基于北斗二代的飞机除冰车定位系统设计

高建树，赵宝增

（中国民航大学航空自动化学院，天津300300）

引 言

飞机除冰车是对飞机进行除冰的机场特种车辆。机身表面的冰层会增加飞机在空中的运动阻力，造成飞机失速、机翼变形等故障，因而飞机在起飞前必须进行除冰［1]。在机场运行中，为了更加有效地使用除冰车，调度系统应运而生。目前市场上广泛存在以GPS为主的车辆调度系统，然而随着我国北斗二代（BD2）技术的逐渐成熟，北斗定位技术必将在民航等领域取代GPS成为定位导航技术的主流，因而对于北斗定位技术的研发具有极大的科研意义。本文中提出的除冰车定位技术，以BD2定位技术为前提，充分考虑了除冰车本身的特殊性，研制了一种适用于除冰车的调度管理系统，以提高除冰车的运行效率。

1 系统设计

系统主要由处理器模块、定位模块、检测模块、无线传输模块、电源模块五部分组成。处理器模块主要由ARM处理器、SDRAM、NAND FLASH、复位电路组成。NAND FALSH用于存储系统代码，SDRAM提供系统运行的内存空间，ARM处理器采用SAMSUNG公司的ARM9系列S3C2440A。S3C2440A基于ARM920T内核，价格低，功耗小，适于应用型设备的开发［2]。

定位模块UM220用于接收除冰车的定位信息数据，CR－606检测模块完成对除冰车油位及除冰液液位数据的采集，无线传输模块GTM900B则用于将采集到的数据传送到上位机，供管理人员参考。电源模块主要负责各模块的电能供给。系统的结构示意图如图1所示。

图1 系统结构示意图

2 硬件设计

2.1 液位检测模块

传感器壳体与感应电极之间有电容量的变化，将这个变化量经电路转换后以4～20mA标准信号输出。但由于处理器A／D模块输入范围为0～3.3V的电压信号，因此需将传感器的输出信号进行转换，转换原理图如图2所示。

图2 油位检测转换电路

信号转换电路基于运算放大器原理，采用TI公司的OP07D进行设计。OP07D为一款精密、超低失调、低功耗的电压放大器，且支持单电源供电。图中R1为250Ω精密电阻，U1为电压跟随器用于将4～20mA的电流信号转变为1～5V的电压信号。如当Ii为4mA时，Vi1为1 V，Vo1＝Av·Vi1，当Ii为20mA时，可得Vo1为5V［3]。

U2为调零、增益电路，负责将1～5V的信号转变为0～3.3V的处理器A／D标准信号。其中，Vi2为调零电压，R3＝R4＝400Ω、R5＝R6＝400Ω，R6／R3＝R5／R4当由式（1）可得当Vo1为1V时，输出Vo2为0V，当Vo1为5V时，输出Vo2为3.3V。

2.2 定位模块

系统采用和芯星通公司的UM220作为定位模块。UM220为双模块、高性能的GNSS芯片，定位精度3m，具有NMEA0183导航电文格式，支持GPS与BD的协同定位及GPS或BD的单独定位。

UM220通过串口与处理器连接，硬件连接原理图如图3所示。J1端为外接天线端口，外接有源GPS／BD天线，天线与芯片间的L1、C9、C10组成馈电线路，L1防止电源对BD／GPS信道影响，C10用于隔离同轴线中的直流信号，避免芯片损坏。

引脚VBAT外接后备电池，在断电的情况下，由后备电池进行供电，使模块保存星历信息，保证在短时间内再次启动时，能够快速定位。串口RXD1、TXD1分别与S3C2440A的TXD1、RXD1相连，实现UM220与处理器之间的数据传递［4]。

图3 UM220硬件原理图

2.3 无线传输模块

无线传输部分采用华为公司的GTM900B模块。GTM900B是一款三频段GSM／GPRS无线模块，支持标准的AT命令，内嵌TCP／IP协议，推荐工作电压为4V。

GTM900B的串口0与S3C2440A的串口2相连接，但由于S3C2440A的串口2在Linux系统下默认为红外接口，故需先调试内核，将S3C2440A的串口2改为普通串口后才能使用。GTM900B的电路原理图如图4所示。

