基于Qt的TCAS顯示輸出驗證裝置設計與實現

魏航科，呼 曦，何海明

（陜西寶成航空儀表有限責任公司 陜西 寶雞 721006）

隨著機載航電技術的發展，航電設備正在不斷地綜合集成。飛機座艙的顯示也逐步集成，各個航電系統或設備的分立顯示被綜合顯示所取代。各分系統只需要將所顯示的信息通過總線傳輸給綜合顯示器，綜合顯示器完成總線信息的解算處理、圖形構圖、顯示控制等。由于機載綜合顯示器的成本和技術原因，各分系統航電設備供應商在研制生產某獨立設備時，為了對本航電設備處理生成的圖形信息進行輸出顯示，根據顯示輸出內容開展產品的功能和性能驗證，就需要根據航電設備的功能和接口，設計開發專用的顯示輸出驗證裝置，用來模擬航電設備的工作環境。在航電產品研制生產過程中，具備獨立特定功能的輸出驗證裝置就顯得尤為重要。本文介紹一種空中交通預警和防撞系統 （以下簡稱TCAS）的TA/RA輸出顯示裝置的設計和實現方法。

1 TCAS顯示輸出簡介

TCAS采用二次雷達原理，與應答機共同完成空中飛行目標的監視跟蹤。TCAS在監視跟蹤到入侵目標后，會根據危險等級生成4種圖形標志，分別表示：無危險交通目標顯示、接近交通目標顯示、空中交通咨詢（TA）和空中交通決策（RA）；空中交通咨詢（TA）顯示信息告知飛行員入侵目標距本機的相對距離、方位、相對高度以及飛行狀態等，幫助飛行員感知周圍交通狀況；空中交通決策 （RA）出現在碰撞危險時，顯示TCAS生成的防撞指令信息，以指導飛行員正確地操作飛機，實現防撞規避。飛行員根據TA信息感知入侵機的相對方位、高度、飛行姿態等；根據RA指令，做出規避碰撞機動。

1.1 空中交通咨詢（TA）

TA顯示入侵飛機的相對位置，描述附近其他航空器相對于TCAS航空器的位置，用以幫助飛行員監視空中交通狀況，及時發現威險目標。TA顯示以4種不同的標識符號來表示危險等級：

1）無危險入侵機顯示，空心菱形圖案；

2）接近的入侵機提示，實心的菱形；

3）碰撞危險告警，實心圓形；

4）危險防撞處理建議，實心方塊，并輸出RA指令信息。

在顯示入侵機標識的周圍，根據模式顯示入侵機與本機的實時相對高度、入侵機的飛行姿態信息等。

1.2 空中交通決策RA

RA主要通過在垂直速度指示器上顯示本機垂直機動的危險和安全區域，用來指導飛行員操作飛機做出機動以規避危險。當TA顯示為實心方塊時，在垂直速度刻度背景處顯示防撞指令，提示飛行員垂直速度的安全和危險區域。飛行員操作飛機將本機的垂直速度指針指向并保持在安全區域范圍，就可以在垂直方向上實現規避碰撞。安全區域和危險區域通過顏色和徑向寬度進行區分和標識。飛行員可以根據決策指令操作飛機實現危險規避。

2 TCAS顯示輸出驗證裝置功能簡介

本設計將TCAS的TA/RA顯示器與垂直速度指示器進行綜合集成。交聯關系見圖1。大氣數據計算機發送本機實時大氣數據信息，TCAS顯示輸出驗證裝置實時接收并顯示本機的垂直速度。S模式應答機接收本機大氣高度數據轉發給TCAS，TCAS根據本機與入侵機的相對接近時間和相對高度，判斷生成并發出發出TA和RA信息，飛行員根據TCAS顯示輸出驗證裝置顯示的TA和RA，操作飛機做出規避機動，使本機的垂直速度指針指向RA的安全區域，就可以使兩架飛機保持安全的垂直距離，從而完成空中交通防撞規避。

圖1 TCAS顯示輸出驗證裝置交聯關系Fig.1 TCASdisplay output verification device of crosslinking

根據TCAS的輸出顯示需求，結合產品研制要求，TCAS顯示輸出驗證裝置主要實現功能有：輸出驗證裝置上電自檢測；接收TCAS的ARINC 429總線信號，符合ARINC 735A標準；對TCAS數據進行解析；TCAS顯示圖形構圖；根據TCAS總線內容控制輸出圖形顯示；接收大氣數據計算機的ARINC 429總線數據，實時指示本機垂直速度；根據操作控制要求進行顯示，如顯示范圍調整、顯示模式的轉換等；同時可以模擬綜合顯示器工作狀態，并將狀態信息反饋給TCAS系統等。

3 設計實現

3.1 硬件方案

本設計硬件框架如圖2所示。主要包括429總線接收模塊，分為高速和低速兩個模塊，接收TCAS輸出數據及大氣高度計數據。核心處理模塊使用ARM平臺及嵌入式Linux操作系統，完成信號的解析、控制信息的采集、圖形符號生成、圖形的顯示控制等；圖形顯示模塊，完成顯示器顯示驅動及圖形的顯示。顯控模塊提供人機交互環境，模擬座艙控制面板，完成顯示模式切換、范圍調整等

3.2 軟件方案

圖2 TCAS輸出驗證裝置硬件框圖Fig.2 TCASoutput verification device hardware block diagram

軟件開發使用在Linux嵌入式操作系統上的QT開發環境完成設計。數據接收軟件主要根據ARINC429通信協議進行數據的接收；核心處理軟件主要包括操作系統和QT軟件，提供運行平臺及圖形的繪制和顯示；顯示驅動軟件主要是驅動液晶顯示器，使其正常運行和顯示相關數據，圖片，文字。軟件框圖見圖3。

