對數(shù)據(jù)的處理，可實現(xiàn)監(jiān)控終端與監(jiān)控中心的無縫集成，為實時交互，通訊功能需求較高的煤礦現(xiàn)場創(chuàng)造了良好條件。

1 瓦斯檢測儀系統(tǒng)的設(shè)計

檢測儀系統(tǒng)采用主從機通信結(jié)構(gòu)模式，對井下數(shù)據(jù)進行實時顯示和監(jiān)控。監(jiān)控中心機為主機，不同檢測儀分布在各井口井下。便攜式攜帶來監(jiān)控煤礦現(xiàn)場并通過無線方式與主機進行通信[4]。硬件平臺通過無線方式實時獲取井下監(jiān)控系統(tǒng)采集的瓦斯數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包頭、包尾、提取有效數(shù)據(jù)由實時操作系統(tǒng)μC/OS-II 拆除并暫存。數(shù)據(jù)被Wince 操作系統(tǒng)提取，并被進行算法分析及圖形化顯示，得到兩種顯示效果，實時數(shù)據(jù)的顯示和歷史數(shù)據(jù)的曲線顯示，監(jiān)控中心機接受被轉(zhuǎn)回的數(shù)據(jù)并進行進一步處理，礦用智能瓦斯檢測儀設(shè)計方案如圖1 所示。

圖1 礦用智能檢測儀設(shè)計方案

2 瓦斯傳感器數(shù)據(jù)的融合重構(gòu)

將傳統(tǒng)最小二乘多項式擬合（Least Square 簡稱LS）與徑向基函數(shù)（Radial Basis Function 簡稱RBF）殘差處理相結(jié)合，對檢測數(shù)據(jù)進行融合重構(gòu)。

2.1 數(shù)據(jù)擬合預處理

式中：p（x）=[p1（x），…，pm（x）]T，是同m 項完備單項式基函數(shù)；a=[a1，…，am]T，為待定系數(shù)?；赥aylor 展開LS 多項式擬合，假設(shè)傳感器的真實模型為φ（x），近似模型h（x）為k 階多項式，比較h（x）與φ（x）在某點x0的k 階Taylor 展開式：

由式（2）可知，通過提高擬合多項式的階數(shù)k（一般k≤4），只能有限改善LS 多項式擬合質(zhì)量，同時，由于傳感器的非線性令LS 無法選用適合的多項式擬合次數(shù)，易造成過擬合或欠擬合[5]。為此，利用徑向基函數(shù)RBF 對殘差進行近似處理。

2.2 RBF 殘差近似處理

2.3 LS 與RBF的融合步驟

在LS 多項擬合的基礎(chǔ)上，使用徑向基函數(shù)RBF殘差處理結(jié)合殘差部分丟失的信息實現(xiàn)數(shù)據(jù)重構(gòu)。RBF 擬合與LS 多項式擬合不能直接融合，需要進一步處理。由于RBF 提供的擬合結(jié)果不連續(xù)和傳感器自身非線性，采用多項式插值方法進行傳感器數(shù)據(jù)融合。將LS的階次對RBF 擬合結(jié)果進行多項式插值，將插值結(jié)果與h（x）疊加。數(shù)據(jù)融合方法與流程如圖2 所示。

圖2 傳感器數(shù)據(jù)融合高精度重構(gòu)流程

若g'（x）為g（x）插值結(jié)果，則f（x）=h（x）+g'（x）為傳感器數(shù)據(jù)重構(gòu)的精確近似模型。

3 瓦斯檢測儀的電路設(shè)計

監(jiān)控終端的中心板使用S3C6410（ARM11）主處理器與協(xié)處理器STM32 共同組成，μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)由STM32 協(xié)處理器運行，瓦斯傳感器的數(shù)據(jù)由核心板進行采集，并驅(qū)動無線模塊，以此接收其他部分傳輸?shù)耐咚箶?shù)據(jù)，并將解析過的數(shù)據(jù)通過雙核間通信傳送到Wince 系統(tǒng)的上層軟件。弱信號檢測電路和超聲發(fā)射電路是瓦斯檢測儀中的兩個特色電路。

3.1 弱信號檢測電路

由于瓦斯傳感器傳輸?shù)男盘枮槟M的毫伏級電壓信號，故要設(shè)計放大處理，設(shè)計瓦斯檢測電路如圖3。為增加電壓信號的帶負載能力，先令其經(jīng)過電壓跟隨電路，然后使用反向比例運算放大電路放大瓦斯模擬信號。

