機載座艙實時顯示系統設計

張 迪 呂秋曉 楊新中

機載座艙實時顯示系統設計

張 迪 呂秋曉 楊新中

本文闡述了當前保證試飛安全所面臨的問題，提出加裝機載座艙實時顯示系統的必要性，并詳細描述了該系統的結構和功能設計、關鍵技術，以及該系統在型號試飛中發揮的重要作用。

在飛行試驗過程中，為保證型號設計定型的順利進行，提高試飛效率和安全性，對飛機姿態，過載，速度等飛機操作性，穩定性的測試數據需進行實時監控。隨著近幾年新型號的不斷涌現，且頻譜資源的匱乏，當前的地面遙測監控系統無法完全保障監控需求。并且在外場試飛時，沒有相應的遙測監控系統作為安全保障。因此針對大型運輸機/轟炸機、直升機這類具有較大座艙空間的飛機，研制一種試飛階段特有的機載設備：機載座艙實時顯示系統。該系統通過采集系統接收關測試參數后，進行實時處理與綜合顯示，在沒有遙測監控系統的情況下，將試飛危險科目的關鍵，特殊測試參數集中合理的展示給試飛員，使其對當前的飛機狀態有準確，實時的了解，進而高效安全地完成試飛任務 。

目前，國外在試飛安全保障、機載測試數據實時顯示領域的相關研究開展較早，相關技術產品也較為成熟。歐美，俄羅斯等國都有類似的加裝顯示設備，并且向著低成本，通用性，擴展性，兼容性的測試需求方向發展，具有了符合自身測試需求的、完善的采集，調度，交互，安全等方面的理論研究和應用平臺。由于機載座艙實時顯示系統使用范圍的特殊性，國內相關領域的研究還比較少，并且國外的相關產品設備不符合我國當前試飛測試需求（如參數采集規格、尺寸大小、數據接口、顯示效果等），因此，需研發適用于我國試飛測試領域需求的座艙實時顯示系統。

系統概述

機載座艙實時顯示系統大致可以分為數據采集，數據處理，人機互動接口，數據可視化顯示四個模塊（圖1）。為實現復雜的系統功能，系統以嵌入式X86構架QSEVEN模塊為CPU核心，集成相關的接口、數據采集、電源板等模塊，搭載嵌入式操作系統XPE，在其上開發應用軟件完成各個功能。主要以飛行試驗測試數據為基礎，完成數據處理、人機互動、可視化處理后，將試飛科目所需的關鍵參數顯示在當前畫面，并且具有安全告警、操作輔助決策、數據回放查看、數據圖像存儲等輔助功能。

硬件系統設計

作為機載加裝產品，其形狀，功耗，重量都有一定的制約因素。為滿足其加裝需求，CPU模塊我們選用德商康佳特的conga－QA，該模塊對內存和存儲空間要求不高的系統，可大大提高系統的穩定性，并簡化系統的硬件結構設計。該系統的硬件結構主要分為：CPU模塊，數據采集模塊以及顯示模塊。其中數據采集模塊作為最主要的功能模塊，可實現模擬量，開關量和網絡數據包的采集接收，之后經CPU模塊處理轉發至顯示模塊進行顯示。其硬件結構如圖2所示。

數據采集模塊

數據采集模塊作為該系統的重要部分，實現了模擬量，開關量和網絡數據包的采集和接受。其中CPU模塊conga－QA提供了一路以太網數據接口，因此采集模塊主要設計實現了基于FPGA的數據采集功能。待采集的模擬信號經過信號調節后放大到合適的電平范圍，送入到工作于交叉采樣模式A/D轉換器，轉化后的數字信號直接送至FPGA控制器，在FPGA內部實現電平轉換后經過數據緩沖后，存儲與數據緩存器中，等待PCIE總線的讀取信號。開關量信號經過信號調理電路后，直接送至FPAG控制器，并存儲于數據緩存其中，等待PCI－E總線的讀取信號。由于PCI－E接口傳輸速率大于信號采集速率，因此可以保證數據的不丟失。其工作原理如圖3所示。

