基于ARM处理器和LM331的频率检测模块设计
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1 检测模块硬件
1） 模块总体结构。模块总体设计分 3 部分： ① 对输入信号进行线路选择； ②进行频率电压转换； ③ 将模拟电压值送入 CPU 的模数转换模块。频率测
量模块总体框架如图 1。
图 1 频率测量模块总体框架
2） 数据选择。频率检测模块可分时监测 8 路 频率 量，但 LM331 只 有 1 路 数 据 输 入 口，选 用 74LS151 为 8 选 1 数据选择器，通过控制 A、B、C 3 个引脚对 D0 ～ D7 进行数据的分时选择。
Shenyang Coal Trade Group Corporation Ltd． Liability Company，Shenyang 110106，China） Abstract： In the article，a frequency signals detection module used in underground monitoring sub － station is designed，module hardware contains S3C2440 processor，LM331 frequency － voltage converter，74LS1511 － of － 8 line data selector． On the software level， module contains Linux OS and Qt as a display tool． Finally module achieves the target of collection，measurement and display of 8 － channel frequent signals． Key words： frequency； S3C2440； LM331； Linux； detection module
分站与各个传感器之间的通信，主要以频率信 号为 主。 设 计 的 频 率 信 号 检 测 模 块 以 AＲM9 － S3C2440 为核心，Linux 作为嵌入式操作系统，通过 74LS151 数据选择器，分时对 8 路输入信号进行采 集。采用 LM331 芯片对频率进行频率 / 电压转换， 最后将模拟电压信号送入处理器进行进一步计算并 显示［1 － 3］。
监控系统的优劣与否直接关系到煤矿的安全生 产，井下分站位于井下各类传感器设备和地面监控 主站之间，是井下安全监控模块与地面安全监控中 心之间的传输枢纽，负责井下环境信息的参数采集 与处理，并 通 过 总 线 网 络 与 地 面 中 心 站 进 行 通 信。 所以分站对传感器的数据采集这一环节至关重要， 其准确度要求很高。
设计·开发
DOI： 10． 13347 / j． cnki． mkaq． 2014． 06． Leabharlann Baidu32
（ 2014 － 06）
·107·
基于 AＲM 处理器和 LM331 的频率检测 模块设计
籍天亮1 ，王 伟2 ，张 东1 ，李长录1
（ 1． 煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113112； 2． 沈阳煤业集团有限责任公司 红阳二矿，辽宁 沈阳 110106）
·108·
（ 第 45 卷第 6 期）
设计·开发
CMOS 等不同的逻辑电路。 在 LM331 进行频率量测量前，必须使用光耦对
正弦波输入形进行处理，LM331 外围电路连接图如 图 2。
图 2 LM331 外围电路连接图
4 ） 处 理 器 ADC 转 换。S3C2440 处 理 器 内 的 ADC 模块总共有 8 个通道可以进行模拟信号的输 入。分别是 AIN0、AIN1、AIN2、AIN3、YM、YP、XM、 XP。设计 选 择 的 输 入 端 口 为 AIN0，模 拟 信 号 从 AIN0 通道输入，然后设定寄存器中预分频器的值来 确定 AD 转换器频率，最后 ADC 将模拟信号转换为 数 字 信 号 保 存 到 ADC 数 据 寄 存 器 0 中 （ ADCDAT0） ，然后 ADCDAT0 中的数据可以通过中 断或查询的方式来访问。
中图分类号： TD679
文献标志码： B
文章编号： 1003 － 496X（ 2014） 06 － 0107 － 04
Design of Frequency Detection Module Based on AＲM Processor and LM331
JI Tianliang1 ，WANG Wei2 ，ZHANG Dong1 ，LI Changlu1 （ 1． China Coal Technology and Enginering Group Shenyang Ｒesearch Institute，Fushun 113112，China； 2． 2nd Hongyang Coal Mine，
设计·开发
（ 2014 － 06）
·109·
ta） ； copy _ to _ user （ buf，（ char * ） ＆data． data，sizeof
