《電子技術(shù)應(yīng)用》
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便攜式國產(chǎn)大飛機(jī)維修輔助設(shè)備的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
來源:電子技術(shù)應(yīng)用2011年第1期
包江奇,,黃 煒
(電子科技大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院,,四川 成都611731)
摘要: 設(shè)計(jì)開發(fā)了以ARM處理器為核心的便攜式國產(chǎn)大飛機(jī)維修輔助設(shè)備PMA,。設(shè)備以Samsung公司的S3C2440及其外圍擴(kuò)展模塊為硬件實(shí)現(xiàn)平臺(tái),,采用嵌入式操作系統(tǒng)Linux,在QT/Embedded圖形用戶界面基礎(chǔ)上完成系統(tǒng)應(yīng)用軟件開發(fā),。
中圖分類號(hào): TP273.5
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2011)01-0028-03
Research and implementation of portable maintenance aids based on China-made large aircraft
Bao Jiangqi,,Huang Wei
Dept.of Communication and Information Engineering, University of Electronic Science and Technology, Chengdu 611731,,China
Abstract: This paper designed China-made large aircraft portable maintenance aids based on ARM processor. The PMA is designed by the characteristics of S3C2440 and some outer module as hardware platform, using embedded Linux as operation system and QT/Embedded as graphical user interface to design the system application software.
Key words : embedded systems,;portable maintenance aids,;S3C2440;wearable


    由于大型國產(chǎn)民用飛機(jī)設(shè)備的迅速發(fā)展,,使得民機(jī)維修業(yè)不能滿足發(fā)展需求,。維修人員不僅要花費(fèi)大量時(shí)間查閱各種紙制技術(shù)手冊,還要尋找航材,、配件和工具,而且維修檢測的數(shù)據(jù)分散,,難以儲(chǔ)存和查找,,人為差錯(cuò)時(shí)有發(fā)生。為確保維修質(zhì)量,,提高維修效率,,設(shè)計(jì)具有數(shù)字化,、網(wǎng)絡(luò)化的便攜式國產(chǎn)民用大飛機(jī)維修輔助設(shè)備具有重要意義[1]。
    便攜式維修輔助設(shè)備(PMA)的含義:在維修中采用現(xiàn)代化自動(dòng)處理設(shè)備,,包括便攜式電子顯示設(shè)備,、便攜式維修設(shè)備、技術(shù)數(shù)據(jù)讀取器/瀏覽器等,。PMA在維修信息系統(tǒng)中既是面向維修技術(shù)人員的客戶端裝置,,也是維修管理人員發(fā)出維修指令、采購備件,、故障診斷及預(yù)測的直接工具,。
    本系統(tǒng)為具有無線聯(lián)網(wǎng)功能的可穿戴便攜式國產(chǎn)民用大飛機(jī)維修輔助設(shè)備,實(shí)現(xiàn)維修技術(shù)信息的快速查詢,,建立飛機(jī)設(shè)備檢修,、測試流程規(guī)范,在線維修作業(yè)培訓(xùn),,維修任務(wù)管理,,基于RFID的航材/工具自動(dòng)化調(diào)配等目標(biāo),提高民用飛機(jī)運(yùn)營的安全性和維修的經(jīng)濟(jì)性[2],。
1 PMA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    便攜式維修輔助設(shè)備PMA系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)包括設(shè)備硬件系統(tǒng)組成和設(shè)備軟件實(shí)現(xiàn)[3,,4]。硬件采用核心板加擴(kuò)展板的結(jié)構(gòu)方式,。核心板主要包括處理器,、存儲(chǔ)器,其他部分如LCD/觸摸屏,、無線通信模塊,、網(wǎng)口、串口等放置在擴(kuò)展板上,;軟件包括嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),、GUI圖形用戶界面和系統(tǒng)應(yīng)用軟件等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示,。

