基于S3C44B0X的工业用煤成分分析系统设计

　　煤矸石是采煤和洗煤过程中排放的固体废物，是一种在成煤过程中与煤层伴生的黑灰色岩石。全国现有矸石山1500余座，堆积量30亿吨以上，占中国工业固体废物排放总量的40％以上。煤矸石的大量堆放，不仅占用土地资源，而且造成环境污染。用洗中煤和矸石混烧发电，是解决污染的有效途径。2009年，煤矸石综合利用量3．9亿吨以上，利用率达到70％以上。如何快速、精确地定量分析混合燃料中煤与矸石的搭配比例，就成为监管部门及企业需要解决的问题。为解决上述问题，本文基于ARM7芯片S3C44BOX，设计了一个集数据采集、处理、显示为一体的嵌入式定量分析系统，并可以通网络将数据传送到远程PC。

　　1 系统原理及总体方案设计

　　1．1 系统原理

　　它是一种低能γ射线，与物质的相互作用主要是光电效应。不同物质由于原子序数不同，对γ射线的质量系数也明显不同，意味着按不同比例配制的煤与矸石的混合燃料，其吸收系数会发生明显变化，因此通过放射性强度的测量，可以分析混合燃料中煤与矸石的混合比例。

　　用单能、窄束γ射线照射混合燃料，经理论推导可得：

　　式中：αc，αg分别为混合燃料中煤、矸石的重量百分比；μc，μg，μp分别为煤、矸石、混合燃料的质量吸收系数；μm为待测的质量吸收系数；I0，I分别为γ射线穿过物体前、后的强度；V为标准样品盒的净容积，d为盒内样品厚度，二者均可看作已知常量；ρ为样品密度。

　　因此只需要测出γ射线照射混合燃料前后的强度及混合燃料的质量，就可以计算出煤、矸石的重量百分比。

　　1．2 系统总体方案设计

　　系统主要包括γ射线源、探测器、数据采集电路、精密电子天平、S3C44BOX硬件平台、LCD显示屏、网络接口。硬件框图如图1所示。

　　系统的核心是S3C44BOX微处理器，它是Samsung公司推出的16／32 b RISC处理器，采用2．5 VARM7TDMI内核，0．25／μm工艺的COMS标准宏单元和存储编译器。它提供了丰富的内置部件，主要包括8 KB Cache、内部SRAM、带自动握手的2通道URAT、4通道DMA、系统管理器、RT-C、I／O端口、LCD控制器等，很好地满足了系统设计要求。S3C44BOX可以很方便地扩展一个网络接口，实现数据的网络传输。另外S3C44BOX提供了70多个I／O端口，极大地方便了以后的功能扩展。

　　信号采集电路采集γ射线的能量信号，精密电子天平同步测量混合燃料的质量信号，并通过RS 232串口将数据传送到处理器，S3C44BOX对采集到的数据进行处理，得到煤与矸石的混合比例，将其显示在LCD屏上，同时可以通过网络接口将数据传送到远程PC，以备后期分析。

　　2 系统功能模块设计

　　2．1 γ射线强度检测部分

　　由探测器、线性放大电路、脉冲幅度分析电路等几部分组成，原理框图如图2所示。

　　NaI闪烁探测器输出与入射γ射线成正比的脉冲信号，入射γ射线强度越大，单位时间内探测器输出的脉冲数就越多。

　　线性放大电路对探测器输出的脉冲进行放大整形，以满足后接信号处理设备的要求。LMl38集成运算放大器具有15 MHz带宽，转换速度达50 V／μs，LMl38先对γ脉冲进行放大，然后进行成形，最后由缓冲放大器输出。

　　脉冲幅度分析电路由2个甄别器和1个反符合电路组成。2个甄别器分别设定计数脉冲的上下阈值，上下阈值之差即为道宽，反符合电路输出此设定道宽内的脉冲。如图3所示。

　　脉冲幅度分析电路的上下阈值选取γ射线的全能峰脉冲，送到微处理器的计数器计数，根据单位时间内落在此道宽内的脉冲计数即可测得γ射线强度。

　　2．2 质量信号采集部分

　　系统选用JA2003精密电子天平测量混合燃料的质量，它采用专利陶瓷电容称重技术，内部集成一个用户温度补偿电路，具有测量精度高等优点。JA2003带有一个标准的RS 232接口，可以很方便地实现和S3C44BOX之间的通信。

　　当天平与S3C44BOX连接时，可以使用立即打印符“#”进行数据传送，天平将显示的数据以字符串的形式传送给处理器。数据格式如下：

　　+／- 1 2 3 4 5 6 ． CO C1 C2 C3 CR LF前六个为数字区，前面通常有符号(+或-)。C0为空格，当天平被设定为自动模式时C1为空格，C2表示传出单位，如果天平设定的单位为克时，则传送“g”，C3表示数据传输的稳定性，空格表示不稳定，“s”表示传输稳定，CR、LF分别代表回车和换行符。