便携式国产大飞机维修辅助设备的设计与实现

摘  要： 关键词： 嵌入式系统；便携式维修辅助设备；S3C2440；可穿戴
       由于大型国产民用飞机设备的迅速发展，使得民机维修业不能满足发展需求。维修人员不仅要花费大量时间查阅各种纸制技术手册，还要寻找航材、配件和工具，而且维修检测的数据分散，难以储存和查找，人为差错时有发生。为确保维修质量，提高维修效率，设计具有数字化、网络化的便携式国产民用大飞机维修辅助设备具有重要意义[1]。
     便携式维修辅助设备(PMA)的含义：在维修中采用现代化自动处理设备，包括便携式电子显示设备、便携式维修设备、技术数据读取器/浏览器等。PMA在维修信息系统中既是面向维修技术人员的客户端装置，也是维修管理人员发出维修指令、采购备件、故障诊断及预测的直接工具。
     本系统为具有无线联网功能的可穿戴便携式国产民用大飞机维修辅助设备，实现维修技术信息的快速查询，建立飞机设备检修、测试流程规范，在线维修作业培训，维修任务管理，基于RFID的航材/工具自动化调配等目标，提高民用飞机运营的安全性和维修的经济性[2]。
1 PMA系统结构
     便携式维修辅助设备PMA系统总体设计结构包括设备硬件系统组成和设备软件实现[3，4]。硬件采用核心板加扩展板的结构方式。核心板主要包括处理器、存储器，其他部分如LCD/触摸屏、无线通信模块、网口、串口等放置在扩展板上；软件包括嵌入式实时操作系统、GUI图形用户界面和系统应用软件等。系统结构图如图1所示。
   
   2 PMA系统硬件设计
2.1 PMA系统硬件连接
     PMA可穿戴便携式维修辅助设备由头戴和手持两部分组成，其硬件连接如图2所示。
   
       (1)头戴部分
     头戴部分主要包括头带照明灯、单目显示器、摄像头、麦克风、耳机等外接输入输出设备。在设计中大量使用可穿戴计算技术[5]，使多种计算机设备结合在头部，操作直观方便，维修人员在与外部取得联系的同时双手可以从事其他工作，眼睛能照顾周围环境和手上动作。
     (2)手持部分
     手持部分采用ARM嵌入式系统，包括电源、无线模块、键盘、触摸屏等部分。使用手持PMA可将有关数据传输到本地数据库系统中或者通过无线局域网传输到维修信息中心，也可将大量专用维修数据下载到可穿戴PMA系统内。维修操作人员可通过手持部分PMA随时查阅维修手册、查找零件目录和其他重要数据，并根据维修需要，选择触摸屏或单目显示器进行显示输出。
2.2 PMA硬件组成结构
     PMA硬件组成框图如图3所示。
   