其中系統控制模塊完成采集數據上傳、主機命令的下發和執行。系統控制采用有限狀態機的控制方式。當系統上電后控制器默認進入初始化狀態，完成默認參數的配置，包括采樣頻率、觸發方式、時鐘選擇、模擬輸入量程等，初始化執行完畢后進入空閑狀態，等待接收主機命令和執行操作；當接收到啟動采集的命令后，控制器將AD數據輸入到數據緩存區，等待主機上傳數據；如此反復循環工作，直到收到主機停止采集的命令再返回到空閑狀態。其工作原理圖如圖3所示。

圖1 機載座艙實時顯示系統結構圖

圖2 機載座艙實時顯示系統硬件結構

圖3 系統控制模塊工作原理圖

圖4 機載座艙實時顯示系統軟件結構構架

軟件系統設計

軟件系統作為機載座艙實時顯示系統的核心處理子系統，其邏輯構架如圖4所示，主要分為三部分：網絡接收，數據處理顯示以及鍵盤輸入邏輯識別。實現以數字、曲線、告警燈、圖像等多形式、多參數、多畫面的飛機狀態信息綜合顯示，并且具有試飛參數回放保存、輔助決策等功能。

網絡接收模塊是基于UDP協議設計實現的，在機載采集系統將顯示參數以以太網數據格式發送至接收端口后，采用Windows Socket套接字實現端口號的綁定與網絡數據的接收。并通過設定相應的計數變量來進行網絡數據包的過濾，來避免發生數據堵塞現象。相比與傳統的數據采集傳輸模式（參數和傳輸通道一一對應），以太網傳輸模式具有傳輸數據速率高、系統組建靈活、易擴展、標準化程度高等諸多優點，可在不影響原有的機載系統的情況下，實現采集參數的增減與修改。

數據處理顯示模塊則主要實現基于顯示參數的實時處理和實時顯示。在實時處理過程中，程序調用校線程序選擇相應參數的校線數據，之后進行計算實現參數源碼向物理量的轉換。并將所得結果存儲用于實時顯示和參數回放。在機載采集系統中，單個機箱的發包速率為每秒64到256個數據包，假設每個數據包具有50個參數，在實時處理時要實現一次校線調用（單個參數校線碼值個數為10）和一次物理量計算，因此每秒需要計算次數約為256000次，而系統CPU模塊可搭載1G DDR2 533的板載內存，因此完全可以實現顯示參數的實時處理。在實時顯示過程中，數值曲線由右向左動態顯示。所有參數后臺處理，如有參數超限情況發生，則在告警區域進行顯示。

圖5 單線程輪詢數據采集處理流程

鍵盤輸入邏輯識別模塊中，通過鍵盤完成顯示畫面的設置。主要功能有：切換，設置，遞增，遞減，配平，截屏，回放，確認八個功能。實現相應的顯示畫面切換，坐標系和目標極值的設置，配平信息的輸入，畫面截屏，數據實時回放，輸入信息確認等功能。

關鍵技術

在座艙顯示器系統設計與實現過程中，關鍵技術主要有：（1）多源地址數據采集技術；（2）輔助決策功能實現。

多源地址數據采集技術

座艙顯示器實現測試參數的實時顯示需要的重要前提是實現網絡數據的接收。在大型飛機的測試系統中，有多個數據采集機箱，而顯示參數則可能分散在多個機箱中，由于每個機箱中定義的數據包長度和發送頻率各不相同，因此，如果用通常的設計方法，即對每個機箱發送的目的端口地址啟動相應的接收任務來進行數據接收，這樣有可能產生十幾個任務線程，這對CPU的實時處理和線程的優先調度設定都是一個巨大的挑戰。為解決這一問題，設計采用單線程輪詢各個機箱的方式來實現。數據采集任務的處理流程如圖5所示。

在單線程輪詢數據采集處理流程中，所有源地址發送的數據只有在該任務線程被調用的時候才接受緩存數據，其他時刻都處于掛起狀態。由于采用單線程輪詢的處理方法，則必然會造成一定的數據顯示延遲，考慮調用一次線程的時間為10ms（包括接收數據時間），則當多源地址機箱個數在10到20個時，可以保證每秒更新參數5到10次，考慮人眼的分辨率，這樣的更新速率可以滿足實時顯示的需求。

