STM32F407 飛機艙門信號控制器設(shè)計

郝曉紅 黃復(fù)清 王 勇

(中國民航大學(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，從2005 年至今，民航客機艙門故障引起的飛行事故已有數(shù)十起，其中3 起為1 級事故(災(zāi)難性)。艙門是飛機結(jié)構(gòu)的重要組成部分，關(guān)系到飛機的飛行安全和機組、乘客的生命安全。從艙門故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析得出，飛機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、人為誤動作等幾種，這些故障幾乎都與艙門信號控制器有關(guān)［1］。文章以中國民航大學(xué)實習(xí)飛機波音737-200 的艙門信號控制器為例，描述了該飛機艙門信號控制器的詳細功能。以STM32F407 微處理器為主控單元，搭建了飛機艙門信號控制系統(tǒng)，并將設(shè)計好的艙門信號控制器與飛機進行試驗調(diào)試，試驗結(jié)果表明，該控制器能滿足功能技術(shù)指標(biāo)，并可靠運行。該控制器的設(shè)計思想和方法可為飛機部件的設(shè)計和維修提供的一定的指導(dǎo)和參考價值。

1 飛機艙門信號控制器功能描述

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

(1)飛機全機艙門傳感器信號采集、傳遞、處理、位置狀態(tài)指示以及艙門報警;

(2)飛機登機梯收放作動器控制以及登機梯狀態(tài)監(jiān)控、指示、報警;

(3)前、后貨艙門作動器供電控制、貨艙門位置狀態(tài)指示以及報警;

(4)滑梯狀態(tài)檢測、監(jiān)控及預(yù)位報警;

(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、APU 發(fā)電機加載控制;

(8)使空調(diào)系統(tǒng)進行飛機加壓操作;

(9)系統(tǒng)機內(nèi)自檢設(shè)備(built-in test equipment，BITE)測試。

根據(jù)上述艙門信號控制器實現(xiàn)的具體功能，圖1給出了艙門信號控制系統(tǒng)功能框圖。從圖1 可知，艙門信號控制器一方面接收需要監(jiān)控、檢測的相關(guān)位置傳感器的信號，如艙門位置傳感器、起落架收放位置指示傳感器等;將采集到的信號進行處理，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)送到艙門信號控制器進行處理，處理后的數(shù)據(jù)反饋到相應(yīng)作動器進行驅(qū)動動作。如登機梯手柄進行的登機梯收放操作，將手柄操作指令發(fā)送到艙門信號控制器，控制器根據(jù)手柄信息判斷執(zhí)行信號，最后將信號反饋到登機梯作動部件完成登機梯收放功能。同時，及時跟蹤發(fā)電機負載使用情況以及在地面監(jiān)控輔助動力裝置(auxiliary power unit，APU)火警警告，一旦發(fā)生火情，及時觸發(fā)警告系統(tǒng)。

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

2 基于STM32F407 艙門信號控制器設(shè)計

艙門信號控制器是飛機艙門系統(tǒng)的主體，由9 個艙門位置接近傳感器處理模塊、2 個貨艙門驅(qū)動模塊、1 個登機梯驅(qū)動模塊以及發(fā)電機負載監(jiān)控、APU 火警警告電路控制模塊等組成，實現(xiàn)各種傳感器信號的采集、信號處理、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艙門傳感器實際位置狀態(tài)指令信號、將指令信號進行信號處理、邏輯判斷、放大驅(qū)動等處理之后，將信號反饋到艙門顯示系統(tǒng)，給出顯示和警告。

2.1 接近傳感器

為了更好地檢測艙門的實時狀態(tài)信息，民用飛機采用的傳感器也隨著飛機智能化程度的提高由傳統(tǒng)機械式發(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、重復(fù)定位精度高、開關(guān)頻率高、可靠性高等優(yōu)點被廣泛應(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，從而進行非電量電化測量。飛機艙門上所使用的電渦流接近傳感器能檢測出距離在幾毫米到幾十毫米范圍內(nèi)有無物體靠近，并將位置量信號轉(zhuǎn)換成電感量輸出［2］，從而實現(xiàn)信號的轉(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

