STM32F407 飛機(jī)艙門信號(hào)控制器設(shè)計(jì)

郝曉紅 黃復(fù)清 王 勇

(中國(guó)民航大學(xué)工程技術(shù)訓(xùn)練中心，天津 300300)

0 引言

近幾年來由艙門故障導(dǎo)致的飛行事故頻繁發(fā)生。據(jù)可靠資料數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，從2005 年至今，民航客機(jī)艙門故障引起的飛行事故已有數(shù)十起，其中3 起為1 級(jí)事故(災(zāi)難性)。艙門是飛機(jī)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，關(guān)系到飛機(jī)的飛行安全和機(jī)組、乘客的生命安全。從艙門故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析得出，飛機(jī)艙門的故障模式主要有:不能打開或關(guān)閉、指示故障、密封失效、人為誤動(dòng)作等幾種，這些故障幾乎都與艙門信號(hào)控制器有關(guān)［1］。文章以中國(guó)民航大學(xué)實(shí)習(xí)飛機(jī)波音737-200 的艙門信號(hào)控制器為例，描述了該飛機(jī)艙門信號(hào)控制器的詳細(xì)功能。以STM32F407 微處理器為主控單元，搭建了飛機(jī)艙門信號(hào)控制系統(tǒng)，并將設(shè)計(jì)好的艙門信號(hào)控制器與飛機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)調(diào)試，試驗(yàn)結(jié)果表明，該控制器能滿足功能技術(shù)指標(biāo)，并可靠運(yùn)行。該控制器的設(shè)計(jì)思想和方法可為飛機(jī)部件的設(shè)計(jì)和維修提供的一定的指導(dǎo)和參考價(jià)值。

1 飛機(jī)艙門信號(hào)控制器功能描述

飛機(jī)艙門信號(hào)控制器因機(jī)型不同存在差異性。根據(jù)具體機(jī)型的特點(diǎn)及要求，艙門信號(hào)控制器采用不同的方式實(shí)現(xiàn)不同的功能。現(xiàn)以波音737-200 飛機(jī)艙門系統(tǒng)為例，詳細(xì)介紹一下艙門信號(hào)控制器在該機(jī)型上實(shí)現(xiàn)的具體功能:

(1)飛機(jī)全機(jī)艙門傳感器信號(hào)采集、傳遞、處理、位置狀態(tài)指示以及艙門報(bào)警;

(2)飛機(jī)登機(jī)梯收放作動(dòng)器控制以及登機(jī)梯狀態(tài)監(jiān)控、指示、報(bào)警;

(3)前、后貨艙門作動(dòng)器供電控制、貨艙門位置狀態(tài)指示以及報(bào)警;

(4)滑梯狀態(tài)檢測(cè)、監(jiān)控及預(yù)位報(bào)警;

(5)起落架收放鎖控制與狀態(tài)指示;

(6)APU 火警警告供電控制;

(7)主發(fā)電機(jī)、APU 發(fā)電機(jī)加載控制;

(8)使空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行飛機(jī)加壓操作;

(9)系統(tǒng)機(jī)內(nèi)自檢設(shè)備(built-in test equipment，BITE)測(cè)試。

根據(jù)上述艙門信號(hào)控制器實(shí)現(xiàn)的具體功能，圖1給出了艙門信號(hào)控制系統(tǒng)功能框圖。從圖1 可知，艙門信號(hào)控制器一方面接收需要監(jiān)控、檢測(cè)的相關(guān)位置傳感器的信號(hào)，如艙門位置傳感器、起落架收放位置指示傳感器等;將采集到的信號(hào)進(jìn)行處理，通過數(shù)據(jù)接口單元發(fā)送到數(shù)據(jù)總線，最終在顯示面板進(jìn)行狀態(tài)顯示。另一方面將相應(yīng)面板操作信息發(fā)送到艙門信號(hào)控制器進(jìn)行處理，處理后的數(shù)據(jù)反饋到相應(yīng)作動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)動(dòng)作。如登機(jī)梯手柄進(jìn)行的登機(jī)梯收放操作，將手柄操作指令發(fā)送到艙門信號(hào)控制器，控制器根據(jù)手柄信息判斷執(zhí)行信號(hào)，最后將信號(hào)反饋到登機(jī)梯作動(dòng)部件完成登機(jī)梯收放功能。同時(shí)，及時(shí)跟蹤發(fā)電機(jī)負(fù)載使用情況以及在地面監(jiān)控輔助動(dòng)力裝置(auxiliary power unit，APU)火警警告，一旦發(fā)生火情，及時(shí)觸發(fā)警告系統(tǒng)。

圖1 艙門信號(hào)控制系統(tǒng)功能框圖Fig.1 Functional block diagram of the aircraft doors signal control system

2 基于STM32F407 艙門信號(hào)控制器設(shè)計(jì)

