STM32F407 飞机舱门信号控制器设计

郝晓红 黄复清 王 勇

(中国民航大学工程技术训练中心，天津 300300)

0 引言

近几年来由舱门故障导致的飞行事故频繁发生。据可靠资料数据统计，从2005 年至今，民航客机舱门故障引起的飞行事故已有数十起，其中3 起为1 级事故(灾难性)。舱门是飞机结构的重要组成部分，关系到飞机的飞行安全和机组、乘客的生命安全。从舱门故障统计数据分析得出，飞机舱门的故障模式主要有:不能打开或关闭、指示故障、密封失效、人为误动作等几种，这些故障几乎都与舱门信号控制器有关［1］。文章以中国民航大学实习飞机波音737-200 的舱门信号控制器为例，描述了该飞机舱门信号控制器的详细功能。以STM32F407 微处理器为主控单元，搭建了飞机舱门信号控制系统，并将设计好的舱门信号控制器与飞机进行试验调试，试验结果表明，该控制器能满足功能技术指标，并可靠运行。该控制器的设计思想和方法可为飞机部件的设计和维修提供的一定的指导和参考价值。

1 飞机舱门信号控制器功能描述

飞机舱门信号控制器因机型不同存在差异性。根据具体机型的特点及要求，舱门信号控制器采用不同的方式实现不同的功能。现以波音737-200 飞机舱门系统为例，详细介绍一下舱门信号控制器在该机型上实现的具体功能:

(1)飞机全机舱门传感器信号采集、传递、处理、位置状态指示以及舱门报警;

(2)飞机登机梯收放作动器控制以及登机梯状态监控、指示、报警;

(3)前、后货舱门作动器供电控制、货舱门位置状态指示以及报警;

(4)滑梯状态检测、监控及预位报警;

(5)起落架收放锁控制与状态指示;

(6)APU 火警警告供电控制;

(7)主发电机、APU 发电机加载控制;

(8)使空调系统进行飞机加压操作;

(9)系统机内自检设备(built-in test equipment，BITE)测试。

根据上述舱门信号控制器实现的具体功能，图1给出了舱门信号控制系统功能框图。从图1 可知，舱门信号控制器一方面接收需要监控、检测的相关位置传感器的信号，如舱门位置传感器、起落架收放位置指示传感器等;将采集到的信号进行处理，通过数据接口单元发送到数据总线，最终在显示面板进行状态显示。另一方面将相应面板操作信息发送到舱门信号控制器进行处理，处理后的数据反馈到相应作动器进行驱动动作。如登机梯手柄进行的登机梯收放操作，将手柄操作指令发送到舱门信号控制器，控制器根据手柄信息判断执行信号，最后将信号反馈到登机梯作动部件完成登机梯收放功能。同时，及时跟踪发电机负载使用情况以及在地面监控辅助动力装置(auxiliary power unit，APU)火警警告，一旦发生火情，及时触发警告系统。

图1 舱门信号控制系统功能框图Fig.1 Functional block diagram of the aircraft doors signal control system

2 基于STM32F407 舱门信号控制器设计

舱门信号控制器是飞机舱门系统的主体，由9 个舱门位置接近传感器处理模块、2 个货舱门驱动模块、1 个登机梯驱动模块以及发电机负载监控、APU 火警警告电路控制模块等组成，实现各种传感器信号的采集、信号处理、逻辑判断等功能。其中，舱门位置接近传感器处理模块是该控制器设计的核心单元。传感器处理模块的功能是能够正确接收来自各个舱门传感器实际位置状态指令信号、将指令信号进行信号处理、逻辑判断、放大驱动等处理之后，将信号反馈到舱门显示系统，给出显示和警告。

2.1 接近传感器

为了更好地检测舱门的实时状态信息，民用飞机采用的传感器也随着飞机智能化程度的提高由传统机械式发展为智能电子式。电涡流式接近传感器凭借其抗干扰能力强、重复定位精度高、开关频率高、可靠性高等优点被广泛应用于现代民用航空器中。电涡流式接近传感器也称为无触点式行程开关，利用电涡流效应，将位移量转换为感抗的变化，从而进行非电量电化测量。飞机舱门上所使用的电涡流接近传感器能检测出距离在几毫米到几十毫米范围内有无物体靠近，并将位置量信号转换成电感量输出［2］，从而实现信号的转换与传递。图2 为电涡流式接近传感器原理图。

