民用飛機(jī)電子飛行儀表仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周濤，李璐

（中航工業(yè)西安飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 陜 西 西 安 7 10089）

飛行儀表是飛機(jī)性能參數(shù)和導(dǎo)航參數(shù)顯示的窗口，可為飛行員提供駕駛飛機(jī)所需的飛行參數(shù)、導(dǎo)航數(shù)據(jù)及飛機(jī)系統(tǒng)狀態(tài)等信息[1]。隨著航空電子綜合化的發(fā)展，現(xiàn)代民用飛機(jī)的座艙儀表系統(tǒng)已經(jīng)逐漸向電子飛行儀表系統(tǒng)（EFIS）過(guò)渡，以先進(jìn)的智能液晶顯示器取代原有的分離機(jī)電式儀表，提供給飛行員全新的人機(jī)界面，因此，對(duì)飛行員操作程序（POP）的評(píng)估也成為民用飛機(jī)頂層設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，以達(dá)到最佳的人機(jī)功效。為此，提供必要的仿真手段以驗(yàn)證電子飛行儀表系統(tǒng)顯示和操作的合理性顯得尤為重要，以實(shí)現(xiàn)需求驗(yàn)證和設(shè)計(jì)修改的快速、高效迭代，達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程、方便需求分析、降低開(kāi)發(fā)成本的目的[1]。本文就某型民用飛機(jī)電子飛行儀表仿真系統(tǒng)提出設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)方法。

1 總體設(shè)計(jì)

鑒于此仿真系統(tǒng)要經(jīng)歷多次的修改和迭代，以確定最終的顯示構(gòu)型方案，所以為保證系統(tǒng)具備足夠的靈活性和可擴(kuò)展性，采用模塊化設(shè)計(jì)，各個(gè)前臺(tái)顯示模塊和控制板仿真程序作為獨(dú)立應(yīng)用程序以WIN32平臺(tái)下的OpenGL進(jìn)行開(kāi)發(fā)，顯示構(gòu)型采用后臺(tái)文件進(jìn)行配置，以便于軟件調(diào)試和系統(tǒng)重構(gòu)。動(dòng)態(tài)仿真利用飛行模擬軟件X-Plane進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，利用其中的飛機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)模型對(duì)座艙儀表和視景進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。靜態(tài)仿真采用Visual C++進(jìn)行開(kāi)發(fā)，用于設(shè)置靜態(tài)參數(shù)，改變各應(yīng)用程序的工作狀態(tài)和顯示內(nèi)容，同時(shí)對(duì)動(dòng)態(tài)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視，實(shí)現(xiàn)故障模擬、模式轉(zhuǎn)換、航路點(diǎn)設(shè)置、CAS告警仿真等特殊功能。數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通訊采用TCP/IP協(xié)議的C/S架構(gòu)，保證數(shù)據(jù)可靠有效的傳輸，其中服務(wù)器端作為數(shù)據(jù)中樞進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)的整體調(diào)度，各個(gè)客戶端應(yīng)用通過(guò)接口函數(shù)與其進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)與控制，形成人在環(huán)路的閉環(huán)仿真系統(tǒng)。

1.1 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

圖1 系統(tǒng)軟件架構(gòu)Fig.1 System software infrastructure

系統(tǒng)軟件主要由以下幾個(gè)部分組成：

1）主飛行顯示器（PFD）模塊

分為全屏模式、半屏模式和壓縮模式，同時(shí)提供左右兩側(cè)主駕駛PFD和副駕駛PFD，完成姿態(tài)航向指示器（ADI）和水平位置指示器（HIS）等各項(xiàng)功能。

2）多功能顯示器（MFD）模塊

實(shí)現(xiàn)地圖、系統(tǒng)簡(jiǎn)圖頁(yè)、調(diào)諧、電子檢查單、飛行管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈路等多項(xiàng)功能。

3）發(fā)動(dòng)機(jī)指示（EI）模塊

分為正常模式和應(yīng)急壓縮模式，完成發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)的顯示功能。

4）機(jī)組告警系統(tǒng)（CAS）模塊

分為正常模式和應(yīng)急壓縮模式，實(shí)現(xiàn)機(jī)組告警系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。

