基于北斗二代的飛機(jī)除冰車定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高建樹，趙寶增

（中國民航大學(xué)航空自動(dòng)化學(xué)院，天津300300）

引 言

飛機(jī)除冰車是對(duì)飛機(jī)進(jìn)行除冰的機(jī)場(chǎng)特種車輛。機(jī)身表面的冰層會(huì)增加飛機(jī)在空中的運(yùn)動(dòng)阻力，造成飛機(jī)失速、機(jī)翼變形等故障，因而飛機(jī)在起飛前必須進(jìn)行除冰［1]。在機(jī)場(chǎng)運(yùn)行中，為了更加有效地使用除冰車，調(diào)度系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。目前市場(chǎng)上廣泛存在以GPS為主的車輛調(diào)度系統(tǒng)，然而隨著我國北斗二代（BD2）技術(shù)的逐漸成熟，北斗定位技術(shù)必將在民航等領(lǐng)域取代GPS成為定位導(dǎo)航技術(shù)的主流，因而對(duì)于北斗定位技術(shù)的研發(fā)具有極大的科研意義。本文中提出的除冰車定位技術(shù)，以BD2定位技術(shù)為前提，充分考慮了除冰車本身的特殊性，研制了一種適用于除冰車的調(diào)度管理系統(tǒng)，以提高除冰車的運(yùn)行效率。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由處理器模塊、定位模塊、檢測(cè)模塊、無線傳輸模塊、電源模塊五部分組成。處理器模塊主要由ARM處理器、SDRAM、NAND FLASH、復(fù)位電路組成。NAND FALSH用于存儲(chǔ)系統(tǒng)代碼，SDRAM提供系統(tǒng)運(yùn)行的內(nèi)存空間，ARM處理器采用SAMSUNG公司的ARM9系列S3C2440A。S3C2440A基于ARM920T內(nèi)核，價(jià)格低，功耗小，適于應(yīng)用型設(shè)備的開發(fā)［2]。

定位模塊UM220用于接收除冰車的定位信息數(shù)據(jù)，CR－606檢測(cè)模塊完成對(duì)除冰車油位及除冰液液位數(shù)據(jù)的采集，無線傳輸模塊GTM900B則用于將采集到的數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)，供管理人員參考。電源模塊主要負(fù)責(zé)各模塊的電能供給。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 液位檢測(cè)模塊

傳感器殼體與感應(yīng)電極之間有電容量的變化，將這個(gè)變化量經(jīng)電路轉(zhuǎn)換后以4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出。但由于處理器A／D模塊輸入范圍為0～3.3V的電壓信號(hào)，因此需將傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換原理圖如圖2所示。

圖2 油位檢測(cè)轉(zhuǎn)換電路

信號(hào)轉(zhuǎn)換電路基于運(yùn)算放大器原理，采用TI公司的OP07D進(jìn)行設(shè)計(jì)。OP07D為一款精密、超低失調(diào)、低功耗的電壓放大器，且支持單電源供電。圖中R1為250Ω精密電阻，U1為電壓跟隨器用于將4～20mA的電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)?～5V的電壓信號(hào)。如當(dāng)Ii為4mA時(shí)，Vi1為1 V，Vo1＝Av·Vi1，當(dāng)Ii為20mA時(shí)，可得Vo1為5V［3]。

U2為調(diào)零、增益電路，負(fù)責(zé)將1～5V的信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)?～3.3V的處理器A／D標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。其中，Vi2為調(diào)零電壓，R3＝R4＝400Ω、R5＝R6＝400Ω，R6／R3＝R5／R4當(dāng)由式（1）可得當(dāng)Vo1為1V時(shí)，輸出Vo2為0V，當(dāng)Vo1為5V時(shí)，輸出Vo2為3.3V。

2.2 定位模塊

系統(tǒng)采用和芯星通公司的UM220作為定位模塊。UM220為雙模塊、高性能的GNSS芯片，定位精度3m，具有NMEA0183導(dǎo)航電文格式，支持GPS與BD的協(xié)同定位及GPS或BD的單獨(dú)定位。

UM220通過串口與處理器連接，硬件連接原理圖如圖3所示。J1端為外接天線端口，外接有源GPS／BD天線，天線與芯片間的L1、C9、C10組成饋電線路，L1防止電源對(duì)BD／GPS信道影響，C10用于隔離同軸線中的直流信號(hào)，避免芯片損壞。

引腳VBAT外接后備電池，在斷電的情況下，由后備電池進(jìn)行供電，使模塊保存星歷信息，保證在短時(shí)間內(nèi)再次啟動(dòng)時(shí)，能夠快速定位。串口RXD1、TXD1分別與S3C2440A的TXD1、RXD1相連，實(shí)現(xiàn)UM220與處理器之間的數(shù)據(jù)傳遞［4]。

圖3 UM220硬件原理圖

2.3 無線傳輸模塊

無線傳輸部分采用華為公司的GTM900B模塊。GTM900B是一款三頻段GSM／GPRS無線模塊，支持標(biāo)準(zhǔn)的AT命令，內(nèi)嵌TCP／IP協(xié)議，推薦工作電壓為4V。

GTM900B的串口0與S3C2440A的串口2相連接，但由于S3C2440A的串口2在Linux系統(tǒng)下默認(rèn)為紅外接口，故需先調(diào)試內(nèi)核，將S3C2440A的串口2改為普通串口后才能使用。GTM900B的電路原理圖如圖4所示。