图4 GTM900B电路原理图

PWON为GPRS模块开／关机控制引脚，在GPRS模块上电后，引脚必须维持至少10ms的低电平，模块才能工作。系统采用RC电路完成GPRS模块的上电自启动功能。D1用于断电后将C4两端的电压释放掉，以备下次启动。SIM引脚与SIM卡相连接，SIM＿VCC与SIM＿GND负责给SIM卡供电，SIM＿DATA用于在SIM卡与GPRS模块之间进行数据的传输，SIM＿CLK提供读写SIM卡的参考时钟。模块通过LPG引脚输出信号来反应模块的工作状态。如模块启动时，LPG引脚持续输出高电平，当模块发送数据时，发送周期为125ms，高电平持续93.59ms的方波信号，系统通过Q1的通断，控制LED0的闪灭频率，从而反应模块的工作状态［5]。

3 软件设计

3.1 软件结构

系统软件以Linux载体进行开发，主要包括Linux系统制作、应用程序编写、图形界面设计。系统主程序框架如图5所示。

图5 系统主程序框图

3.2 系统制作

Linux系统开发主要包括bootloader制作、Linux内核裁剪、字符设备驱动的添加及根文件系统的制作［6]。

系统采用u－boot－1.1.6源码制作bootloader，主要完成对于硬件的初始化及运行代码的搬移工作，在u－boot的设计中，需使用软浮点交叉编译器进行编译；内核以Linux－2.6.31源码为基础进行裁剪编译，添加对于NAND FLASH、LCD等硬件及Yaffes2文件系统的支持，并添加DS18B20及A／D驱动程序；根文件系统采用Yaffes2文件系统进行制作，Yaffes2文件系统为专门针对NAND FLASH所设计的文件系统。

3.3 应用程序

应用程序主要实现TCP／IP连接及数据采集与发送。应用程序流程框图如图6所示。

程序采用多线程技术实现对于数据的采集与发送。在车载端上电后S3C2440A通过向串口发送AT指令实现车载端与上位机的连接。在连接成功后，线程启动开始工作。

程序定义一个全局变量buf［] ，用于存储、发送采集到的数据，并利用多线程技术实现对于buf［] 的操作，通过信号量实现对于数据采集与发送的同步操作。首先初始化两个信号量：sem1和sem2。代码如下：

程序首先对sem1、sem2进行P操作，此时sem1＝0，sem2＜0，数据采集线程执行，对数据进行采集并放入全局变量buf［] 中，而后对sem2进行V操作sem2＝0，数据发送线程执行，将数据发送至上位机，并对sem1进行V操作，sem1变为1，此时重复执行之前的步骤对数据进行采集与发送。通过对线程的PV操作实现数据采集线程与发送线程对全局变量buf［] 的顺序访问。

但由于GTM900B是以ASCII码的形式发送数据，因而在数据传输前需对数据进行格式转化。数据转换程序如下：

＊g为待转换的字符串指针，buf为转换后的字符串［7]。

图6 应用程序流程框图

3.4 图形界面设计

图形界面主要用于油位及除冰液液位等参数的虚拟仪表显示，界面显示图如图7所示。界面采用Linux系统下的Qtcreator进行开发，图中Olevel仪表显示除冰车的油位，Llevel显示除冰液的液位，Tem显示除冰液的温度，报警灯主要实现油量快耗尽时的报警功能。图形界面的设计，可以减少系统的硬件成本，且显示界面可根据需求增加相应的功能，便于后期的扩展。界面仪表通过信号与槽的形式实现与硬件的交互，如温度显示函数为［8]：

图7 Qt图形界面设计

结 语

在项目设计中以S3C2440A处理器为核心，采用我国自主研制的北斗技术实现对于除冰车的定位操作，并在车载终端实现了对于除冰车油位、除冰液参数的实时显示，并将参数连同定位信息一同传输至上位机，实现对于除冰车更加合理化的调度。

［1] 夏建满，徐赫男.飞机除冰车技术现状［J] .专用汽车，2010（2）：1－3.

［2] 张豪，杨春燕.汪筱阳.S3C2440A芯片及应用［J] .电子设计共工程，2011（12）：1－5.

［3] 石飞飞，马晨.基于OP07和LTC1543温度采集模块的设计［J] .电子设计工程，2010（12）：1－3.

［4] 李新，包剑，刘卉.车载GPS终端的设计与实现［J] .辽宁工程大学学报，2004（S1）.

［5] 王春波.GPS／GPRS车载终端的设计与实现［D] .成都：电子科技大学，2008：2－30.

［6] 刘峥嵘，张志超，徐振山.嵌入式Linux应用开发详解［M] .北京：机械工业出版社，2004.

［7] 穆煜.嵌入式应用程序设计［M] .北京：邮电大学出版社，2011.

［8] 王瑞民，赵祥模，惠飞，等.基于嵌入式Linux与Qt的汽车虚拟仪表设计［J] .现代电子技术，2012（6）：1－4.