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，難以儲存和查找，人為差錯時有發(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)系的同時雙手可以從事其他工作，眼睛能照顧周圍環(huán)境和手上動作。
    (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?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)啟動之后進(jìn)行存取操作的存儲器，具有容量大、存取速度快、成本低的特點(diǎn)。SD存儲卡利用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。
    (2)電源管理模塊。ARM處理器核心工作電壓為300 MHz
@1.20 V、400 MHz@1.30 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移植一般包括啟動加載代碼（Boot loader）的移植、內(nèi)核移植、驅(qū)動程序的編寫、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)動程序，包括LCD觸摸屏顯示驅(qū)動、以太網(wǎng)驅(qū)動程序、SD卡驅(qū)動程序、USB驅(qū)動無線網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動等。
    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啟動時自動加載文件系統(tǒng)，完成系統(tǒng)的啟動。
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于本地存儲單元內(nèi)或通過用戶登錄的同時將數(shù)據(jù)傳送到PMA上進(jìn)行臨時保存，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，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)時記錄分析系統(tǒng)
    在維修過程中會出現(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)時記錄分析和管理。維修技術(shù)文檔實(shí)時記錄分析系統(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、信號分析、特征提取、故障推理診斷并給出診斷報告等。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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