圖4 GTM900B電路原理圖

PWON為GPRS模塊開／關(guān)機(jī)控制引腳，在GPRS模塊上電后，引腳必須維持至少10ms的低電平，模塊才能工作。系統(tǒng)采用RC電路完成GPRS模塊的上電自啟動(dòng)功能。D1用于斷電后將C4兩端的電壓釋放掉，以備下次啟動(dòng)。SIM引腳與SIM卡相連接，SIM＿VCC與SIM＿GND負(fù)責(zé)給SIM卡供電，SIM＿DATA用于在SIM卡與GPRS模塊之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，SIM＿CLK提供讀寫SIM卡的參考時(shí)鐘。模塊通過LPG引腳輸出信號(hào)來反應(yīng)模塊的工作狀態(tài)。如模塊啟動(dòng)時(shí)，LPG引腳持續(xù)輸出高電平，當(dāng)模塊發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送周期為125ms，高電平持續(xù)93.59ms的方波信號(hào)，系統(tǒng)通過Q1的通斷，控制LED0的閃滅頻率，從而反應(yīng)模塊的工作狀態(tài)［5]。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)軟件以Linux載體進(jìn)行開發(fā)，主要包括Linux系統(tǒng)制作、應(yīng)用程序編寫、圖形界面設(shè)計(jì)。系統(tǒng)主程序框架如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)主程序框圖

3.2 系統(tǒng)制作

Linux系統(tǒng)開發(fā)主要包括bootloader制作、Linux內(nèi)核裁剪、字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)的添加及根文件系統(tǒng)的制作［6]。

系統(tǒng)采用u－boot－1.1.6源碼制作bootloader，主要完成對(duì)于硬件的初始化及運(yùn)行代碼的搬移工作，在u－boot的設(shè)計(jì)中，需使用軟浮點(diǎn)交叉編譯器進(jìn)行編譯；內(nèi)核以Linux－2.6.31源碼為基礎(chǔ)進(jìn)行裁剪編譯，添加對(duì)于NAND FLASH、LCD等硬件及Yaffes2文件系統(tǒng)的支持，并添加DS18B20及A／D驅(qū)動(dòng)程序；根文件系統(tǒng)采用Yaffes2文件系統(tǒng)進(jìn)行制作，Yaffes2文件系統(tǒng)為專門針對(duì)NAND FLASH所設(shè)計(jì)的文件系統(tǒng)。

3.3 應(yīng)用程序

應(yīng)用程序主要實(shí)現(xiàn)TCP／IP連接及數(shù)據(jù)采集與發(fā)送。應(yīng)用程序流程框圖如圖6所示。

程序采用多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)于數(shù)據(jù)的采集與發(fā)送。在車載端上電后S3C2440A通過向串口發(fā)送AT指令實(shí)現(xiàn)車載端與上位機(jī)的連接。在連接成功后，線程啟動(dòng)開始工作。

程序定義一個(gè)全局變量buf［] ，用于存儲(chǔ)、發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)，并利用多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)于buf［] 的操作，通過信號(hào)量實(shí)現(xiàn)對(duì)于數(shù)據(jù)采集與發(fā)送的同步操作。首先初始化兩個(gè)信號(hào)量：sem1和sem2。代碼如下：

程序首先對(duì)sem1、sem2進(jìn)行P操作，此時(shí)sem1＝0，sem2＜0，數(shù)據(jù)采集線程執(zhí)行，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并放入全局變量buf［] 中，而后對(duì)sem2進(jìn)行V操作sem2＝0，數(shù)據(jù)發(fā)送線程執(zhí)行，將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)，并對(duì)sem1進(jìn)行V操作，sem1變?yōu)?，此時(shí)重復(fù)執(zhí)行之前的步驟對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與發(fā)送。通過對(duì)線程的PV操作實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集線程與發(fā)送線程對(duì)全局變量buf［] 的順序訪問。

但由于GTM900B是以ASCII碼的形式發(fā)送數(shù)據(jù)，因而在數(shù)據(jù)傳輸前需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)化。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序如下：

＊g為待轉(zhuǎn)換的字符串指針，buf為轉(zhuǎn)換后的字符串［7]。

圖6 應(yīng)用程序流程框圖

3.4 圖形界面設(shè)計(jì)

圖形界面主要用于油位及除冰液液位等參數(shù)的虛擬儀表顯示，界面顯示圖如圖7所示。界面采用Linux系統(tǒng)下的Qtcreator進(jìn)行開發(fā)，圖中Olevel儀表顯示除冰車的油位，Llevel顯示除冰液的液位，Tem顯示除冰液的溫度，報(bào)警燈主要實(shí)現(xiàn)油量快耗盡時(shí)的報(bào)警功能。圖形界面的設(shè)計(jì)，可以減少系統(tǒng)的硬件成本，且顯示界面可根據(jù)需求增加相應(yīng)的功能，便于后期的擴(kuò)展。界面儀表通過信號(hào)與槽的形式實(shí)現(xiàn)與硬件的交互，如溫度顯示函數(shù)為［8]：

圖7 Qt圖形界面設(shè)計(jì)

結(jié) 語

在項(xiàng)目設(shè)計(jì)中以S3C2440A處理器為核心，采用我國自主研制的北斗技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)于除冰車的定位操作，并在車載終端實(shí)現(xiàn)了對(duì)于除冰車油位、除冰液參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示，并將參數(shù)連同定位信息一同傳輸至上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)于除冰車更加合理化的調(diào)度。

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