艙門信號(hào)控制器是飛機(jī)艙門系統(tǒng)的主體，由9 個(gè)艙門位置接近傳感器處理模塊、2 個(gè)貨艙門驅(qū)動(dòng)模塊、1 個(gè)登機(jī)梯驅(qū)動(dòng)模塊以及發(fā)電機(jī)負(fù)載監(jiān)控、APU 火警警告電路控制模塊等組成，實(shí)現(xiàn)各種傳感器信號(hào)的采集、信號(hào)處理、邏輯判斷等功能。其中，艙門位置接近傳感器處理模塊是該控制器設(shè)計(jì)的核心單元。傳感器處理模塊的功能是能夠正確接收來自各個(gè)艙門傳感器實(shí)際位置狀態(tài)指令信號(hào)、將指令信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理、邏輯判斷、放大驅(qū)動(dòng)等處理之后，將信號(hào)反饋到艙門顯示系統(tǒng)，給出顯示和警告。

2.1 接近傳感器

為了更好地檢測(cè)艙門的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，民用飛機(jī)采用的傳感器也隨著飛機(jī)智能化程度的提高由傳統(tǒng)機(jī)械式發(fā)展為智能電子式。電渦流式接近傳感器憑借其抗干擾能力強(qiáng)、重復(fù)定位精度高、開關(guān)頻率高、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代民用航空器中。電渦流式接近傳感器也稱為無觸點(diǎn)式行程開關(guān)，利用電渦流效應(yīng)，將位移量轉(zhuǎn)換為感抗的變化，從而進(jìn)行非電量電化測(cè)量。飛機(jī)艙門上所使用的電渦流接近傳感器能檢測(cè)出距離在幾毫米到幾十毫米范圍內(nèi)有無物體靠近，并將位置量信號(hào)轉(zhuǎn)換成電感量輸出［2］，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換與傳遞。圖2 為電渦流式接近傳感器原理圖。

圖2 電渦流式接近傳感器原理圖Fig.2 Schematics of the eddy current proximity sensor

2.2 控制系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

憑借STM32F 系列微處理器獨(dú)特的工作性能，將微處理器(MCU)的實(shí)時(shí)控制功能與數(shù)字信號(hào)處理(DSP)的信號(hào)處理功能完美結(jié)合，并內(nèi)嵌FPU 指令、采用改進(jìn)型實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)、高速度模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)以及浮點(diǎn)運(yùn)算等功能［3-4］。這一系列特點(diǎn)為后期實(shí)現(xiàn)艙門信號(hào)系統(tǒng)的處理提供了良好的開發(fā)環(huán)境。2.2.1 接近傳感器處理模塊設(shè)計(jì)

采集電渦流式接近傳感器信號(hào)的一般方法是采用阻抗電橋來檢測(cè)傳感器內(nèi)部的電感變化量。當(dāng)目標(biāo)物體接近或者遠(yuǎn)離傳感器時(shí)，阻抗電橋的平衡被打破，電感變化量輸出也隨之變大或者變小，從而實(shí)現(xiàn)位置與電“動(dòng)作”的轉(zhuǎn)換［5-7］。此種檢測(cè)方法電路響應(yīng)快，探測(cè)距離與精度較高，但是不能實(shí)際檢測(cè)出傳感器的動(dòng)態(tài)參數(shù)值，往往會(huì)出現(xiàn)實(shí)際距離與電感量變化不匹配的現(xiàn)象。在實(shí)際的使用過程中，會(huì)造成傳感器參數(shù)有誤，出現(xiàn)艙門位置狀態(tài)與指示系統(tǒng)不一致等情況，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響到飛機(jī)正常和安全飛行。

利用STM32F407 微處理器強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能和豐富的接口模塊來實(shí)現(xiàn)艙門傳感器的數(shù)據(jù)采集與處理。直接采集傳感器電感量值，將電感量值與測(cè)量距離一一對(duì)應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)傳感器參數(shù)動(dòng)態(tài)配置功能，并實(shí)時(shí)監(jiān)控傳感器動(dòng)態(tài)特性曲線，極大地提高了測(cè)量準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)了高精度探測(cè)距離［8-10］。

文章設(shè)計(jì)的艙門信號(hào)處理模塊針對(duì)每一路傳感器信號(hào)進(jìn)行獨(dú)立控制，通過實(shí)時(shí)測(cè)量傳感器實(shí)際電感量值，監(jiān)控艙門實(shí)際狀態(tài)，正確發(fā)送信號(hào)到艙門顯示系統(tǒng)。利用STM32F407 微處理器自帶的高速度模數(shù)轉(zhuǎn)換器來接收9 個(gè)艙門傳感器的信號(hào)數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到微處理器數(shù)據(jù)處理與邏輯判斷單元進(jìn)行處理。處理后的控制信號(hào)傳遞給艙門、滑梯的驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)模塊受微處理器控制，負(fù)責(zé)發(fā)送相關(guān)離散信號(hào)到艙門顯示器和滑梯、貨艙作動(dòng)器等控制。9 個(gè)艙門的位置接近傳感器采用并行處理、獨(dú)立控制、相互之間無干擾的處理方式，提高處理的可靠性，為控制器維修、排故工作提供了方便。