輔助決策功能設計

圖6 機載座艙實時顯示系統參數顯示畫面

圖7 操作桿位置信息顯示畫面

加裝機載實時顯示系統后，在相應的試飛科目中，試飛員通過觀察參數的數值或曲線變化，完成參數判讀，做出相應的操作動作。在高風險高機動性的試飛任務中，盡可能的減少試飛員的判讀時間，則可以最大限度的保證試飛安全。因此我們在設計的座艙顯示系統中，通過一定的標識，提示等圖像曲線信息，向試飛員提供一定的判決信息，以此來減少試飛員的判讀時間，保證試飛安全和提高試飛效率。相關輔助決策功能體現在：參數目標機制設置功能，回放截屏功能，參數告警功能。

參數目標值顯示設置功能

軟件界面提供由鍵盤設置參數目標值的功能。根據試飛科目內容，設置好該極限性能目標值后，可在操作飛機過程中需逐步的、循序漸進的逼近極限值，若數值達到這一目標曲線時，試飛員就可以迅速獲取這一參數信息：已達到試飛任務需求。之后就可將飛機從極限狀態恢復。該功能的設置，可以有效減小試飛員的判讀信息時間，保證試飛安全的前提下提高飛行效率。

參數回放、截屏功能

在進行復雜或者快速試飛操作時，短的時間內完成一個試飛動作后，試飛員有可能專注操作而無暇觀看此時的實時數據，因此，設計實現回放觀看功能。完成該機動操作之后，通過鍵盤按鍵進入回放界面，觀看上一操作動作的試飛參數值，來判斷是否達到試飛任務需求。并且可以通過截屏功能將該屏畫面的實時數據以圖片形式記錄下來，便于試飛任務結束后進行數據查看和討論。

參數告警功能

本功能主要是完成后臺數據處理的快速運算，在試飛過程中，當前顯示界面為其他主要參數時，若其他某一性能參數超過其設計極值或科目需求極限值時，則在當前顯示界面發出相應的告警信號，試飛員通過告警按鍵切換至告警界面，觀察告警信息。

界面設計

圖6為機載座艙實時顯示系統中參數顯示畫面。包含了參數值的時序顯示曲線、目標極值的顯示設置、告警信息標識等。試飛員通過觀察參數數值是否達到設定的目標值，就可以直觀迅速的判斷當前操作是否滿足任務需求。極大的方便了試飛員完成操作任務。

圖7為某型飛機在完成某試飛科目時設計的操作桿位置信息顯示畫面。該畫面中試飛員可以設置操作桿的目標軌跡曲線（如圖中黃色圓圈所示），藍色小點為此刻操作桿相對于配平圓點（綠色十字小坐標）的位移位置。該畫面可以幫助試飛員更好的完成試飛任務，提高飛行效率。并且在畫面左側顯示出當前桿相對于配平坐標的坐標值。

結束語

機載座艙綜合顯示系統以保證試飛安全為目的，減少了試飛遙測監控的需求。實現了顯示系統小型化、網絡化、綜合顯示、輔助決策等功能，有效保證了試飛安全，縮短了試飛周期，能安全高效保證國家重點型號試飛任務。目前該顯示器已經安裝在多個新機上，受到試飛員的一致好評。

機載座艙綜合顯示系統是保證試飛安全、提高試飛效率的基礎技術，隨著科學技術的不斷發展，新型飛機結構越來越復雜，試飛科目難度越來也大，需要顯示的參數越來也多，需要的相關功能也越來越復雜。這樣對顯示系統提出更嚴格的設計研發需求，因此我們需要不斷研究發展新的技術，進一步實現機載座艙綜合顯示系統的綜合化智能化，研究信息顯示內容與信息顯示方式對提高試飛員態勢感知的影響，使機載座艙綜合顯示系統在未來型號試飛任務中發揮更為突出的作用。

張 迪 呂秋曉 楊新中

中國飛行試驗研究院

張迪（1989.6－）男，陜西黃陵，漢，研究生，工程師，主要研究方向為機載測試；呂秋曉（1973－）女，陜西閻良，漢，研究生，高級工程師，主要研究方向為機載測試；楊新中（1956－）男，陜西閻良，漢，大專，高級工程師，主要研究方向為機載測試。

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.09.011