图2 电涡流式接近传感器原理图Fig.2 Schematics of the eddy current proximity sensor

2.2 控制系统功能设计

凭借STM32F 系列微处理器独特的工作性能，将微处理器(MCU)的实时控制功能与数字信号处理(DSP)的信号处理功能完美结合，并内嵌FPU 指令、采用改进型实时时钟(RTC)、高速度模数转换器(ADC)以及浮点运算等功能［3-4］。这一系列特点为后期实现舱门信号系统的处理提供了良好的开发环境。2.2.1 接近传感器处理模块设计

采集电涡流式接近传感器信号的一般方法是采用阻抗电桥来检测传感器内部的电感变化量。当目标物体接近或者远离传感器时，阻抗电桥的平衡被打破，电感变化量输出也随之变大或者变小，从而实现位置与电“动作”的转换［5-7］。此种检测方法电路响应快，探测距离与精度较高，但是不能实际检测出传感器的动态参数值，往往会出现实际距离与电感量变化不匹配的现象。在实际的使用过程中，会造成传感器参数有误，出现舱门位置状态与指示系统不一致等情况，严重时会影响到飞机正常和安全飞行。

利用STM32F407 微处理器强大的数据处理功能和丰富的接口模块来实现舱门传感器的数据采集与处理。直接采集传感器电感量值，将电感量值与测量距离一一对应，可实现传感器参数动态配置功能，并实时监控传感器动态特性曲线，极大地提高了测量准确性，实现了高精度探测距离［8-10］。

文章设计的舱门信号处理模块针对每一路传感器信号进行独立控制，通过实时测量传感器实际电感量值，监控舱门实际状态，正确发送信号到舱门显示系统。利用STM32F407 微处理器自带的高速度模数转换器来接收9 个舱门传感器的信号数据，并将采集到的数据发送到微处理器数据处理与逻辑判断单元进行处理。处理后的控制信号传递给舱门、滑梯的驱动模块，驱动模块受微处理器控制，负责发送相关离散信号到舱门显示器和滑梯、货舱作动器等控制。9 个舱门的位置接近传感器采用并行处理、独立控制、相互之间无干扰的处理方式，提高处理的可靠性，为控制器维修、排故工作提供了方便。

2.2.2 其他系统控制模块设计

STM32F407 微处理器控制飞机舱门系统，实时监控发电机负载加载信息，并将检测到的实时数据发送到飞行数据记录器进行储存;监控APU 地面火警信息，负责APU 地面火警警铃的触发电路控制等。

除此之外，舱门信号控制器还带自测试BITE 功能。自测试功能主要完成控制器内部接口电路、驱动模块以及微处理器内部处理模块的自检功能。一旦出现异常即发出控制器故障警告信息，防止出现指示错误或者误动作;进一步为控制器的维护、维修提供技术参数。基于STM32F407 舱门信号控制器原理框图如图3 所示。

图3 基于STM32F407 舱门信号控制器原理框图Fig.3 Schematics of the aircraft doors signal controller based on STM32F407

3 实验调试

与舱门信号控制器实现联调实验的飞机机型为波音737-200，为厦门航空公司退役飞机，于2007 年捐赠给中国民航大学，现为我校实习操作飞机。将设计好的舱门信号控制器连接到飞机上进行联调实验，舱门信号控制器接口连接器按照民航适航标准定制加工完成，保证控制器与飞机接触良好，为实验提供了良好的硬件环境。经反复实验验证，该舱门信号控制器可满足此机型控制要求和技术指标，并能可靠运行。

4 结束语

飞机舱门信号控制器作为飞机舱门的重要组成部分，在飞机安全方面起着至关重要的作用。文章以波音737-200 飞机舱门信号系统为模型，利用STM32F407 微处理器强大的数据处理功能和丰富的接口模块设计了波音737-200 飞机舱门信号控制器。实验结果表明，该控制器能实时监控飞机舱门状态信息，精确并可靠完成各项技术指标。该控制器的设计思想和方法可对飞机部件的设计和维修提供一定的指

导和参考价值。

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