   2.2.1 嵌入式微处理器
     PMA系统设计采用S3C2440作为系统的核心嵌入式微处理器。S3C2440处理器是Samsung公司基于ARM公司的ARM920T处理器核，采用0.18 μm制造工艺的32位微处理器。
2.2.2 S3C2440中央系统各部分模块实现
     (1)存储模块。Flash采用Samsung公司的64 MB Flash芯片K9F5608U0C，用来存放操作系统、系统引导程序和其他在系统掉电后需要保存的用户数据。SDRAM采用Samsung公司64 MB的SDRAM芯片HY57V51620BT，用做系统内存，主要用来存放执行代码和变量，是系统启动之后进行存取操作的存储器，具有容量大、存取速度快、成本低的特点。SD存储卡利用S3C2440本身的SD卡接口控制器，支持Multi Media Card（MMC）标准V2.2，实现PMA大数据量的存储。
     (2)电源管理模块。ARM处理器核心工作电压为300 MHz
@1.20 V、400 MHz@1.30 V，I/O工作电压3.3 V，还准备了5 V电源。电源采用高性能锂电池，对ARM微处理器和头戴部分供电，采用电压转换电路实现，该电源满足各部分对于不同电源电压的要求。
     (3)音视频编解码接口模块。PMA头戴部分实现语音图像的输入输出。S3C2440内嵌音频接口电路，支持AC97音频接口，只需外接音频编解码电路即可完成系统的音频输入输出。本系统采用外接编解码芯片CS4299，CS4299是基于多媒体应用的立体声编解码器，兼容AC97 2.2规范，内嵌20位立体声D/A转换器和18位立体声A/D转换器，可提供高质量音频输入输出。S3C2440内嵌摄像头接口CAMIF，支持最大4 096×4 096的输入，2 048×2 048缩放输入。摄像头选用中微星ZC301P，30万像素USB摄像头。
     (4)无线模块。无线模块选用802.11n无线网卡，实现PMA设备与航空维修信息中心无线通信，保证大量数据的上传下载。系统采用TP-Link的TL-WN821N 11n USB无线网卡，支持协议IEEE 802.11n/g/b，传输速率最高可达300 Mb/s，接口为USB，工作在2.4 GHz频段，覆盖范围最远300 m(因环境而异)。
     (5)LCD/触摸屏接口模块。S3C2440A内部有LCD控制器，可以支持STN和TFT屏，还提供了触摸屏接口外设，可直接与触摸屏外设进行连接。采用NEC 256K色240×320/3.5英寸TFT真彩液晶屏，带触摸屏，用于实现系统界面的显示。
     (6)以太网接口模块。在PMA系统中实现与PC机通信的网络功能，采用DM9000作为以太网的处理芯片。DM9000是一个高度集成而且功耗很低的高速网络控制器，可以和CPU直接相连，支持10/100 M以太网连接，芯片内部自带4 K双字节的SRAM。
3 PMA系统软件设计
3.1 系统软件总体框架设计
     选用嵌入式Linux作为操作系统，选用Qt/Embedded作为系统图形用户界面。在嵌入式Linux操作系统和Qt/Embedded图形用户界面基础上设计PMA的各部分应用程序软件。
3.2 嵌入式操作系统
     目前国内外比较流行的嵌入式操作系统有VxWorks、pSOS、Win CE、?滋c/os-II和Linux等。
     考虑到Linux的各种优点，本系统采用嵌入式Linux作为PMA的操作系统。嵌入式Linux管理整个PMA系统的硬件设备并对所有程序进行调度，是软件系统的核心。Linux移植一般包括启动加载代码（Boot loader）的移植、内核移植、驱动程序的编写、文件系统的构建等。
     Boot loader首先完成硬件设备的初始化，然后设置Linux 内核的启动参数，最后调用Linux 内核，直接跳转到Linux 内核的第一条指令处。
     在Linux操作系统上编写各部分硬件系统的驱动程序，包括LCD触摸屏显示驱动、以太网驱动程序、SD卡驱动程序、USB驱动无线网络驱动等。
     文件系统构成了Linux系统所有数据的基础。系统设计选用CramFS文件系统，Linux启动时自动加载文件系统，完成系统的启动。
3.3 图形用户界面
     目前发展比较成熟的GUI系统有MiniGUI、MicroWindows、OpenGUI、Qt/Embedded等。
     Qt/Embedded是为嵌入式设备上的图形用户接口和应用开发而定制的C++工具开发包。它通常运行在为多种不同的处理器部署的嵌入式Linux操作系统上。由于Qt/Embedded的良好特性，本系统设计选用Qt/Embedded作为PMA嵌入式系统的图形用户界面。
     PMA系统主要展示系统起始用户登录界面、IETM技术文档查询显示界面、备件工具查询申领界面，维修人员与远程专家交互界面等。在实现系统时要进行界面的不断切换和刷新，Qt/Embedded的良好特性给系统提供了可靠的显示。
3.4 系统应用软件功能实现
     在Linux系统中实现PMA。PMA系统管理应用软件主要包括用户基本信息管理、交互式电子技术手册(IETM)查询、备件工具查询申领、维修文档实时记录分析、维修监控、远程技术支持、故障诊断[6]。PMA应用软件框架结构图如图4所示。
   