5）飛行管理系統(tǒng)（FMS）模塊

實(shí)現(xiàn)飛行管理系統(tǒng)的初始化、飛行計(jì)劃設(shè)置、飛機(jī)性能管理等界面顯示功能。

6）系統(tǒng)簡(jiǎn)圖頁(yè)模塊

實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、環(huán)控系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)等系統(tǒng)參數(shù)信息的顯示功能。

7）中央操縱臺(tái)模塊

實(shí)現(xiàn)油門(mén)臺(tái)、多功能鍵盤(pán)（MKB）、光標(biāo)控制裝置（CCD）、襟翼控制、剎車控制等各項(xiàng)功能。

8）頂部控制板模塊

實(shí)現(xiàn)非航電系統(tǒng)與航電系統(tǒng)的交聯(lián)控制和顯示的各項(xiàng)功能。

9）其他儀表與控制板

實(shí)現(xiàn)航空時(shí)鐘和電子備用儀表以及與航電系統(tǒng)相關(guān)的顯示控制板（DCP）、自動(dòng)飛行控制板（AFCP）等控制板。

10）動(dòng)態(tài)仿真模塊

用于響應(yīng)外部控制面板、菜單等的輸入信號(hào)，產(chǎn)生動(dòng)態(tài)飛行數(shù)據(jù)激勵(lì)其它的仿真模塊，同時(shí)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)的視景效果。動(dòng)態(tài)仿真模塊為一個(gè)獨(dú)立應(yīng)用程序，基于X-Plane進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

11）靜態(tài)仿真模塊

靜態(tài)仿真軟件用于設(shè)置靜態(tài)參數(shù)，改變各應(yīng)用程序的工作狀態(tài)和顯示內(nèi)容，同時(shí)對(duì)動(dòng)態(tài)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視，實(shí)現(xiàn)故障模擬、模式轉(zhuǎn)換、航路點(diǎn)設(shè)置、CAS告警仿真等特殊功能。

12）網(wǎng)絡(luò)通信與管理模塊

網(wǎng)絡(luò)通信與管理模塊作為整個(gè)仿真系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中樞，采用TCP/IP協(xié)議的C/S網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，實(shí)現(xiàn)各應(yīng)用程序之間的數(shù)據(jù)傳輸與維護(hù)，網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)Fig.2 Network communication infrastructure

1.2 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

系統(tǒng)整體硬件包括：綜合顯示仿真計(jì)算機(jī)兩臺(tái)、頂部控制板仿真計(jì)算機(jī)一臺(tái)、中央操縱臺(tái)仿真計(jì)算機(jī)一臺(tái)、主控服務(wù)器一臺(tái)、27寸觸摸顯示器五臺(tái)、32寸觸摸顯示器一臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)一臺(tái)、投影儀一臺(tái)。

各仿真計(jì)算機(jī)與服務(wù)器間采用以太網(wǎng)連接，采用C/S（客戶端/服務(wù)器）的星形連接方式。為了提高整個(gè)顯示系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性，按照如下方式對(duì)顯示硬件進(jìn)行分配：顯示器#1和顯示器#2采用同一臺(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，用于顯示主駕駛PFD、MFD、主警告燈，顯示控制面板、飛行指引控制面板、電子備用儀表以及起落架收放開(kāi)關(guān)等；顯示器#3采用一臺(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，用于顯示副駕駛PFD、MFD；顯示器#4采用一臺(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，用于加載中央操作臺(tái)控制面板；顯示器#5和顯示器#6采用一臺(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，用于加載頂部板控制面板。主控計(jì)算機(jī)采用一臺(tái)計(jì)算機(jī)，用于協(xié)調(diào)實(shí)驗(yàn)臺(tái)中各顯示系統(tǒng)之間的關(guān)系，管理儀表系統(tǒng)的邏輯數(shù)據(jù)庫(kù)，用戶可以通過(guò)主控計(jì)算機(jī)對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行控制。主控計(jì)算機(jī)用于加載動(dòng)態(tài)仿真數(shù)據(jù)源，輸出飛行視景。系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件架構(gòu)Fig.3 System hardware infrastructure