圖3 TCAS輸出驗證裝置軟件框圖Fig.3 TCASoutput verification device software block diagram

QT是1991年由奇趣科技開發的跨平臺C++圖形用戶界面應用程序開發框架。它既可以開發GUI程序，也可以用于開發非GUI程序。QT是一個面向對象的框架，使用特殊代碼生成擴展以及一些宏，易于擴展，允許組件編程。它集成了C/C++代碼模塊，支持眾多的操作系統平臺，擁有跨平臺的開源圖形界面工具庫，是一個功能十分強大的跨平臺的GUI系統，在不同平臺上移植QT工程源代碼相當方便。具有優良的跨平臺特性、面向對象、豐富的API及大量的開發文檔等優勢，使開發難度降低，周期減少。

1）界面模塊（mainwindow）：負責生成TA/RA圖形、狀態標識等圖標。

2）解析模塊（protocol）：依據 ARINC735A協議對接收到的ARINC429數據進行解析。

3） 通信模塊 （uart）:接收 TCAS和大氣數據計算機的ARINC429總線數據，同時反饋離散狀態信號給TCAS計算機。

圖4 TCAS輸出驗證裝置軟件功能Fig.4 TCASoutput verification device software function

3.2.1 Lable號識別

Lable（標志位）識別模塊主要是對429總線發出的數據進行標志位識別，依據標志號將數據分別發送至各自的解析模塊。

3.2.2 數據提取

數據解析模塊是把標志位識別模塊識別出的數據進行校驗和數據解析。若通過數據校驗，則從中提取具體的顯示信息或控制信息，如：相對高度；相對速度；區域內入侵機數量、方位；顯示范圍；顯示模式等。若未通過數據校驗，則放棄該組數據，等待下一組數據。

3.2.3 顯示控制

顯示控制單元主要是依據控制鍵及TCAS的顯示要求進行解析和反映，如：顯示模式切換、顯示范圍調整等。

3.2.4 參數比較

參數比較模塊讀取更新參數、判斷控制狀態和顯示狀態，完成顯示控制。

3.2.5 圖像生成

圖像生成模塊生成所需顯示的所有圖形，根據更新的參數進行控制，并將生成的圖形進行顯示。軟件流程圖見圖5。

圖5 TCAS輸出驗證裝置軟件流程圖Fig.5 The software flow chart of TCASoutput verification device

3.3 顯示處理過程

本設計關鍵在于顯示圖形的生成及控制。下文重點介紹一下圖形生成的原理。設計中顯示的圖形眾多，以儀表顯示為例進行說明。儀表盤的生成與接收數據后的指針變化操作流程如圖6所示。

程序先建立儀表盤顯示數組函數，用于緩存將要顯示的儀表盤圖像數據。圖像合成時，首先，在儀表盤顯示數組函數中填充刻度盤數據。刻度盤是一張存儲在Flash芯片中的BMP格式的圖片。刻度盤填充的是原始數據，無需進行計算處理。然后填充指示燈。指示燈包括飛行高度警示和其他飛機指示。根據參數比較模塊傳送過來的數據，程序會在相應的刻度盤區域填充紅色警示及◇、◆、●、■等標志。最后填充表盤指針。根據數據解析模塊傳送過來的高度信息，程序要將數據轉換為表盤指針的旋轉角度，再對表盤指針進行旋轉計算、抗鋸齒計算，最后填充到儀表盤顯示數組函數中。先填充的數據會被后填充的數據覆蓋。

圖6 儀表顯示處理流程Fig.6 The instrument display handling process

完成界面設計后，需要根據顯示優先級控制圖形的顯隱性，根據接收的數據顯示內容。顯示處理程序中對主要顯示內容的處理流程見圖7。

圖7 TCAS輸出驗證裝置顯示邏輯處理流程圖Fig.7 The logical processing flow chart of TCASoutput verification device

4 結果分析

設計完成后，對照標準對通信接口進行了測試，然后與TCAS產品進行聯試，實現了以下功能：

1）可以正確接收大氣數據機和TCAS處理機發送的數據；

2）實現了數據的正確解析和處理；

3）可以及時進行數據更新和顯示；

4）根據TCAS的輸出數據，正確實時的現實TCAS的信息，識別ARINC

總線數據入侵機數量、位置、狀態、威脅等級等信息，并用標準規定的圖形進行顯示提示；

5）接收大氣高度數據，實時正確的顯示大氣高度變化率，通過指針指示；

6）在垂直速度指示刻度外環，生成正確的RA危險和安全區域；

7）可以接收顯示控制信息，并更新顯示模式；

8）將相關信息反饋給TCAS，按要求進行處理。

輸出驗證裝置顯示性能如下：

1）圖形顯示更新響應時間不大于1 ms；

2）數據處理速度不大于10 ns；

3）每秒接收數據量不小于10 M/s；

4）顯示刷新頻率不小于60 Hz。

5 結 論

該輸出驗證裝置完成了對TCAS產品信息的接收和更新，按照ARINC735A標準通信要求及DO-185B標準顯示要求完成信息解析，并按照數據協議要求完成了TCAS的入侵交通目標顯示、TA和RA顯示，將TCAS監視到的空中交通狀況及RA指示進行明晰顯示。通過該裝置模擬了機載顯示的環境，實現了對TCAS產品的輸出和功能性能等驗證。同時可以滿足TCAS產品生產、調試和檢驗過程中的輸出顯示和功能性能驗證需求，設計達到預期目的。

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