圖3 瓦斯檢測電路

3.2 超聲波發(fā)射電路

為避免發(fā)射超聲波的振蕩電路產(chǎn)生不穩(wěn)定的振蕩頻率，驅(qū)動原件選取NMOS 和PMOS 高速場效應管，具有低功耗、耐高壓、輸入內(nèi)阻大等優(yōu)點。由32主機控制信號控制效應管通斷，并激勵換能器發(fā)出超聲波脈沖。STM32的兩個GPIO 口分別與兩路發(fā)射電路的NMOS 柵極連接，兩路的超聲波收發(fā)電路通過GPIO 口的訪問控制，在某時刻一路發(fā)射超聲波，另外一路接收[7]。超聲波的收發(fā)電路如圖4 所示。

圖4 超聲波發(fā)射電路

nRF2401 無線芯片作為無線模塊，負責無線傳輸處理，PCB 天線作為通信模塊，串行口直接與nRF2401的數(shù)據(jù)收發(fā)端相連，nRF2401 狀態(tài)由MCU三個I/O 口控制。

4 瓦斯檢測儀GUI 雙內(nèi)核系統(tǒng)的設(shè)計

系統(tǒng)選用微內(nèi)核的μC/OS-Ⅱ作為主系統(tǒng)，子系統(tǒng)選用宏內(nèi)核的Wince，形成一個多層的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。Wince 在μC/OS-Ⅱ體系中作為空轉(zhuǎn)進程，以進程的形式運行實時任務(wù)，賦予最低優(yōu)先級。在Wince進程空間中執(zhí)行作為Wince 應用程序的非實時任務(wù)。雙系統(tǒng)構(gòu)架如圖5 所示。在系統(tǒng)中，硬件部分由μC/OS-Ⅱ通過uHAL 硬件抽象層進行訪問，Wince內(nèi)核產(chǎn)生的中斷請求作為軟件中斷由μC/OS-Ⅱ軟件中斷管理器處理。實時任務(wù)調(diào)度由實時高度器完成，并可對硬件進行直接的存取[8]。底層系統(tǒng)在μC/OS-Ⅱ中運行，對無線模塊進行驅(qū)動控制，實現(xiàn)儀器的智能功能。系統(tǒng)實時跟蹤上層軟件系統(tǒng)指令，保持與上層Wince 系統(tǒng)的內(nèi)核間通信。

圖5 Wince-μC/OS-II 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

μC/OS-Ⅱ中斷管理器處理Wince 內(nèi)核的中斷請求，由于不同任務(wù)具有不同優(yōu)先級，在多級系統(tǒng)中，進度調(diào)度被分為兩部分。為讓多機系統(tǒng)正確運行，使用混合調(diào)度算法，并在μC/OS-Ⅱ中增加負責管理Wince 中斷請求的軟件中斷管理器。按照μC/S-Ⅱ優(yōu)先級調(diào)度算法進行實時進程空間的調(diào)度，在Wince 內(nèi)核中使用多級輪轉(zhuǎn)反饋調(diào)度算法進行非實時進程空間調(diào)度。算法流程如圖6 所示。

圖6 μC/OS-Ⅱ混合調(diào)度算法

在雙內(nèi)核系統(tǒng)中，Wince 保證系統(tǒng)靈活性，系統(tǒng)可在內(nèi)核配置不同應用環(huán)境。μC/OS-Ⅱ高效、簡潔的特性保證了系統(tǒng)的實時性。雙內(nèi)核開源操作系統(tǒng)保證系統(tǒng)具有開放性。

5 結(jié)論

1）提出了LS-RBF 數(shù)據(jù)融合重構(gòu)方法，對弱非線性傳感器數(shù)據(jù)進行重構(gòu)，降低了計算復雜度，提高了數(shù)據(jù)擬合精度。

2）設(shè)計瓦斯檢測儀器特色電路，對微弱檢測信號進行檢測與處理，提高了瓦斯信號采集準確性。

3）構(gòu)建Wince&μC/OS-II的雙核雙操作GUI平臺，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實時提取和解析，提高了瓦斯檢測儀的數(shù)據(jù)處理能力及實時操作性。