   3.4.1 电子技术文档的交互式查询系统
     维修技术资料的数字化是航空维修系统的发展趋势，PMA可以提供实时的维修技术资料支持，提供技术资料的交互式查询、检索以及更新，以提供部件的详细数据，缩短维修时间。实际维修现场可以通过红外条码扫描仪或者语音图像输入输出设备将维修部件的信息通过无线局域网发送到维修信息中心，经过IETM信息数据库查询将维修部件详细数据发送到PMA系统交互界面上显示。
3.4.2 维修技术人员基本信息管理系统
     维修技术人员基本信息管理系统包括用户密码修改、维修人员个人基本信息、维修计划任务和维修日志查询等。将这些基本信息直接以文本形式存储于本地存储单元内或通过用户登录的同时将数据传送到PMA上进行临时保存，主要是便于维修技术人员了解维修情况和管理人员进行管理。
3.4.3 备件工具查询申领系统
     当维修过程中需要更换维修器件时，在备件工具查询申领系统中输入维修需要的器件、工具，通过无线局域网发送到维修信息中心，维修信息中心将这些信息传送到备件工具管理系统库，使用RFID等物联网技术查询定位，取得备件工具后通过后勤管理部门进行物品的运送，实现备件工具查询申领需求。
3.4.4 维修技术文档实时记录分析系统
     在维修过程中会出现技术人员没有碰到的一些技术难点，或者是刚上岗的新员工对维修过程经验不足的情况，这就有必要对维修技术文档进行实时记录分析和管理。维修技术文档实时记录分析系统有助于维修部门对于维修技术难点、创新点、经验等各方面的积累。
3.4.5 维修监控系统
     维修人员可以在维修现场以文字或图像的形式实时地将维修信息输入到PMA，供维修信息中心维修管理人员对维修活动和航空设备状态进行监控。
3.4.6 远程技术支持专家系统
     通过无线网络技术，PMA可以为维修人员提供详细的技术数据和远程技术支持，指导现场维修工作，提高维修效率，降低维修人员的劳动强度和技术要求。远程技术支持专家系统可以采用文本短消息、语音、视频图像的方式在维修人员和远程专家系统之间进行交互。
3.4.7 常见技术故障诊断系统
     故障诊断与航空设备直接连接，PMA为维修技术人员进行故障诊断，特别对那些没有内嵌故障诊断与预测的大型复杂航空设备的故障诊断提供方便。诊断过程包括原始数据获取、信号分析、特征提取、故障推理诊断并给出诊断报告等。故障诊断系统将常见技术故障症状和维修处理过程保存在维修信息中心的技术故障数据库中。
     本文设计了一种便携式的国产民用大飞机维修辅助设备，详细介绍了系统的硬件构成及软件实现，并在S3C2440的开发平台上对系统进行了具体实现。随着国产民用大飞机的快速发展，开发具有无线联网功能的可穿戴便携式国产民用大飞机维修辅助设备，将有助于整体提高航空维修业的发展水平，保证民用飞机运营的安全性，提高民用飞机维修的效率，降低维修成本。
参考文献
[1] ORLIDGE L A.PIP-enhanced "at system" diagnosis on the  flightline.AUTOTESTCON Proceedings，2001.IEEE Systems Readiness Technology Conference.
[2] 曹原，杜晓明.便携维修辅助设备(PMA)的应用研究[J].  第一届维修工程国际学术会议论文集，2006：358-360.
[3] 姜志宏，王晖，孙晓，等.穿戴式辅助维修终端系统KD- PMA的设计[J].兵工自动化，2006，25(9)：21-22.
[4] 苏建军，朱红，刘继伟，等.便携式维修检测组合(PMA-PIP)系统的设计[J].计算机测量与控制，2009，17(12)：2394-2396.
[5] HENDRIK W，TOM N，HOLGER K.Designing a wearable user interface for hands-free interaction in maintenance applications.Proceedings-Fourth Annual IEEE International Conference on Pervasive Computing and Communications Workshops，PerCom Workshops 2006.
[6] 孟飞，吕永健.飞机维修保障中开发和应用PMA的几点思考建议[J].航空维修与工程，2008(4)：44-47.