基于STM32F4的飛機(jī)輪速自適應(yīng)采集設(shè)計(jì)

惠亮++史家雄++馮樂(lè)

摘要：飛機(jī)輪速信號(hào)在飛機(jī)剎車過(guò)程中至關(guān)重要，高精度、實(shí)時(shí)、可靠的輪速采集是飛機(jī)精準(zhǔn)剎車控制的關(guān)鍵因素。系統(tǒng)以基于Cortex_M4的STM32F4芯片為核心，通過(guò)時(shí)基參數(shù)的動(dòng)態(tài)配置，可實(shí)現(xiàn)不同輪速下的輪速信號(hào)的自適應(yīng)采集。

關(guān)鍵詞：ARM Cortex-M4；STM32F4系列單片機(jī)；自適應(yīng)頻率采集

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）09-0250-03

Self-Adaptive Acquisition of Aircraft Wheel Speed Based on STM32F4 MCU

HUI Liang， SHI Jia-xiong， FENG Le

（Avic Xian Aeronautics Computing Technique Research Institute， Xian 710065， China）

Abstract：Aircraft wheel speed signals are vital important in the brake process of the aircraft. High precision， real-time and high reliability are the key factors of signal acquisition in the precise braking process. In this system we use the Cortex-M4 based STM32F4 MCU as the core of the hardware. Through the dynamic configuration of the time-based parameters， the system can implement self-adaptive acquisition.

Key words：ARM-Cortex-M4；STM32F4 Series MCU；Self-Adaptive Frequency Acquisition

1 引言

近年來(lái)，國(guó)際航空業(yè)迅猛發(fā)展，飛機(jī)上的儀器設(shè)備正在向多電式，全電式發(fā)展[1]。飛機(jī)的載客量和滿負(fù)荷總重量也在提高，相應(yīng)的飛機(jī)機(jī)輪數(shù)量也大大增多，在大型飛機(jī)中，飛機(jī)的機(jī)輪數(shù)量甚至多達(dá)幾十個(gè)[2]。飛機(jī)在剎車過(guò)程中需要實(shí)時(shí)采集所有輪速的信號(hào)交給剎車控制器處理。以往采用的多處理器方案在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，由于設(shè)計(jì)復(fù)雜，線路繁多，各處理器之間通信的不便增加了設(shè)計(jì)難度[3]。通過(guò)采用數(shù)字開關(guān)交替采集速度信號(hào)，數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性得不到保障。因此為了提高數(shù)據(jù)采集的精度和實(shí)時(shí)性，提出了一種新的速度采集方案。系統(tǒng)以基于Cortex-M4的STM32F4 MCU為核心，飛機(jī)輪速傳感器發(fā)送到剎車控制器的頻率信號(hào)經(jīng)由前端處理電路的調(diào)理之后輸入至MCU，利用片內(nèi)定時(shí)器的輸入捕獲模式來(lái)測(cè)量輪速。

2 系統(tǒng)方案及硬件設(shè)計(jì)

多路頻率信號(hào)是正比于機(jī)輪速度的方波信號(hào)，通過(guò)輪速傳感器發(fā)往剎車控制器。信號(hào)經(jīng)過(guò)前端處理電路調(diào)理成MCU的IO口可以接收的信號(hào)。當(dāng)各路方波信號(hào)輸入到IO口時(shí)，MCU內(nèi)部的定時(shí)器對(duì)方波的上升沿進(jìn)行捕獲，并立即清除內(nèi)部計(jì)數(shù)器當(dāng)前值TIMx_CNT為0、設(shè)置捕獲模式為下降沿捕獲；當(dāng)捕獲到方波的下降沿時(shí)，內(nèi)部計(jì)數(shù)器當(dāng)前值TIMx_CNT被鎖存至TIMx_CCRx。根據(jù)內(nèi)部計(jì)數(shù)器時(shí)鐘頻率[Fcnt]及TIMx_CCRx即可算出輸入方波的頻率。

該方案基于MCU定時(shí)器的捕獲中斷功能，同時(shí)，基于Cortex-M4的MCU支持中斷的自動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)、恢復(fù)及“咬尾中斷”[4]，確保了多路輪速采集的情況下的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性。STM32F4 MCU內(nèi)部自帶的看門狗提高了系統(tǒng)的可靠性。

系統(tǒng)方案圖如圖1所示。

MCU采用ST公司的STM32F407ZGT6，外部晶振頻率為4MHz至26MHz，通過(guò)內(nèi)部鎖相環(huán)PLL將主頻倍頻至168MHz，增強(qiáng)了系統(tǒng)抗電磁干擾能力，提高了系統(tǒng)的可靠性。具有1MB Flash Memory，196KB內(nèi)部SRAM，多達(dá)32路可實(shí)時(shí)獨(dú)立編程捕獲通道。支持咬尾中斷，中斷間切換延時(shí)最短可達(dá)6個(gè)周期，即35.7ns。當(dāng)多路頻率信號(hào)同時(shí)引發(fā)中斷時(shí)，可大大提高頻率采集的實(shí)時(shí)性。

2.1 信號(hào)調(diào)理電路

信號(hào)調(diào)理電路是將外部輸入的低伏值、不規(guī)整的模擬頻率信號(hào)轉(zhuǎn)變成規(guī)整的數(shù)字式矩形波信號(hào)，該電路由放大器電路N1、比較器電路N2和反相器電路N3組成，通過(guò)濾波、信號(hào)運(yùn)放和信號(hào)轉(zhuǎn)換，將輪速傳感器發(fā)送的信號(hào)調(diào)理成MCU的I/O可接收的方波信號(hào)。頻率輸入處理電路原理圖見圖2。

查閱器件手冊(cè)，可以計(jì)算出頻率信號(hào)從輸入到處理完成的延時(shí)不超過(guò)10μs，在頻率輸入為22kHz時(shí)，頻率信號(hào)的周期約為45.45ms，處理電路的延時(shí)遠(yuǎn)小于頻率信號(hào)的周期，可知調(diào)理電路滿足信號(hào)處理的要求。