（ data） ） ； return （ sizeof（ ． data） ） ； ｝ 2） 测试程序。在无显示窗口的条件下，为验证
AD 驱动已经成功运行，需要先编写测试程序，通过 读取驱动程序创建的： “/ dev / ADC_DEV”文件，获得 AD 模块处理好的数据，主要代码如下：
qDebug（ ） ＜ ＜ " Openfile error ： " ＜ ＜ file － ＞ errorString（ ） ；
return； ｝ while（ 1） ｛ char data［8］ = ｛ 0｝ ； qint64 ret = file － ＞ read（ data，sizeof（ data） ） ； / /读取设备 if（ ret ！ = sizeof（ data） ） continue； else｛ switch（ data［0］） ｛ case " 1" ： ui － ＞ progressBar_1 － ＞ setValue（ data） ； break； case " 2" ： ui － ＞ progressBar_1 － ＞ setValue（ data） ； break； case " 3" ： ui － ＞ progressBar_1 － ＞ setValue（ data） ； break； case " 4" ： ui － ＞ progressBar_1 － ＞ setValue（ data） ； break； case " 5" ： ui － ＞ progressBar_1 － ＞ setValue（ data） ； break； case " 6" ： ui － ＞ progressBar_1 － ＞ setValue（ data） ； break； case " 7" ： ui － ＞ progressBar_1 － ＞ setValue（ data） ； break； case " 8" ： ui － ＞ progressBar_1 － ＞ setValue（ data） ； break； default： break； ｝ / / 对 8 路 通 道 数 据 选 择 后 分 辨 显 示 在 progressBar 上 ｝ file － ＞ close（ ） ； delete file； ｝ 程序完成后使用 qmake 编译，生成可执行文件 frequenttest，在实验板上移植好 qt 库后，运行文件。
3） 频率电压转换。选用 LM331 高精密频率电 压（ F /V） 转换器。其内部有①输入比较电路； ②定 时比较电路； ③Ｒ － S 触发电路； ④复零晶体管； ⑤输 出驱动管； ⑥能隙基准电路； ⑦精密电流源电路； ⑧ 电流开关； ⑨输出保护点路等。输出管采用集电极 开路形式，可以通过选择逻辑电流和外接电阻，灵活 改变输出脉冲的逻辑电平，从而适应 TTL、DTL 和
摘 要： 设计了一种用于井下监控分站的频率信号检测模块，模块硬件采用 S3C2440 处理器、
LM331 频率电压转换芯片、74LS151 数据选择器，软件层基于 Linux 操作系统、Qt 作为显示工具；
最终实现了对 8 路频率信号的采集、测量以及显示。
关键词： 频率； S3C2440； LM331； Linux； 检测模块
int main（ void） ｛ int fd，i，res，adc_data； char buf［4］； if （ （ fd = open（ " / dev / ADC_DEV" ，O_ＲDONLY） ） ＜ 0） ｛ printf（ " open adc_dev failed / n" ） ； return 1； ｝ … adc_data = buf［0］+ （ int） （ buf［1］＜ ＜ 8） ； printf（ " Frequent = % ． 2f Hz / n " ，adc _ data / 1024． 0 * 800 + 200） ； … close（ fd） ； return 0； ｝ 编写好测试代码后，将模块连接信号发生器，输 出正弦信号范围为 0 ～ 1 000 Hz。再使用 arm － linux － gcc 编 译 器 编 译 测 试 程 序，并 生 成 可 执 行 文 件 “adc_test”，在移植好标准 C 库后，在实验板上终端 运行。 3） 显示程序。Qt 软件作为显示工具，因为 Qt 是款跨平台软件，切具备以下优势： ①跨平台特性； ②QT 本身优良的机制，使用面向组件编程； ③把精 力放在核心功能的实现上，而不是源码本身； ④能构 造出艺术级的界面，设计界面方便［7］。 PC 端使用 Qt4． 8 版本为开发软件（ 实验板上移 植 qte4． 6） ，创建“FrequentTest”类，对“/ dev / ADC _ DEV”文件进行连续读取，主要功能部分代码如下： void FrequentTest： ： readDevFile（ ） ｛ QFile * file = new QFile（ " / dev / ADC_DEV" ） ； / / 创建 file 对象 if （ ！ file － ＞ open（ QIODevice： ： ＲeadOnly） ） ｛
2 模块软件