憑借STM32F 系列微處理器獨特的工作性能，將微處理器(MCU)的實時控制功能與數(shù)字信號處理(DSP)的信號處理功能完美結(jié)合，并內(nèi)嵌FPU 指令、采用改進型實時時鐘(RTC)、高速度模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)以及浮點運算等功能［3-4］。這一系列特點為后期實現(xiàn)艙門信號系統(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

采集電渦流式接近傳感器信號的一般方法是采用阻抗電橋來檢測傳感器內(nèi)部的電感變化量。當(dāng)目標(biāo)物體接近或者遠離傳感器時，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，從而實現(xiàn)位置與電“動作”的轉(zhuǎn)換［5-7］。此種檢測方法電路響應(yīng)快，探測距離與精度較高，但是不能實際檢測出傳感器的動態(tài)參數(shù)值，往往會出現(xiàn)實際距離與電感量變化不匹配的現(xiàn)象。在實際的使用過程中，會造成傳感器參數(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，嚴重時會影響到飛機正常和安全飛行。

利用STM32F407 微處理器強大的數(shù)據(jù)處理功能和豐富的接口模塊來實現(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，將電感量值與測量距離一一對應(yīng)，可實現(xiàn)傳感器參數(shù)動態(tài)配置功能，并實時監(jiān)控傳感器動態(tài)特性曲線，極大地提高了測量準確性，實現(xiàn)了高精度探測距離［8-10］。

文章設(shè)計的艙門信號處理模塊針對每一路傳感器信號進行獨立控制，通過實時測量傳感器實際電感量值，監(jiān)控艙門實際狀態(tài)，正確發(fā)送信號到艙門顯示系統(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 個艙門傳感器的信號數(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行處理。處理后的控制信號傳遞給艙門、滑梯的驅(qū)動模塊，驅(qū)動模塊受微處理器控制，負責(zé)發(fā)送相關(guān)離散信號到艙門顯示器和滑梯、貨艙作動器等控制。9 個艙門的位置接近傳感器采用并行處理、獨立控制、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

STM32F407 微處理器控制飛機艙門系統(tǒng)，實時監(jiān)控發(fā)電機負載加載信息，并將檢測到的實時數(shù)據(jù)發(fā)送到飛行數(shù)據(jù)記錄器進行儲存;監(jiān)控APU 地面火警信息，負責(zé)APU 地面火警警鈴的觸發(fā)電路控制等。

除此之外，艙門信號控制器還帶自測試BITE 功能。自測試功能主要完成控制器內(nèi)部接口電路、驅(qū)動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)指示錯誤或者誤動作;進一步為控制器的維護、維修提供技術(shù)參數(shù)?；赟TM32F407 艙門信號控制器原理框圖如圖3 所示。

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

3 實驗調(diào)試

與艙門信號控制器實現(xiàn)聯(lián)調(diào)實驗的飛機機型為波音737-200，為廈門航空公司退役飛機，于2007 年捐贈給中國民航大學(xué)，現(xiàn)為我校實習(xí)操作飛機。將設(shè)計好的艙門信號控制器連接到飛機上進行聯(lián)調(diào)實驗，艙門信號控制器接口連接器按照民航適航標(biāo)準定制加工完成，保證控制器與飛機接觸良好，為實驗提供了良好的硬件環(huán)境。經(jīng)反復(fù)實驗驗證，該艙門信號控制器可滿足此機型控制要求和技術(shù)指標(biāo)，并能可靠運行。

4 結(jié)束語

飛機艙門信號控制器作為飛機艙門的重要組成部分，在飛機安全方面起著至關(guān)重要的作用。文章以波音737-200 飛機艙門信號系統(tǒng)為模型，利用STM32F407 微處理器強大的數(shù)據(jù)處理功能和豐富的接口模塊設(shè)計了波音737-200 飛機艙門信號控制器。實驗結(jié)果表明，該控制器能實時監(jiān)控飛機艙門狀態(tài)信息，精確并可靠完成各項技術(shù)指標(biāo)。該控制器的設(shè)計思想和方法可對飛機部件的設(shè)計和維修提供一定的指

導(dǎo)和參考價值。

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