基于ARINC661的飛機座艙顯示系統設計與實現

王瑞球 王敬馳 王偉

摘要

作為新一代飛機座艙顯示系統的行業標準，ARINC 661標準，即“座艙顯示系統與用戶系統的接口標準”，推動著機載座艙顯示系統向綜合化、通用化、開放化的方向不斷發展。為迎合這一新的發展趨勢，設計出符合市場需求的新型機載座艙顯示系統，本文基于ARINC 661標準開展飛機座艙顯示制系統的設計和實現首先簡述ARINC 661標準的主要內容;然后在此基礎上按照標準要求的流程完成了PC環境下座艙顯示系統可行性的驗證和設計。

【關鍵詞】ARINC 661 UA CDS 座艙顯示系統

座艙（駕駛艙）是飛行員駕駛操作飛機的場所，座艙顯示系統（Cockpit DisplaySystem，簡稱CDS）是飛機座艙中所有顯示設備軟件和硬件的總稱，它在為飛行員實時顯示飛機當前飛行參數、發動機狀況、機組告警信息以及全機各系統狀態等數據的同時，接收來自飛行員的控制指令，是飛行員確定飛機飛行狀況，控制飛機安全飛行的關鍵所在。

隨著航電系統的不斷發展，各種新型傳感器的不斷引入，座艙顯示系統所需要顯示和控制的信息越來越多，復雜程度日益增加。由于目前飛機中電子設備的接口各異，加之飛機設備制造商設計策略和開發方法的差異，傳統的座艙顯示系統具有開發周期長、移植和維護性差、難以適應外部設備變化等不可忽視的缺點，無法適應新一代航電系統高度綜合化和開放性的需求。規范化定義座艙顯示系統的接口要求，提高系統通用性、開放性水平，縮短開發周期，便于系統快速更新換代，己成為航電系統發展迫切需要解決的一個問題。

為了解決上述問題，美國ARINC公司 （Aeronautical Radios Inc，航空無線電通信公司）在2001年提出了ARINC 661標準“ockpitdisplay system interfaces to user systems”，即“座艙顯示系統與用戶系統接口標準”。該標準重新規定了座艙顯示系統與用戶系統的概念，規范化地定義了座艙顯示系統和用戶系統之間的接口以及通信數據格式，提出了畫面顯示和邏輯控制相互分離的設計理念，為提高座艙顯示系統通用性和開放性水平提供了一個很好的解決方案。因此，基于ARINC 661標準展開座艙顯示系統的研究具有非常重要的意義。

1 ARINC 661標準簡介

ARINC 661標準第一版于2001年發布，是以空客公司A380客機座艙顯示系統的開發模式為基礎進行制定的。標準意在規范化座艙顯示系統與用戶系統之間的接口設計和通信數據格式，規定的圖形用戶接口完全用定義文件來描述。為了在規范化的同時保證座艙顯示系統設計的開放性，標準中并未涉及對具體的設計工具、界面感官和底層物理通信方式的規定。隨著市場需求的不斷發展和航電技術的不斷進步，ARINC 661標準的第六版已經于2017年發布，該版本新增了滾輪、觸控等最新交互接口。

ARINC 661標準將座艙顯示系統分為了兩個主要功能模塊：座艙顯示系統（CDS：Cockpit Display System）和用戶應用（UA：User Application），規范定義了兩者之間的通訊接口，從而實現了畫面顯示和邏輯處理的松耦合。這一舉措使得系統開發過程中畫面設計和邏輯設計的過程相互獨立、互不影響，不但大大減少了系統的開發成本和維護成本，而且增加了系統的通用性和可移植性。為了在規范化的同時保證座艙顯示系統設計的開放性，標準中并未涉及具體的設計工具、界面感官和底層物理通信方式的描述。

ARINC 661標準的制定具有強烈的市場性，其編委會的成員包括如空客、波音等飛機制造商以及Rockwell Collins、Presagis、Esterel等軟硬件供應商。隨著ARINC 661標準在空客A380客機上的成功運用，空客A400M軍用運輸機和波音787客機也相繼展開了基于ARINC 661標準的座艙顯示系統設計，并最終取得了理想的效果。符合ARINC661標準的座艙顯示系統開發工具也開始不斷涌現，如Vaps XT ARINC 661、GL StudioARINC 661和SCADE Display ARINC 661等。ARINC 661標準已經逐步成為新一代座艙顯示系統設計的必要條件。