2 工程實(shí)現(xiàn)

電子飛行儀表仿真系統(tǒng)按照自頂向下、模塊化思想開(kāi)發(fā)，以保證系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性，以下為系統(tǒng)主要功能模塊的工程實(shí)現(xiàn)方法，其中系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程圖Fig.4 System develop flow chart

2.1 儀表和控制板仿真

各個(gè)儀表和控制板仿真模塊作為客戶端應(yīng)用，采用基于WIN32的OpenGL進(jìn)行開(kāi)發(fā)，通過(guò)服務(wù)器程序進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，數(shù)據(jù)發(fā)送方式為數(shù)據(jù)包發(fā)送，數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)按照統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)體格式進(jìn)行數(shù)據(jù)規(guī)范。數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)為：

typedef struct

{

int id； //ID為數(shù)據(jù)標(biāo)號(hào)

int SDI； //SDI為數(shù)據(jù)源標(biāo)識(shí)

int SSM； //SSM為數(shù)據(jù)狀態(tài)指示

double data； //data為數(shù)據(jù)值

char str[NAME_LEN]； //str為字符串

}LABEL_Def；

所有數(shù)據(jù)發(fā)送和接收都以此結(jié)構(gòu)進(jìn)行解析。軟件流程如圖5所示。

2.2 動(dòng)態(tài)仿真模塊

動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)基于X-Plane10軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，采用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)方式封裝成X-Plane的插件，利用X-Plane10中的通用飛機(jī)模型產(chǎn)生動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，建立動(dòng)態(tài)仿真與其他應(yīng)用程序之間的數(shù)據(jù)接口，通過(guò)服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。動(dòng)態(tài)仿真應(yīng)用程序通過(guò)加載X-Plane可識(shí)別數(shù)據(jù)接口文件，使X-Plane輸出需要的數(shù)據(jù)，同時(shí)可向X-Plane10寫(xiě)入數(shù)據(jù)。

動(dòng)態(tài)仿真所要加載的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)文檔DataRef.txt中，其中包括了X-Plane動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)編號(hào)、可識(shí)別的數(shù)據(jù)路徑地址、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)讀寫(xiě)類型、動(dòng)態(tài)仿真輸出接口以及動(dòng)態(tài)仿真輸入接口信息。動(dòng)態(tài)仿真通過(guò)加載DataRef.txt數(shù)據(jù)文檔，加載所需產(chǎn)生的數(shù)據(jù)接口。用戶通過(guò)修改DataRef.txt中的內(nèi)容以增加和減少所需軟件接口，DataRef.txt接口文件格式如表1。

圖5 軟件流程圖Fig.5 Software flow chart

表1 動(dòng)態(tài)仿真數(shù)據(jù)接口文件Tab.1 Dynamic simulation data interface document

通過(guò)XPanle提供的API對(duì)DataRef接口文件進(jìn)行解析，發(fā)送飛機(jī)模型產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，同時(shí)接收仿真控制板發(fā)送的控制指令參數(shù)，其中用到的主要接口函數(shù)定義如下：

PLUGIN_API int XPluginStart（char* outName，char*outSig，char*outDesc） //進(jìn)程入口函數(shù)

{

char txtpath[60]；

sprintf（txtpath，"%s"，F(xiàn)LOAT_PATH）；

SeperateTxt（FLOAT_PATH）； //文本解析函數(shù)

for（int i=0；i

{

gFloatReadDataRef[i]=XPLMFindDataRef（FloatDataRef.DataRefReadDescriptions[i]）；

//將接口參數(shù)寫(xiě)入緩沖區(qū)

}

//注冊(cè)飛行循環(huán)的回調(diào)函數(shù)，周期為100 ms

XPLMRegisterFlightLoopCallback （InputOutputLoopCB，0.1， NULL）；

return 1；

}

float InputOutputLoopCB （float elapsedMe， float elapsedSim， int counter， void*refcon）//回調(diào)函數(shù)定義