选择 Linux 作为此平台的操作系统，其优势是： ①开源方便修改与自由裁剪； ②内核高效稳定，设计 编译出内核仅为 1． 98 M 字节； ③开发工具丰富； ④ 具有实时处理能力，快捷准确等［4 － 6］。
1） 处理器上模 / 数转换驱动程序。Linux 设备 分为 3 种： 块设备、字符设备、混杂设备。这些设备 都被映射到 Linux 文件系统的文件和目录中，用过 系统调用接口访问。而为了完成上述功能，需要创 建设备驱动，驱动主要功能如下： ①对设备初始化； ②启动或停止设备运行； ③内核空间与用户空间的 数据交互； ④检查设备状态。
创建 AD 设备将其划归为混杂设备（ MISC） ，其 驱动程序主要代码如下：
#define DEVICE_NAME " ADC_DEV" / / 定义设 备名称 " ADC_DEV"
int channel = 0x00； / / 控制 74LS151 的 A、B、C 端口
static unsigned long channel_table［］ = ｛
S3C2440_GPB5， S3C2440_GPB6， S3C2440_GPB7， ｝； void swicth_channel（ int c） / / 加入通道选择控 制函数 ｛ s3c2440_gpio _setpin （ channel _table［0 ］，（ c ＆ 0x01） ） ； c = c ＞ ＞ 1； s3c2440_gpio _setpin （ channel _table［1 ］，（ c ＆ 0x01） ） ； c = c ＞ ＞ 1； s3c2440_gpio _setpin （ channel _table［2 ］，（ c ＆ 0x01） ） ； ｝ / /将模数转换后的数字量写入用户空间 static ssize_t adc_read（ struct file * fp，char __user* buf，size_t count，loff_t * ppos） ｛ STAＲT_ADC（ adc_dev． ch，adc_dev． pres） ； / / 启 动 ADC 转换 wait_event_interruptible（ adc_dev． wait，adc_dev． flag） ； / / 等待 ADC 转换完成 adc_dev． flag = 0； / / 复制到用户空间数据格式" channel： dc_dec． data" char dat［12］； sprintf（ data，" % d： % d" ，channel，adc_dec． da-
1） 模块总体结构。模块总体设计分 3 部分： ① 对输入信号进行线路选择； ②进行频率电压转换； ③ 将模拟电压值送入 CPU 的模数转换模块。频率测
量模块总体框架如图 1。
图 1 频率测量模块总体框架
2） 数据选择。频率检测模块可分时监测 8 路 频率 量，但 LM331 只 有 1 路 数 据 输 入 口，选 用 74LS151 为 8 选 1 数据选择器，通过控制 A、B、C 3 个引脚对 D0 ～ D7 进行数据的分时选择。
Shenyang Coal Trade Group Corporation Ltd． Liability Company，Shenyang 110106，China） Abstract： In the article，a frequency signals detection module used in underground monitoring sub － station is designed，module hardware contains S3C2440 processor，LM331 frequency － voltage converter，74LS1511 － of － 8 line data selector． On the software level， module contains Linux OS and Qt as a display tool． Finally module achieves the target of collection，measurement and display of 8 － channel frequent signals． Key words： frequency； S3C2440； LM331； Linux； detection module
分站与各个传感器之间的通信，主要以频率信 号为 主。 设 计 的 频 率 信 号 检 测 模 块 以 AＲM9 － S3C2440 为核心，Linux 作为嵌入式操作系统，通过 74LS151 数据选择器，分时对 8 路输入信号进行采 集。采用 LM331 芯片对频率进行频率 / 电压转换， 最后将模拟电压信号送入处理器进行进一步计算并 显示［1 － 3］。
监控系统的优劣与否直接关系到煤矿的安全生 产，井下分站位于井下各类传感器设备和地面监控 主站之间，是井下安全监控模块与地面安全监控中 心之间的传输枢纽，负责井下环境信息的参数采集 与处理，并 通 过 总 线 网 络 与 地 面 中 心 站 进 行 通 信。 所以分站对传感器的数据采集这一环节至关重要， 其准确度要求很高。