1.1 座艙顯示系統CDS

標準所規定的座艙顯示系統（CDS）是系統實現畫面顯示的功能模塊，內含功能模塊和基礎庫兩大組成部分，其功能類似于傳統的B/S構架中的瀏覽器，主要有以下四個核心功能：

1.1.1 DF文件解析功能

DF文件是ARINC 661標準下的圖形界面描述文件，既定義了CDS端畫面顯示需要的Widget參數信息，又定義了UA端邏輯控制索引所需的各個層級的ID號，是連接CDS端和UA端的重要橋梁。CDS端的第一步工作就是解析DF文件，從而得到整個圖形界面的描述信息。CDS可以通過讀取固化在CDS系統中設計好的DF文件啟動，也可以動態加載UA傳輸的DF文件啟動。

1.1.2 圖形界面繪制功能

CDS的主要功能就是畫面顯示功能，ARINC 661協議在CDS端引入了基本GUI集合：窗體部件庫（Widget Library），對每一種窗體部件都封裝好固定的Open GL代碼，可以使得使用者在不了解Open GL開發的情況下，對解析DF文件得到的圖形描述信息進行界面繪制，從而完成畫面顯示的功能。

1.1.3 通訊功能

實現畫面顯示與邏輯控制相互分離的前提是CDS和UA兩者之間的通訊機制，CDS端可以通過通訊模塊將用戶交互信息傳遞給UA端，從而對飛行員的指令進行反饋，UA端也可以通過通訊模塊向CDS端發送畫面刷新指令，實時的更新畫面，實現畫面的動態效果。

1.1.4 用戶交互功能

CDS端可以通過按鍵、觸摸等信息輸入方式完成與飛行員之間的交互，獲取飛行員的指令。

1.2 顯示層級

標準對顯示界面采取層次性的劃分和管理，將顯示器劃分多個顯示單元（DisplayUnit，DU），單個DU細分成多個獨立的顯示窗口（Windows），每一個窗口由多個圖層（Layer）疊加，各個圖層由結構化的窗體部件（widget）組成。圖1所示為座艙顯示系統的顯示層級結構圖。

按照標準的規定，在某一顯示單元的區域內，所有的窗體、圖層和窗體部件都擁有其唯一獨立的ID號，CDS可以通過對應的ID號[WindowID]-[LayerID]-[WidgetID]對特定的一個窗體部件進行管理，從而實現系統畫面的靈活控制。

1.3 定義文件DF文件

DF文件是本標準中規定的圖形界面描述文件，按照存儲內容可將其劃分為五個部分：DF文件頭、Picture塊、Symbol塊、Layer塊和DF文件尾。圖2所示為DF文件的結構圖

1.4 用戶應用UA

標準所規定的用戶應用UA是系統的邏輯處理中心。系統外部傳感器檢測的信息以及系統內部CDS接收的用戶交互信息都會通過通信協議傳輸給UA，UA通過層級式的ID號[WindowID]-[LayerID]-[WidgetID]與CDS顯示畫面中的窗體部件——對應，從而實現對Widget狀態的精確控制，命令CDS進行畫面刷新或者是畫面改變。其主要功能模塊有：

（1）通信模塊：用以實現和CDS的通信，完成信息傳輸;

（2）DF文件管理模塊：用以實現對DF文件的加載和管理;

（3）窗體部件庫模塊：對每一種部件都封裝好固定的程序代碼，并將CDS部件參數對應的接口在程序中對用戶進行開放，對部件進行控制時只需要調用該部件的函數，修改相關接口輸入;

（4）外部信息輸入模塊：接收系統外部傳感器檢測的數據;

（5）CDS信息輸入模塊：接收系統內部CDS傳輸的反饋信息、用戶交互信息等;

（6）邏輯處理模塊：對外部信息輸入模塊和CDS信息輸入模塊接收到的信息進行處理后再反饋給CDS。

為了保證符合標準的座艙顯示系統具有更好的通用性，UA可以運用任何編程語言和設計技巧來實現，除了需要遵循“顯示圖層受UA控制”的控制邏輯和標準規定的軟件“通信協議”接口定義外，標準并沒有對UA的設計有更多的規定。

1.5 通信機制

根據消息的傳遞方向，ARINC 661標準下的通信模式可以分為兩類：一類是從UA端發送到CDS端的控制請求信息，主要包括實時畫面刷新請求、Widget參數改變所導致的畫而更新請求以及Layer和Window的狀態改變所導致的畫面切換請求;另一類是從CDS端發送到UA端的反饋信息，主要包括Widget參數改變完成信息反饋、交互信息反饋、Layer和Window狀態改變完成信息以及系統異常信息反饋。圖3所示為CDS與UA之間的通信關系。