{

for（int i=0；i

{

label.data=XPLMGetDataf（gFloatReadDataRef[i]）； //將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)寫(xiě)入數(shù)據(jù)包

if（FloatDataRef.floatdata[i]!=（float）label.data）

{

FloatDataRef.floatdata[i]=（float）label.data；

sprintf （buf， “% s”，F(xiàn)loatDataRef.NameDataReadID[i]）；

ClientUpdateParameter （hClient，F(xiàn)loatDataRef.NameDataReadID[i]，&label）；

//通過(guò)服務(wù)器接口函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)包

}

}

return （float） 0.1；

}

2.3 數(shù)據(jù)通訊模塊

數(shù)據(jù)通訊軟件按照開(kāi)放式的軟件架構(gòu)要求，采用C/S通訊架構(gòu)，使用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行開(kāi)發(fā)。數(shù)據(jù)通訊軟件分為服務(wù)器端與客戶端兩部分程序。服務(wù)器端程序獨(dú)立運(yùn)行，客戶端程序?qū)⒆远x的接口函數(shù)以靜態(tài)鏈接庫(kù)的形式進(jìn)行發(fā)布，供各個(gè)客服端程序調(diào)用以和服務(wù)器端程序進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，其中主要的接口函數(shù)和調(diào)用形式示例如下：

int_tmain（int argc， _TCHAR*argv[]）

{

LPVOID hClient；

int retval；

LABEL_Def label；

char server_ip_addr[NAME_LEN]；

unsigned short port= （unsigned short） DEFAULT_PORT；

strcpy_s （server_ip_addr，sizeof（server_ip_addr），SERVER_IP_ADDR）；

//將各個(gè)應(yīng)用模塊注冊(cè)為客戶端

hClient=ClientInit （ CLIENT_NAME， server_ip_addr，port）；

//發(fā)布待發(fā)送的參數(shù)

retval=ClientPublishParameter（ hClient， “a” ）；

//申請(qǐng)待接收的參數(shù)

retval=ClientSubscribeParameter（ hClient， “b”）；

memset（ &label， 0， sizeof（ LABEL_Def） ）；

int count=10000； //測(cè)試計(jì)數(shù)器

while（ count）

{

count++；

label.data=count；

//更新發(fā)布的參數(shù)值

retval=ClientUpdateParameter（ hClient， “a”， &label）；

//獲取申請(qǐng)的參數(shù)值

retval=ClientGetParameter（ hClient， “b”， &label）；

Sleep（ RESPONSE_DELAY ）；

}

//退出

retval=ClientExit（ hClient）；

return retval；

}

2.4 模塊調(diào)度策略

為實(shí)現(xiàn)電子飛行儀表仿真系統(tǒng)各顯示模塊的可重構(gòu)性，程序通過(guò)后臺(tái)配置文件進(jìn)行統(tǒng)一啟動(dòng)，各個(gè)模塊的顯示位置通過(guò)配置文件進(jìn)行設(shè)置，如果顯示需求發(fā)生變更，只需修改配置文件即可，源代碼無(wú)需更改，提高了系統(tǒng)的可維護(hù)性。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

1）解析配置文件

利用C++標(biāo)準(zhǔn)模板庫(kù)的字符串類對(duì)配置文件進(jìn)行解析，獲取應(yīng)用程序名和位置信息。

2）批處理啟動(dòng)應(yīng)用模塊

利用WINDOWS API函數(shù) ShellExecute并通過(guò)傳入的參數(shù)對(duì)配置文件中的應(yīng)用模塊進(jìn)行統(tǒng)一啟動(dòng)。

3）顯示和部署應(yīng)用模塊

通過(guò)應(yīng)用模塊的入口主函數(shù)傳入的命令行參數(shù)，進(jìn)行字符串解析，將獲取的位置參數(shù)傳入WINDOWS API函數(shù)SetWindowPos進(jìn)行各應(yīng)用模塊的顯示和部署。

3 結(jié)束語(yǔ)

文中對(duì)民用飛機(jī)電子飛行儀表仿真系統(tǒng)提出設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)方法，并成功應(yīng)用在某型民用飛機(jī)的概念設(shè)計(jì)階段，對(duì)飛行員操作程序（POP）的評(píng)估取得良好的效果，并對(duì)后續(xù)電子飛行儀表系統(tǒng)顯示方案的制定提供了有效的驗(yàn)證手段。

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