设计·开发
DOI： 10． 13347 / j． cnki． mkaq． 2014． 06． Leabharlann Baidu32
（ 2014 － 06）
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基于 AＲM 处理器和 LM331 的频率检测 模块设计
籍天亮1 ，王 伟2 ，张 东1 ，李长录1
（ 1． 煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113112； 2． 沈阳煤业集团有限责任公司 红阳二矿，辽宁 沈阳 110106）
·108·
（ 第 45 卷第 6 期）
设计·开发
CMOS 等不同的逻辑电路。 在 LM331 进行频率量测量前，必须使用光耦对
正弦波输入形进行处理，LM331 外围电路连接图如 图 2。
图 2 LM331 外围电路连接图
4 ） 处 理 器 ADC 转 换。S3C2440 处 理 器 内 的 ADC 模块总共有 8 个通道可以进行模拟信号的输 入。分别是 AIN0、AIN1、AIN2、AIN3、YM、YP、XM、 XP。设计 选 择 的 输 入 端 口 为 AIN0，模 拟 信 号 从 AIN0 通道输入，然后设定寄存器中预分频器的值来 确定 AD 转换器频率，最后 ADC 将模拟信号转换为 数 字 信 号 保 存 到 ADC 数 据 寄 存 器 0 中 （ ADCDAT0） ，然后 ADCDAT0 中的数据可以通过中 断或查询的方式来访问。
中图分类号： TD679
文献标志码： B
文章编号： 1003 － 496X（ 2014） 06 － 0107 － 04
Design of Frequency Detection Module Based on AＲM Processor and LM331
JI Tianliang1 ，WANG Wei2 ，ZHANG Dong1 ，LI Changlu1 （ 1． China Coal Technology and Enginering Group Shenyang Ｒesearch Institute，Fushun 113112，China； 2． 2nd Hongyang Coal Mine，
设计·开发
（ 2014 － 06）
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ta） ； copy _ to _ user （ buf，（ char * ） ＆data． data，sizeof
（ data） ） ； return （ sizeof（ ． data） ） ； ｝ 2） 测试程序。在无显示窗口的条件下，为验证
AD 驱动已经成功运行，需要先编写测试程序，通过 读取驱动程序创建的： “/ dev / ADC_DEV”文件，获得 AD 模块处理好的数据，主要代码如下：
qDebug（ ） ＜ ＜ " Openfile error ： " ＜ ＜ file － ＞ errorString（ ） ；
return； ｝ while（ 1） ｛ char data［8］ = ｛ 0｝ ； qint64 ret = file － ＞ read（ data，sizeof（ data） ） ； / /读取设备 if（ ret ！ = sizeof（ data） ） continue； else｛ switch（ data［0］） ｛ case " 1" ： ui － ＞ progressBar_1 － ＞ setValue（ data） ； break； case " 2" ： ui － ＞ progressBar_1 － ＞ setValue（ data） ； break； case " 3" ： ui － ＞ progressBar_1 － ＞ setValue（ data） ； break； case " 4" ： ui － ＞ progressBar_1 － ＞ setValue（ data） ； break； case " 5" ： ui － ＞ progressBar_1 － ＞ setValue（ data） ； break； case " 6" ： ui － ＞ progressBar_1 － ＞ setValue（ data） ； break； case " 7" ： ui － ＞ progressBar_1 － ＞ setValue（ data） ； break； case " 8" ： ui － ＞ progressBar_1 － ＞ setValue（ data） ； break； default： break； ｝ / / 对 8 路 通 道 数 据 选 择 后 分 辨 显 示 在 progressBar 上 ｝ file － ＞ close（ ） ； delete file； ｝ 程序完成后使用 qmake 编译，生成可执行文件 frequenttest，在实验板上移植好 qt 库后，运行文件。
