飛行仿真中基于嵌入式Qt的CDU仿真模塊設計

周 旋，顧宏斌

(南京航空航天大學民航學院，江蘇 南京 211100)

控制顯示組件(Control and Display Unit)是飛行管理系統中人機交互的重要部件，是飛行員在飛行訓練中使用最多的模塊。飛行員使用CDU完成建立飛行計劃、修改航路、輸入FMC數據、檢索顯示頁面等飛行管理功能。因此，對CDU的仿真是整個飛行模擬系統不可或缺的部分［1］。

目前為止，在科研領域，對CDU的仿真主要停留在仿真CDU的按鍵輸入和頁面顯示功能，而CDU顯示的難點，其頁面的生成，則使用第三方軟件生成［2］，或只仿真少部分頁面［3］，無法滿足實驗和仿真的需要。本文在基于嵌入式Linux的ARM平臺下，選擇Qt作為GUI開發工具。參考737NG系列的CDU，歸納了頁面特性，用面向對象的思想封裝各級頁面，將各級頁面的信息和邏輯關系以資源文件的形式的存儲在SQLite數據庫中，根據可修改的數據庫信息生成CDU頁面，實現頁面顯示功能和按鍵事件響應，簡化了CDU頁面的開發復雜度。并使用標準鍵盤，將標準按鍵映射為CDU按鍵［4］，為開發1:1 CDU仿真按鍵做好準備。經測試，該方案可以方便地生成CDU頁面，處理按鍵事件，并與上位機通信。在設計新型號CDU時只需修改數據庫和新建頁面變量即可生成新的頁面，滿足對不同種CDU快速開發的需要。

1 飛行仿真中CDU模塊的功能

CDU是飛行管理計算機系統(Flight Management Computer System)的人機接口，通過CDU的鍵盤向FMCS輸入飛行計劃、性能數據、修改航路、檢索各種頁面信息(如導航數據、性能數據、咨詢信息、故障情況、自檢信息等)［1］。

在737NG系列飛機中，CDU負責頁面顯示與發送按鍵事件。其頁面的切換與數據的處理都是由FMC處理。但是在飛行仿真中，為了使各部分功能模塊化，方便分工合作，充分利用處理性能，將頁面標題生成和顯示，以及對按鍵事件的處理功能交給CDU仿真模塊，而上位機只負責復雜的飛行計劃的仿真。上位機與CDU仿真模塊通過UDP/IP協議通信，CDU仿真模塊將需處理的飛行數據發送給上位機，經上位機處理后發回，并在CDU仿真模塊中顯示。如圖1所示。

圖1 CDU仿真模塊的構架

2 CDU仿真模塊設計方案

在飛行管理計算系統的仿真中，CDU仿真模塊負責的是頁面顯示輸出功能。其顯示功能，就是根據鍵盤的輸入，改變頁面信息或者切換頁面，并將頁面上的信息傳輸給上位機的飛行計劃處理單元。因此，事實上CDU仿真模塊主要處理的任務就是根據外部響應切換頁面。實際的問題就轉化為，搭建一個實現顯示、按鍵輸入、并與上位機通信的嵌入式系統。

本文使用嵌入式Linux操作系統+QtGui來搭建CDU仿真模塊，Linux內核具有可裁剪的特性，可以裁剪不用的部分加快啟動時間［5］。Qt是主流的GUI解決方案，有面向對象性強，跨平臺的特點［6］。由于CDU的頁面數量很大，使用SQLite數據庫存儲頁面初始化信息。SQLite是主要面向嵌入式設備，擁有ODBC接口的輕量級數據庫。在Qt中使用QtSQL可以方便地使用SQLite數據庫功能［7］。

此外由于CDU按鍵功能的特殊性，可以將CDU功能按鈕的使能信息放在數據庫中。事實上，除了少部分特殊頁面的特殊功能以外，大部分頁面的初始化信息全部存儲在數據庫中，只需要更改數據庫信息，就可以改變頁面的文字信息。

3 CDU仿真模塊的設計

CDU仿真模塊主要功能有頁面生成、顯示，按鍵事件響應和網絡通信的功能。在系統啟動后，首先讀取數據庫，初始化頁面，然后接收上位機飛行計劃相關信息并顯示，根據按鍵事件做出插入、復制數據等操作，在完成某些操作后將信息傳輸給上位機。CDU仿真模塊流程如圖2所示。

圖2 CDU仿真模塊流程

圖3 頁面系統

3.1 頁面系統

搭建CDU仿真模塊的關鍵在于:如何方便地生成大量的CDU頁面;如何處理復雜的頁面邏輯關系?使用面向對象的方法，總結歸納CDU頁面的特性，歸納的程度越高，就越能簡化每個獨立頁面所需的代碼。