2 PMA系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 PMA系統(tǒng)硬件連接

    PMA可穿戴便攜式維修輔助設(shè)備由頭戴和手持兩部分組成,,其硬件連接如圖2所示。

    (1)頭戴部分
    頭戴部分主要包括頭帶照明燈,、單目顯示器,、攝像頭、麥克風(fēng),、耳機(jī)等外接輸入輸出設(shè)備,。在設(shè)計(jì)中大量使用可穿戴計(jì)算技術(shù)[5],使多種計(jì)算機(jī)設(shè)備結(jié)合在頭部,操作直觀方便,,維修人員在與外部取得聯(lián)系的同時(shí)雙手可以從事其他工作,,眼睛能照顧周圍環(huán)境和手上動(dòng)作。
    (2)手持部分
    手持部分采用ARM嵌入式系統(tǒng),,包括電源,、無線模塊、鍵盤,、觸摸屏等部分,。使用手持PMA可將有關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖镜財(cái)?shù)據(jù)庫系統(tǒng)中或者通過無線局域網(wǎng)傳輸?shù)骄S修信息中心,也可將大量專用維修數(shù)據(jù)下載到可穿戴PMA系統(tǒng)內(nèi),。維修操作人員可通過手持部分PMA隨時(shí)查閱維修手冊,、查找零件目錄和其他重要數(shù)據(jù),并根據(jù)維修需要,,選擇觸摸屏或單目顯示器進(jìn)行顯示輸出,。
2.2 PMA硬件組成結(jié)構(gòu)
    PMA硬件組成框圖如圖3所示。

2.2.1 嵌入式微處理器
    PMA系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用S3C2440作為系統(tǒng)的核心嵌入式微處理器,。S3C2440處理器是Samsung公司基于ARM公司的ARM920T處理器核,,采用0.18 μm制造工藝的32位微處理器。
2.2.2 S3C2440中央系統(tǒng)各部分模塊實(shí)現(xiàn)
    (1)存儲(chǔ)模塊,。Flash采用Samsung公司的64 MB Flash芯片K9F5608U0C,,用來存放操作系統(tǒng)、系統(tǒng)引導(dǎo)程序和其他在系統(tǒng)掉電后需要保存的用戶數(shù)據(jù),。SDRAM采用Samsung公司64 MB的SDRAM芯片HY57V51620BT,,用做系統(tǒng)內(nèi)存,主要用來存放執(zhí)行代碼和變量,,是系統(tǒng)啟動(dòng)之后進(jìn)行存取操作的存儲(chǔ)器,,具有容量大、存取速度快,、成本低的特點(diǎn),。SD存儲(chǔ)卡利用S3C2440本身的SD卡接口控制器,支持Multi Media Card(MMC)標(biāo)準(zhǔn)V2.2,,實(shí)現(xiàn)PMA大數(shù)據(jù)量的存儲(chǔ),。
    (2)電源管理模塊。ARM處理器核心工作電壓為300 MHz
@1.20 V,、400 [email protected] V,,I/O工作電壓3.3 V,還準(zhǔn)備了5 V電源,。電源采用高性能鋰電池,,對ARM微處理器和頭戴部分供電,,采用電壓轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn),該電源滿足各部分對于不同電源電壓的要求,。
    (3)音視頻編解碼接口模塊。PMA頭戴部分實(shí)現(xiàn)語音圖像的輸入輸出,。S3C2440內(nèi)嵌音頻接口電路,,支持AC97音頻接口,只需外接音頻編解碼電路即可完成系統(tǒng)的音頻輸入輸出,。本系統(tǒng)采用外接編解碼芯片CS4299,,CS4299是基于多媒體應(yīng)用的立體聲編解碼器,兼容AC97 2.2規(guī)范,,內(nèi)嵌20位立體聲D/A轉(zhuǎn)換器和18位立體聲A/D轉(zhuǎn)換器,,可提供高質(zhì)量音頻輸入輸出。S3C2440內(nèi)嵌攝像頭接口CAMIF,,支持最大4 096×4 096的輸入,,2 048×2 048縮放輸入。攝像頭選用中微星ZC301P,,30萬像素USB攝像頭,。
    (4)無線模塊。無線模塊選用802.11n無線網(wǎng)卡,,實(shí)現(xiàn)PMA設(shè)備與航空維修信息中心無線通信,,保證大量數(shù)據(jù)的上傳下載。系統(tǒng)采用TP-Link的TL-WN821N 11n USB無線網(wǎng)卡,,支持協(xié)議IEEE 802.11n/g/b,,傳輸速率最高可達(dá)300 Mb/s,接口為USB,,工作在2.4 GHz頻段,,覆蓋范圍最遠(yuǎn)300 m(因環(huán)境而異)。
    (5)LCD/觸摸屏接口模塊,。S3C2440A內(nèi)部有LCD控制器,,可以支持STN和TFT屏,還提供了觸摸屏接口外設(shè),,可直接與觸摸屏外設(shè)進(jìn)行連接,。采用NEC 256K色240×320/3.5英寸TFT真彩液晶屏,帶觸摸屏,,用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)界面的顯示,。
    (6)以太網(wǎng)接口模塊。在PMA系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)通信的網(wǎng)絡(luò)功能,,采用DM9000作為以太網(wǎng)的處理芯片,。DM9000是一個(gè)高度集成而且功耗很低的高速網(wǎng)絡(luò)控制器,,可以和CPU直接相連,支持10/100 M以太網(wǎng)連接,,芯片內(nèi)部自帶4 K雙字節(jié)的SRAM,。
3 PMA系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1 系統(tǒng)軟件總體框架設(shè)計(jì)