2 基于ARINC 661標準的開發過程

ARINC 661標準將座艙顯示系統的開發過程規范為3個階段：需求分析階段、定義階段、運行階段。圖4所示為基于ARINC 661標準進行座艙顯示系統開發過程的示意圖。

需求分析階段：該階段需要通過對需要顯示的畫面進行用戶需求分析，按照ARINC661標準，構建畫面的層級關系并將畫面進行分解，按照標準中Window、Layer、Widget的顯示功能對畫面中的元素進行分類對應，再按照對應好的Window、Layer、Widget的層級關系對畫面中的元素進行編號，從而制定出符合ARINC 661標準的設計需求文檔。

定義階段：定義階段是DF文件的生成和CDS加載解析DF文件的過程。首先利用符合本標準設計規范的可視化開發工具進行畫面開發，按照設計需求文檔中定義好的Window、Layer、Widget的參數以及相應的層級關系完成圖形界面描述文件DF文件的編輯，DF文件是定義階段的產物。之后，在CDS端完成DF文件的加載和解析工作，實現窗體部件的創建（實例化并對窗體部件的參數初始化）的過程。

運行階段：運行階段是顯示系統實現數據交換，顯示畫面實現實時動態顯示的過程在定義階段CDS端完成對DF文件的加載解析，得到需要顯示的畫面之后，進入運行階段，CDS端與UA端通信，處理外部輸入信息以及CDS端交互信息，最終完成顯示畫面的實時更新。

3 座艙顯示系統設計實例

本文基于ARINC 661標準座艙顯示系統開發流程，使用VAPS XT A661開發工具設計了一個可以進行動態更新的飛行儀表顯示系統，顯示內容包括了天地球、羅盤、航行參數等相關數據，如圖5所示。

以畫面中的天地球的設計過程為例，首先需要分析構成天地球所需要的部件，由于ARINC 661標準規定的是點、線、圓這樣一些最基礎的窗體部件，包含的窗體部件非常多，大體上我們可以把天地球分成4個部分：天地球主體，主體部分由一個開窗部件構成，開窗部件內部包含了一個可以進行旋轉和平移的天地標尺部件集合、羅盤標尺、水平標尺、旋轉指示標志。在需求分析的基礎上，我們按照天地球的組成要素和層級關系對天地球進行設計，如圖6所示。

AD工基礎部件為天地球的總體，包含ADIMask背景開窗部件（含俯仰角平移和橫滾角旋轉屬性）、ADICompass橫滾刻度部件、ADI ROLLFLAG旋轉指針和ADIP1aneFlag飛機基準部件。構建好天地球后，我們需要修改天地球中各個部件的相應屬性，和圖5中的顯示需求匹配，例如表示天空的矩形框的顏色屬性需要修改成藍色，表示大地的矩形框的顏色需要修改成棕色等。在設定好天地球的畫而描述信息之后，得到所需的DF文件。

接下來確定CDS端與UA端通訊的接口，對于天地球而言，我們設定的接口有旋轉部件ADI ROLL的旋轉角度、平移部件ADI PITCH的平移數值以及旋轉部件ADIROLLFLAG的旋轉角度，為此我們需要映射相關部件的WidgetIdent信息，如圖7所示。在編寫UA端控制程序時，通過分層配置的ID號[UAID]-[LayerID]-[WidgetID]與CDS端顯示畫面中的Widget一一對應，對Widget的屬性進行控制。

基于上述步驟，可以簡要展示基于ARINC 661標準的座艙顯示系統設計過程。本文完成了在PC環境下基于ARINC 661標準的座艙顯示系統模擬開發：使用兩臺PC機進行系統仿真：PC1存放CDS和設計生成的DF文件，DF文件規定了CDS和UA之間的通訊接口;PC2使用VS2010編寫了UA端的控制程序;兩臺PC機之間采用UDP通訊。PC2可以通過LTA程序控制PC1的CDS顯示畫而。圖8為PC機環境下基于標準的座艙顯示畫面模擬運行效果。

4 結束語

本文在簡述了ARINC 661標準核心內容以及PC環境下座艙顯示系統設計的設計與開發過程，驗證了設計的可行性。目前，為了適應新一代座艙顯示系統的要求，ARINC661標準仍然在不斷的完善與發展。國內對于ARINC 661標準的研究及工程應用并未普及，但隨著航空電子技術和航空產業的不斷進步，對于ARINC 661標準下座艙顯示系統的研究應用必將會不斷的深入。

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