(1)頁面的生成

真實CDU的任何頁面系統都包含三個部分:頁面的標題信息，頁面數據，頁面切換標識。其中，標題信息為小字顯示，頁面數據和頁面邏輯為大字顯示，如圖3所示。

飛行仿真中，CDU仿真模塊初始化頁面標題信息和頁面邏輯，頁面數據由上位機處理生成并使用UDP傳輸給CDU仿真模塊。在初始化過程中，把頁面數據初始化為空字符，把它視作頁面切換標識的子集。實際所有的頁面數據都由CDU仿真模塊初始化，在生成頁面時可以忽略其區別，在之后在處理頁面數據。

根據真實CDU顯示特性，頁面文字分為2類:小字體字符，包含頁面標題信息［1］;大字體字符，包括頁面數據、頁面標題和頁面邏輯。

總結所有CDU頁面的特點，可以發現小字體字符的位置不會變化，大字體字符有2種變化:左右分布或者左中右分布［1］。左右分布其實是左中右分布的特殊形式，即中間沒有文字。把每組字符串視為單獨的對象，創建繼承QLabel類的QWord類，大字符為 QWordBig，小字體字符為 QWordS-mall。創建繼承QWidget的QCDU類，作為CDU頁面功能的基類，包含22個QWordBig類和12個QWordSmall類。參考真實CDU的顯示特性，使用Qt的Layout排版，設置QwordBig分別左右對齊，中間對齊，并根據字符的長度自動調節QWordBig的長度，在填入初始化字符串后，該方案可以模擬所有的CDU頁面。大字體字符串抽象圖如圖4所示。

圖4 大字體字符串抽象圖

(2)頁面的切換

頁面的存儲使用Qt的堆棧功能，頁面的切換則是使用了SQLite的查詢功能。

雖然CDU的頁面數量較大，但主要存儲的是文字信息，實際占用的空間并不大。在CDU模塊初始過程中，實際是初始化所有的QCDU對象。將所有的QCDU對象存儲在QStackWidget堆棧中，每個對象獲取唯一的堆棧號，并存儲到數據庫中，通過選擇堆棧號，切換相應頁面到前臺。

真實CDU中，有3種方式切換頁面:按下具有標準選擇功能并對應行含有“＜”或“＞”字符的按鍵;按下功能按鍵;上下翻頁鍵［1］。頁面切換功能的實質是將行選鍵對應的字符與頁面一一對應起來。為此，在后頁的QCDU類中增加一組標識字符串，其表示標識為唯一，使之與前頁字符串一一對應。當按下按鍵是，程序根據行選鍵對應的內容，搜索數據庫，找到對應的堆棧號，使用QStack-Widget功能切換到指定頁面。

如:真實CDU中，在位置起始頁(POS INIT)中“ROUTE＞”對應航路頁(RTE)。因此，設置航路頁的QCDU類的標識符為“ROUTE”。CDU仿真模塊中，按下“ROUTE＞”對應的行選鍵后，系統自動除去“＞”符號，并在數據庫中搜索“ROUTE”頁面，搜索到RTE序號為5，使用QStackWidget類，切換顯示到堆棧號為5的QCDU頁面，即RTE，同時把便簽欄數據復制到RTE中。

3.2 按鍵事件的處理

真實CDU一共有包括行選鍵、功能鍵、數字字母鍵在內的78個按鍵，仿真與實物的移植，提高仿真效果，訂制與對應機型CDU在鍵盤大小，按鍵布局與按鍵功能一致的鍵盤。在程序中將鍵盤的輸入映射為CDU按鍵，重新定義標準鍵盤的按鍵事件，如將F1～F6定義為左功能鍵。

功能鍵主要有12個快捷鍵，2個翻頁鍵，1個執行鍵組成［1］。按下快捷鍵時調用QStackWidget，直接跳轉到對應的頁面。翻頁鍵功能與之類似，配置QCDU加入堆棧時按頁面排列，按下下一頁按鍵時候當前頁面序號+1，即轉到下一頁。按下執行鍵時檢測上位機發送的使能變量，判斷是否能夠執行。

行選鍵是邏輯相對復雜的一種，每個功能鍵總計有5個功能，包括3個標準功能，2個非標準功能，其中非標準功能不常用［1］。將QCDU類作為基類，實現3個標準功能的處理函數，使用虛函數描述2個非標準功能，在子類中重寫非標準功能處理函數。3個標準功能包括標準選擇功能，標準輸入功能，刪除功能。標準輸入功能和刪除功能實際是QCDU類中22個QWord數據的交換。對于標準選擇功能，需要對QWord中的字符串進行判斷，在包含“＞”或“＜”進行頁面切換，不含則與另兩個標準功能類似，只進行頁面內數據的交換。

雖然每個行選鍵在程序初始化時都有5個功能，但真實CDU系統中每個行選鍵都只擁有固定的幾項功能，如起始位置檢索頁，該頁中行選鍵都具有標準輸入功能，而沒有標準選擇功能［1］。CDU仿真模塊根據數據庫中存儲的信息使能行選鍵的功能，只需要修改數據庫中的數據設置就能設置行選鍵的功能。

