基于北斗二代的飛機除冰車定位系統設計

高建樹，趙寶增

（中國民航大學航空自動化學院，天津300300）

引 言

飛機除冰車是對飛機進行除冰的機場特種車輛。機身表面的冰層會增加飛機在空中的運動阻力，造成飛機失速、機翼變形等故障，因而飛機在起飛前必須進行除冰［1]。在機場運行中，為了更加有效地使用除冰車，調度系統應運而生。目前市場上廣泛存在以GPS為主的車輛調度系統，然而隨著我國北斗二代（BD2）技術的逐漸成熟，北斗定位技術必將在民航等領域取代GPS成為定位導航技術的主流，因而對于北斗定位技術的研發具有極大的科研意義。本文中提出的除冰車定位技術，以BD2定位技術為前提，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度管理系統，以提高除冰車的運行效率。

1 系統設計

系統主要由處理器模塊、定位模塊、檢測模塊、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、復位電路組成。NAND FALSH用于存儲系統代碼，SDRAM提供系統運行的內存空間，ARM處理器采用SAMSUNG公司的ARM9系列S3C2440A。S3C2440A基于ARM920T內核，價格低，功耗小，適于應用型設備的開發［2]。

定位模塊UM220用于接收除冰車的定位信息數據，CR－606檢測模塊完成對除冰車油位及除冰液液位數據的采集，無線傳輸模塊GTM900B則用于將采集到的數據傳送到上位機，供管理人員參考。電源模塊主要負責各模塊的電能供給。系統的結構示意圖如圖1所示。

圖1 系統結構示意圖

2 硬件設計

2.1 液位檢測模塊

傳感器殼體與感應電極之間有電容量的變化，將這個變化量經電路轉換后以4～20mA標準信號輸出。但由于處理器A／D模塊輸入范圍為0～3.3V的電壓信號，因此需將傳感器的輸出信號進行轉換，轉換原理圖如圖2所示。

圖2 油位檢測轉換電路

信號轉換電路基于運算放大器原理，采用TI公司的OP07D進行設計。OP07D為一款精密、超低失調、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的電流信號轉變為1～5V的電壓信號。如當Ii為4mA時，Vi1為1 V，Vo1＝Av·Vi1，當Ii為20mA時，可得Vo1為5V［3]。

U2為調零、增益電路，負責將1～5V的信號轉變為0～3.3V的處理器A／D標準信號。其中，Vi2為調零電壓，R3＝R4＝400Ω、R5＝R6＝400Ω，R6／R3＝R5／R4當由式（1）可得當Vo1為1V時，輸出Vo2為0V，當Vo1為5V時，輸出Vo2為3.3V。

2.2 定位模塊

系統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導航電文格式，支持GPS與BD的協同定位及GPS或BD的單獨定位。

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BD／GPS信道影響，C10用于隔離同軸線中的直流信號，避免芯片損壞。

引腳VBAT外接后備電池，在斷電的情況下，由后備電池進行供電，使模塊保存星歷信息，保證在短時間內再次啟動時，能夠快速定位。串口RXD1、TXD1分別與S3C2440A的TXD1、RXD1相連，實現UM220與處理器之間的數據傳遞［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，支持標準的AT命令，內嵌TCP／IP協議，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系統下默認為紅外接口，故需先調試內核，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／關機控制引腳，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。系統采用RC電路完成GPRS模塊的上電自啟動功能。D1用于斷電后將C4兩端的電壓釋放掉，以備下次啟動。SIM引腳與SIM卡相連接，SIM＿VCC與SIM＿GND負責給SIM卡供電，SIM＿DATA用于在SIM卡與GPRS模塊之間進行數據的傳輸，SIM＿CLK提供讀寫SIM卡的參考時鐘。模塊通過LPG引腳輸出信號來反應模塊的工作狀態。如模塊啟動時，LPG引腳持續輸出高電平，當模塊發送數據時，發送周期為125ms，高電平持續93.59ms的方波信號，系統通過Q1的通斷，控制LED0的閃滅頻率，從而反應模塊的工作狀態［5]。

3 軟件設計

3.1 軟件結構

系統軟件以Linux載體進行開發，主要包括Linux系統制作、應用程序編寫、圖形界面設計。系統主程序框架如圖5所示。

圖5 系統主程序框圖

3.2 系統制作

Linux系統開發主要包括bootloader制作、Linux內核裁剪、字符設備驅動的添加及根文件系統的制作［6]。

系統采用u－boot－1.1.6源碼制作bootloader，主要完成對于硬件的初始化及運行代碼的搬移工作，在u－boot的設計中，需使用軟浮點交叉編譯器進行編譯；內核以Linux－2.6.31源碼為基礎進行裁剪編譯，添加對于NAND FLASH、LCD等硬件及Yaffes2文件系統的支持，并添加DS18B20及A／D驅動程序；根文件系統采用Yaffes2文件系統進行制作，Yaffes2文件系統為專門針對NAND FLASH所設計的文件系統。

3.3 應用程序

應用程序主要實現TCP／IP連接及數據采集與發送。應用程序流程框圖如圖6所示。

程序采用多線程技術實現對于數據的采集與發送。在車載端上電后S3C2440A通過向串口發送AT指令實現車載端與上位機的連接。在連接成功后，線程啟動開始工作。

程序定義一個全局變量buf［] ，用于存儲、發送采集到的數據，并利用多線程技術實現對于buf［] 的操作，通過信號量實現對于數據采集與發送的同步操作。首先初始化兩個信號量：sem1和sem2。代碼如下：

程序首先對sem1、sem2進行P操作，此時sem1＝0，sem2＜0，數據采集線程執行，對數據進行采集并放入全局變量buf［] 中，而后對sem2進行V操作sem2＝0，數據發送線程執行，將數據發送至上位機，并對sem1進行V操作，sem1變為1，此時重復執行之前的步驟對數據進行采集與發送。通過對線程的PV操作實現數據采集線程與發送線程對全局變量buf［] 的順序訪問。

但由于GTM900B是以ASCII碼的形式發送數據，因而在數據傳輸前需對數據進行格式轉化。數據轉換程序如下：

＊g為待轉換的字符串指針，buf為轉換后的字符串［7]。

圖6 應用程序流程框圖

3.4 圖形界面設計

圖形界面主要用于油位及除冰液液位等參數的虛擬儀表顯示，界面顯示圖如圖7所示。界面采用Linux系統下的Qtcreator進行開發，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，報警燈主要實現油量快耗盡時的報警功能。圖形界面的設計，可以減少系統的硬件成本，且顯示界面可根據需求增加相應的功能，便于后期的擴展。界面儀表通過信號與槽的形式實現與硬件的交互，如溫度顯示函數為［8]：

圖7 Qt圖形界面設計

結 語

在項目設計中以S3C2440A處理器為核心，采用我國自主研制的北斗技術實現對于除冰車的定位操作，并在車載終端實現了對于除冰車油位、除冰液參數的實時顯示，并將參數連同定位信息一同傳輸至上位機，實現對于除冰車更加合理化的調度。

［1] 夏建滿，徐赫男.飛機除冰車技術現狀［J] .專用汽車，2010（2）：1－3.

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［7] 穆煜.嵌入式應用程序設計［M] .北京：郵電大學出版社，2011.

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