2.2.2 其他系統(tǒng)控制模塊設(shè)計(jì)

STM32F407 微處理器控制飛機(jī)艙門系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控發(fā)電機(jī)負(fù)載加載信息，并將檢測(cè)到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送到飛行數(shù)據(jù)記錄器進(jìn)行儲(chǔ)存;監(jiān)控APU 地面火警信息，負(fù)責(zé)APU 地面火警警鈴的觸發(fā)電路控制等。

除此之外，艙門信號(hào)控制器還帶自測(cè)試BITE 功能。自測(cè)試功能主要完成控制器內(nèi)部接口電路、驅(qū)動(dòng)模塊以及微處理器內(nèi)部處理模塊的自檢功能。一旦出現(xiàn)異常即發(fā)出控制器故障警告信息，防止出現(xiàn)指示錯(cuò)誤或者誤動(dòng)作;進(jìn)一步為控制器的維護(hù)、維修提供技術(shù)參數(shù)。基于STM32F407 艙門信號(hào)控制器原理框圖如圖3 所示。

圖3 基于STM32F407 艙門信號(hào)控制器原理框圖Fig.3 Schematics of the aircraft doors signal controller based on STM32F407

3 實(shí)驗(yàn)調(diào)試

與艙門信號(hào)控制器實(shí)現(xiàn)聯(lián)調(diào)實(shí)驗(yàn)的飛機(jī)機(jī)型為波音737-200，為廈門航空公司退役飛機(jī)，于2007 年捐贈(zèng)給中國(guó)民航大學(xué)，現(xiàn)為我校實(shí)習(xí)操作飛機(jī)。將設(shè)計(jì)好的艙門信號(hào)控制器連接到飛機(jī)上進(jìn)行聯(lián)調(diào)實(shí)驗(yàn)，艙門信號(hào)控制器接口連接器按照民航適航標(biāo)準(zhǔn)定制加工完成，保證控制器與飛機(jī)接觸良好，為實(shí)驗(yàn)提供了良好的硬件環(huán)境。經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該艙門信號(hào)控制器可滿足此機(jī)型控制要求和技術(shù)指標(biāo)，并能可靠運(yùn)行。

4 結(jié)束語

飛機(jī)艙門信號(hào)控制器作為飛機(jī)艙門的重要組成部分，在飛機(jī)安全方面起著至關(guān)重要的作用。文章以波音737-200 飛機(jī)艙門信號(hào)系統(tǒng)為模型，利用STM32F407 微處理器強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能和豐富的接口模塊設(shè)計(jì)了波音737-200 飛機(jī)艙門信號(hào)控制器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制器能實(shí)時(shí)監(jiān)控飛機(jī)艙門狀態(tài)信息，精確并可靠完成各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。該控制器的設(shè)計(jì)思想和方法可對(duì)飛機(jī)部件的設(shè)計(jì)和維修提供一定的指

導(dǎo)和參考價(jià)值。

［1］ 姜翰林.民用飛機(jī)艙門事故統(tǒng)計(jì)分析［J］.科技向?qū)В?013(12):143 -144.

［2］ 徐李云，孫歡慶. 艙門信號(hào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］. 航空制造技術(shù)，2012(9):69 -71.

［3］ 張慧娟.STM32F4 系列搶占Cortex-M4 內(nèi)核先機(jī)［J］.EDNCHINA 電子設(shè)計(jì)技術(shù)，2011，18(11):16-18.

［4］楊繼森，許強(qiáng)，馮濟(jì)琴.基于STM32F4 的時(shí)柵位移傳感器信號(hào)處理系統(tǒng)集成化設(shè)計(jì)［J］. 傳感器與微系統(tǒng)，2013，32(12):113 -116.

［5］ 王學(xué)梅，王彩紅，薛雋，等.電渦流傳感器非接觸在線測(cè)量位移［J］.鄭州專業(yè)高等專科學(xué)校學(xué)報(bào)，2004，20(4):16-17.

［6］ 王素紅.利用電渦流傳感器測(cè)量位移［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2000，13(1):18 -19.

［7］ 高松巍，劉云鵬，楊理踐.大位移電渦流傳感器測(cè)量電路的設(shè)計(jì)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2009(12):88-91.

［8］ 劉偉文，趙輝，邵愛霞.一種低功耗的位移傳感器測(cè)量系統(tǒng)［J］.傳感器技術(shù)，2005，24(7):60 -62.

［9］ 曾浩，張祺，鄭斯凱.基于STM32F407 的圖像遠(yuǎn)程采集終端［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2012，27(11):81-83.

［10］王軍平，王安，樊文俠.電渦流傳感器線圈參數(shù)對(duì)傳感器性能的影響［J］.自動(dòng)化儀表，2001，22(12):22 -24.