    選用嵌入式Linux作為操作系統(tǒng),選用Qt/Embedded作為系統(tǒng)圖形用戶界面,。在嵌入式Linux操作系統(tǒng)和Qt/Embedded圖形用戶界面基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)PMA的各部分應(yīng)用程序軟件,。
3.2 嵌入式操作系統(tǒng)
    目前國內(nèi)外比較流行的嵌入式操作系統(tǒng)有VxWorks、pSOS,、Win CE,、?滋c/os-II和Linux等。
    考慮到Linux的各種優(yōu)點(diǎn),,本系統(tǒng)采用嵌入式Linux作為PMA的操作系統(tǒng),。嵌入式Linux管理整個(gè)PMA系統(tǒng)的硬件設(shè)備并對所有程序進(jìn)行調(diào)度,是軟件系統(tǒng)的核心,。Linux移植一般包括啟動(dòng)加載代碼(Boot loader)的移植,、內(nèi)核移植、驅(qū)動(dòng)程序的編寫,、文件系統(tǒng)的構(gòu)建等,。
    Boot loader首先完成硬件設(shè)備的初始化,然后設(shè)置Linux 內(nèi)核的啟動(dòng)參數(shù),,最后調(diào)用Linux 內(nèi)核,,直接跳轉(zhuǎn)到Linux 內(nèi)核的第一條指令處。
    在Linux操作系統(tǒng)上編寫各部分硬件系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序,,包括LCD觸摸屏顯示驅(qū)動(dòng),、以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)程序、SD卡驅(qū)動(dòng)程序,、USB驅(qū)動(dòng)無線網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)等,。
    文件系統(tǒng)構(gòu)成了Linux系統(tǒng)所有數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用CramFS文件系統(tǒng),,Linux啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)加載文件系統(tǒng),,完成系統(tǒng)的啟動(dòng)。
3.3 圖形用戶界面
    目前發(fā)展比較成熟的GUI系統(tǒng)有MiniGUI,、MicroWindows,、OpenGUI、Qt/Embedded等,。
    Qt/Embedded是為嵌入式設(shè)備上的圖形用戶接口和應(yīng)用開發(fā)而定制的C++工具開發(fā)包,。它通常運(yùn)行在為多種不同的處理器部署的嵌入式Linux操作系統(tǒng)上。由于Qt/Embedded的良好特性,,本系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用Qt/Embedded作為PMA嵌入式系統(tǒng)的圖形用戶界面,。
    PMA系統(tǒng)主要展示系統(tǒng)起始用戶登錄界面,、IETM技術(shù)文檔查詢顯示界面、備件工具查詢申領(lǐng)界面,,維修人員與遠(yuǎn)程專家交互界面等,。在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)要進(jìn)行界面的不斷切換和刷新,Qt/Embedded的良好特性給系統(tǒng)提供了可靠的顯示,。
3.4 系統(tǒng)應(yīng)用軟件功能實(shí)現(xiàn)
    在Linux系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)PMA,。PMA系統(tǒng)管理應(yīng)用軟件主要包括用戶基本信息管理、交互式電子技術(shù)手冊(IETM)查詢,、備件工具查詢申領(lǐng)、維修文檔實(shí)時(shí)記錄分析,、維修監(jiān)控,、遠(yuǎn)程技術(shù)支持、故障診斷[6],。PMA應(yīng)用軟件框架結(jié)構(gòu)圖如圖4所示,。