3.3 數據庫的使用

如果將頁面數據及頁面邏輯信息都存儲在程序中，不僅會使程序結構復雜，且擴大了程序的體積。并且由于CDU頁面較多，當需要建立新頁面時，要將頁面標題數據全部輸入，對于不熟悉程序源代碼的人來說維護較為麻煩。因此，參照程序本體/資源文件模型，將頁面中的標題數據和邏輯信息存儲在資源文件中，在程序本體啟動時讀取資源文件，根據資源文件初始化。

資源文件是一種存儲在硬盤中的文件，其中可以包含文字、位圖、音頻等信息。資源文件不需要經過編譯，程序在初始化時通過特定的方式讀取資源文件，并存儲在內存中。使用資源文件可以減少主程序體積，在替換資源時不用重新編譯程序，且不影響程序運行速度。為了方便資源文件的維護和擴展，使用SQLite數據庫文件格式存儲資源文件。

資源文件中存儲的數據包括4個部分:

(1)頁面標識名稱(title)。對于每一個頁面，使用一個唯一的字符型常量與其對應，稱為頁面標識。程序中使用該名稱區分每個頁面，確保頁面變量能從資源文件中正確讀取對應的信息。

(2)換頁信息(pagename)，該條目與頁面邏輯有關。存儲的文本用作檢索名稱，用于搜索

(3)行選鍵使能信息。決定了行選鍵的功能，為了方便維護，每個使能功能以可用位置的形式存儲。如在位置起始頁中，L2，L3，L5，L6，R4，R5 按鍵擁有標準輸入功能，R1，R2，R3，R6擁有標準選擇功能。在數據庫存儲方式為:fselect值為7，8，9，12。fenter值為 2，3，4，5，10，11。

(4)頁面顯示信息。即CDU頁面顯示的信息，參照實際CDU系統輸入。

3.4 網絡通信

由于嵌入式系統的處理能力較弱，CDU仿真模塊主要處理的是頁面的生成和按鍵事件的處理，負責較復雜運算的FMC的功能由上位機處理。由于傳輸距離很近，選擇使用UDP/IP通信協議進行數據的傳輸。在CDU仿真模塊頁面初始化完成后，發送頁面名稱，請求上位機發送相應頁面數據，根據機發送的信息顯示頁面數據。每當進行切換頁面操作時，CDU仿真模塊將頁面標題、頁面數據按順序發送給上位機。

4 實驗與驗證

4.1 功能驗證

打開CDU仿真模塊，運行上位機，并填入頁面數據。CDU進入IDENT(識別檢索)頁，頁面的數據能完整顯示。按下字母按鍵，便簽欄數據改變。按下行選鍵6R，頁面切換，進入POS INIT(位置初始化)頁，所有數據正常顯示。按下PageDown，進入POS REF頁。按下行選鍵1L，數據被復制到便簽欄中，如圖5所示。

圖5 實物展示

4.2 增加新頁面測試

在已有頁面基礎上增加NAV DATA(導航數據頁面)。由于NAV DATA沒有非標準按鍵功能，直接使用QCdu類建立對象，插入堆棧。

QCdu*CduNavdata=new Cdu("NAV DATA");

insertcdu(CduNavdata);

數據庫中新建NAV DATA元素見表1。

表1

5 結論

通過對真實CDU頁面邏輯的分析，基于嵌入式Qt開發環境建立了可與上位機交互的CDU仿真模塊。使用面向對象仿真技術和數據庫抽象出頁面顯示特性和頁面邏輯，簡化了完整CDU模塊的設計，為完全模擬CDU模塊打下基礎。使用標準鍵盤模擬按鍵輸入，方便調試，并具有擴展性。實驗結果表明，該方法能較好地模擬真實CDU的運行，并能減少CDU頁面開發的開發量，適應于各種飛行仿真環境。

［1］欽慶生.飛行管理計算機系統［M］.北京:國防工業出版社，1991.

［2］向明，馬存寶.基于VAPS的FMS CDU實時仿真系統開發［J］.計算機仿真，2006，(8).

［3］廖蜂，鄭書朋，侯偉欽，等.一種高逼真度的控制顯示組件仿真方法［J］.計算機工程，2011，(4).

［4］陳又軍.基于仿真硬件CDU的飛行管理系統訓練器擴展研究［J］.航空維修與工程，2009，(4).

［5］孫天澤.嵌入式Linux開發技術［M］.北京:航空航天大學出版社，2011.

［6］蔡志明，盧傳富，李立夏.精通Qt4編程［M］.北京:電子工業出版社，2008.

［7］孫磊.基于ARM Linux的嵌入式數據庫SQLite的移植開發［D］.昆明:昆明理工大學，2008.