3） 频率电压转换。选用 LM331 高精密频率电 压（ F /V） 转换器。其内部有①输入比较电路； ②定 时比较电路； ③Ｒ － S 触发电路； ④复零晶体管； ⑤输 出驱动管； ⑥能隙基准电路； ⑦精密电流源电路； ⑧ 电流开关； ⑨输出保护点路等。输出管采用集电极 开路形式，可以通过选择逻辑电流和外接电阻，灵活 改变输出脉冲的逻辑电平，从而适应 TTL、DTL 和
摘 要： 设计了一种用于井下监控分站的频率信号检测模块，模块硬件采用 S3C2440 处理器、
LM331 频率电压转换芯片、74LS151 数据选择器，软件层基于 Linux 操作系统、Qt 作为显示工具；
最终实现了对 8 路频率信号的采集、测量以及显示。
关键词： 频率； S3C2440； LM331； Linux； 检测模块
int main（ void） ｛ int fd，i，res，adc_data； char buf［4］； if （ （ fd = open（ " / dev / ADC_DEV" ，O_ＲDONLY） ） ＜ 0） ｛ printf（ " open adc_dev failed / n" ） ； return 1； ｝ … adc_data = buf［0］+ （ int） （ buf［1］＜ ＜ 8） ； printf（ " Frequent = % ． 2f Hz / n " ，adc _ data / 1024． 0 * 800 + 200） ； … close（ fd） ； return 0； ｝ 编写好测试代码后，将模块连接信号发生器，输 出正弦信号范围为 0 ～ 1 000 Hz。再使用 arm － linux － gcc 编 译 器 编 译 测 试 程 序，并 生 成 可 执 行 文 件 “adc_test”，在移植好标准 C 库后，在实验板上终端 运行。 3） 显示程序。Qt 软件作为显示工具，因为 Qt 是款跨平台软件，切具备以下优势： ①跨平台特性； ②QT 本身优良的机制，使用面向组件编程； ③把精 力放在核心功能的实现上，而不是源码本身； ④能构 造出艺术级的界面，设计界面方便［7］。 PC 端使用 Qt4． 8 版本为开发软件（ 实验板上移 植 qte4． 6） ，创建“FrequentTest”类，对“/ dev / ADC _ DEV”文件进行连续读取，主要功能部分代码如下： void FrequentTest： ： readDevFile（ ） ｛ QFile * file = new QFile（ " / dev / ADC_DEV" ） ； / / 创建 file 对象 if （ ！ file － ＞ open（ QIODevice： ： ＲeadOnly） ） ｛
2 模块软件
选择 Linux 作为此平台的操作系统，其优势是： ①开源方便修改与自由裁剪； ②内核高效稳定，设计 编译出内核仅为 1． 98 M 字节； ③开发工具丰富； ④ 具有实时处理能力，快捷准确等［4 － 6］。
1） 处理器上模 / 数转换驱动程序。Linux 设备 分为 3 种： 块设备、字符设备、混杂设备。这些设备 都被映射到 Linux 文件系统的文件和目录中，用过 系统调用接口访问。而为了完成上述功能，需要创 建设备驱动，驱动主要功能如下： ①对设备初始化； ②启动或停止设备运行； ③内核空间与用户空间的 数据交互； ④检查设备状态。
创建 AD 设备将其划归为混杂设备（ MISC） ，其 驱动程序主要代码如下：
#define DEVICE_NAME " ADC_DEV" / / 定义设 备名称 " ADC_DEV"
int channel = 0x00； / / 控制 74LS151 的 A、B、C 端口
static unsigned long channel_table［］ = ｛
S3C2440_GPB5， S3C2440_GPB6， S3C2440_GPB7， ｝； void swicth_channel（ int c） / / 加入通道选择控 制函数 ｛ s3c2440_gpio _setpin （ channel _table［0 ］，（ c ＆ 0x01） ） ； c = c ＞ ＞ 1； s3c2440_gpio _setpin （ channel _table［1 ］，（ c ＆ 0x01） ） ； c = c ＞ ＞ 1； s3c2440_gpio _setpin （ channel _table［2 ］，（ c ＆ 0x01） ） ； ｝ / /将模数转换后的数字量写入用户空间 static ssize_t adc_read（ struct file * fp，char __user* buf，size_t count，loff_t * ppos） ｛ STAＲT_ADC（ adc_dev． ch，adc_dev． pres） ； / / 启 动 ADC 转换 wait_event_interruptible（ adc_dev． wait，adc_dev． flag） ； / / 等待 ADC 转换完成 adc_dev． flag = 0； / / 复制到用户空间数据格式" channel： dc_dec． data" char dat［12］； sprintf（ data，" % d： % d" ，channel，adc_dec． da-