3.4.1 電子技術(shù)文檔的交互式查詢系統(tǒng)
    維修技術(shù)資料的數(shù)字化是航空維修系統(tǒng)的發(fā)展趨勢,PMA可以提供實(shí)時(shí)的維修技術(shù)資料支持,,提供技術(shù)資料的交互式查詢,、檢索以及更新,以提供部件的詳細(xì)數(shù)據(jù),,縮短維修時(shí)間,。實(shí)際維修現(xiàn)場可以通過紅外條碼掃描儀或者語音圖像輸入輸出設(shè)備將維修部件的信息通過無線局域網(wǎng)發(fā)送到維修信息中心,經(jīng)過IETM信息數(shù)據(jù)庫查詢將維修部件詳細(xì)數(shù)據(jù)發(fā)送到PMA系統(tǒng)交互界面上顯示,。
3.4.2 維修技術(shù)人員基本信息管理系統(tǒng)
    維修技術(shù)人員基本信息管理系統(tǒng)包括用戶密碼修改,、維修人員個(gè)人基本信息、維修計(jì)劃任務(wù)和維修日志查詢等,。將這些基本信息直接以文本形式存儲(chǔ)于本地存儲(chǔ)單元內(nèi)或通過用戶登錄的同時(shí)將數(shù)據(jù)傳送到PMA上進(jìn)行臨時(shí)保存,,主要是便于維修技術(shù)人員了解維修情況和管理人員進(jìn)行管理。
3.4.3 備件工具查詢申領(lǐng)系統(tǒng)
    當(dāng)維修過程中需要更換維修器件時(shí),,在備件工具查詢申領(lǐng)系統(tǒng)中輸入維修需要的器件,、工具,通過無線局域網(wǎng)發(fā)送到維修信息中心,,維修信息中心將這些信息傳送到備件工具管理系統(tǒng)庫,,使用RFID等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)查詢定位,取得備件工具后通過后勤管理部門進(jìn)行物品的運(yùn)送,,實(shí)現(xiàn)備件工具查詢申領(lǐng)需求,。
3.4.4 維修技術(shù)文檔實(shí)時(shí)記錄分析系統(tǒng)
    在維修過程中會(huì)出現(xiàn)技術(shù)人員沒有碰到的一些技術(shù)難點(diǎn),或者是剛上崗的新員工對維修過程經(jīng)驗(yàn)不足的情況,,這就有必要對維修技術(shù)文檔進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄分析和管理,。維修技術(shù)文檔實(shí)時(shí)記錄分析系統(tǒng)有助于維修部門對于維修技術(shù)難點(diǎn),、創(chuàng)新點(diǎn)、經(jīng)驗(yàn)等各方面的積累,。
3.4.5 維修監(jiān)控系統(tǒng)
    維修人員可以在維修現(xiàn)場以文字或圖像的形式實(shí)時(shí)地將維修信息輸入到PMA,,供維修信息中心維修管理人員對維修活動(dòng)和航空設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。
3.4.6 遠(yuǎn)程技術(shù)支持專家系統(tǒng)
    通過無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),,PMA可以為維修人員提供詳細(xì)的技術(shù)數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程技術(shù)支持,,指導(dǎo)現(xiàn)場維修工作,提高維修效率,,降低維修人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和技術(shù)要求,。遠(yuǎn)程技術(shù)支持專家系統(tǒng)可以采用文本短消息、語音,、視頻圖像的方式在維修人員和遠(yuǎn)程專家系統(tǒng)之間進(jìn)行交互,。
3.4.7 常見技術(shù)故障診斷系統(tǒng)
    故障診斷與航空設(shè)備直接連接,PMA為維修技術(shù)人員進(jìn)行故障診斷,,特別對那些沒有內(nèi)嵌故障診斷與預(yù)測的大型復(fù)雜航空設(shè)備的故障診斷提供方便,。診斷過程包括原始數(shù)據(jù)獲取、信號(hào)分析,、特征提取,、故障推理診斷并給出診斷報(bào)告等。故障診斷系統(tǒng)將常見技術(shù)故障癥狀和維修處理過程保存在維修信息中心的技術(shù)故障數(shù)據(jù)庫中,。
    本文設(shè)計(jì)了一種便攜式的國產(chǎn)民用大飛機(jī)維修輔助設(shè)備,,詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的硬件構(gòu)成及軟件實(shí)現(xiàn),并在S3C2440的開發(fā)平臺(tái)上對系統(tǒng)進(jìn)行了具體實(shí)現(xiàn),。隨著國產(chǎn)民用大飛機(jī)的快速發(fā)展,,開發(fā)具有無線聯(lián)網(wǎng)功能的可穿戴便攜式國產(chǎn)民用大飛機(jī)維修輔助設(shè)備,將有助于整體提高航空維修業(yè)的發(fā)展水平,,保證民用飛機(jī)運(yùn)營的安全性,,提高民用飛機(jī)維修的效率,降低維修成本,。
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