基于VAPS XT 的座艙顯示設(shè)計與實現(xiàn)

文/秦正運 葛晨 程新滿

座艙顯示（CDS: Cockpit Display System）作為與飛行員交互的第一接口，集成了飛機系統(tǒng)狀態(tài)顯示、飛行指令引導、偵察告警、火力攻擊等重要功能，具有信息量大，內(nèi)容顯示復雜等特點。目前，國內(nèi)對座艙顯示的開發(fā)主要是采用C 語言使用OpenGL 編程實現(xiàn)，具有工作量大、開發(fā)周期長、開發(fā)效率低、后期維護難、顯示效果差等缺點。

針對如上特點，本文引入了可視化的圖形開發(fā)工具VAPS 進行座艙顯示設(shè)計，以此來提高顯示的質(zhì)量，縮短開發(fā)周期。

1 VAPS介紹

VAPS XT 是由加拿大Presagis 公司研發(fā)的人機界面設(shè)計工具，專用于航空、車輛儀表等高性能電子設(shè)備應用的設(shè)計開發(fā)。VAPS XT擁有良好的用戶界面，用戶可以利用其提供的控件來快速設(shè)計所需要的儀表圖形，具有快速、可視化等優(yōu)點；并且VAPS XT 支持UDP、TCP、共享內(nèi)存等方式和外界進行數(shù)據(jù)交互。在設(shè)計結(jié)束后，可通過代碼生成器將設(shè)計的圖形轉(zhuǎn)換成C++代碼，無需改動即可以應用到各個平臺上去。VAPS 已經(jīng)在NH90、F-22、V-22等多個系列的飛機座艙顯示設(shè)備。

2 架構(gòu)設(shè)計

座艙顯示（CDS）和用戶系統(tǒng)（UA）兩部分構(gòu)成了座艙顯示控制軟件，CDS 作為顯示終端，接收來自UA 的畫面數(shù)據(jù)信息，這些信息包括畫面號、各個圖符的驅(qū)動數(shù)據(jù)等；CDS 向UA 反饋用戶的人機接口的交互指令信息，用于UA 控制畫面信息。

CDS 軟件主要分為兩個部分：畫面顯示和數(shù)據(jù)通訊。

VAPS 主要用于CDS 的顯示畫面的開發(fā)。首先VAPS 通過一系列強大的GUI 編輯器對顯示圖符進行建模，形成圖符庫；然后根據(jù)設(shè)計的具體需求配置圖符的屬性，添加相應的邏輯，從而組建完整的畫面。圖符庫的使用可以提高圖符控件的標準化程度，減少開發(fā)工作量，提高開發(fā)效率。

VAPS 工程與通訊應用的數(shù)據(jù)交互采用nCOM 進行。為了能夠使用nCOM，必須構(gòu)建數(shù)據(jù)描述文件（DD:Data Description File），并將外部應用的數(shù)據(jù)與之映射。座艙顯示端將總線上接收的數(shù)據(jù)按照DD 文件規(guī)定的格式進行處理，才能被VAPS 工程所用。因此，我們需要根據(jù)顯示畫面的數(shù)據(jù)信息來制定DD 文件，導入VAPS 工程，并與畫面數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，從而驅(qū)動畫面的動態(tài)顯示。如圖1所示。

通過對座艙顯示軟件的功能需求分析，座艙顯示軟件主要分為3 個部分:

（1）設(shè)計圖形符號庫，從中選擇相應的圖形符號控件，設(shè)置其屬性，構(gòu)成畫面。

（2）根據(jù)畫面交互的要求，設(shè)計DD 文件。

（3）通信數(shù)據(jù)的I/O 處理。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 圖形符號及畫面開發(fā)

3.1.1 構(gòu)建圖形符號

標準圖形符號設(shè)計為CDS 的基本圖形接口，CDS 的主題設(shè)計過程可以簡單的描述為圖形符號的結(jié)構(gòu)和屬性設(shè)計，這實際上是為CDS 的設(shè)計引入了開放的開發(fā)模式，即隨著圖形符號部件的配置不同，座艙顯示可以呈現(xiàn)出不同的內(nèi)容。標準圖形符號庫的構(gòu)建和使用為CDS 端畫面顯示的開發(fā)實現(xiàn)提供支持。CDS 端畫面由各種圖形符號構(gòu)成，按照相關(guān)標準設(shè)計的圖形符號，使構(gòu)成的整個畫面更加規(guī)范，同時符合標準的圖符庫的構(gòu)建和圖符復用，能夠提高畫面開發(fā)效率，形成家族化的畫面顯示風格，積累顯示系統(tǒng)開發(fā)的資產(chǎn)，奠定后續(xù)開發(fā)和改進的基礎(chǔ)。

VAPS 中包含大量圖形、字符、儀表、數(shù)據(jù)和計算控件，圖形符號設(shè)計就是通過VAPS提供的這些部件進行HMI 的圖形化開發(fā)，將這些基本圖元部件自由的組合，并通過建立圖形符號對象的輸入輸出，關(guān)聯(lián)內(nèi)部控制邏輯，形成更復雜的圖形符號；設(shè)計好的圖形符號保存在圖形符號庫內(nèi)，在設(shè)計畫面時，將其從庫中拖拽到設(shè)計界面，設(shè)置好圖形符號的輸入輸出數(shù)據(jù)，即可使用。

3.1.2 畫面布局

在VAPS XT 中建立一個Format 對象，從圖形符號庫選取所需的圖形符號，根據(jù)用戶需求，合理分配圖形符號位置，配置圖形符號屬性，實現(xiàn)整個畫面布局。

3.1.3 實現(xiàn)內(nèi)部邏輯

VAPS XT 內(nèi)部邏輯是通過數(shù)據(jù)流（Data Flow）實現(xiàn)的，在數(shù)據(jù)流中可以使用數(shù)值比較、邏輯判斷等VAPS 提供的語句，對各個圖符的輸入輸出數(shù)據(jù)進行邏輯判斷，實現(xiàn)圖符的狀態(tài)控制。

3.1.4 畫面的輸入輸出

畫面數(shù)據(jù)的輸入輸出是通過DD 文件實現(xiàn)的（設(shè)計方法見3.2 節(jié)），在設(shè)計好DD 文件之后，將其導入到VAPS 工程中，VAPS 工程將其視為一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型，通過創(chuàng)建Data Sender/Receiver 對象，各創(chuàng)建一個數(shù)據(jù)接收和發(fā)送對象，這兩個對象同時映射到同一個內(nèi)存空間，Data Sender 向其發(fā)送數(shù)據(jù)，Data Receiver 從內(nèi)存接收數(shù)據(jù)。將這兩個對象加入到畫面中與畫面進行關(guān)聯(lián)，則完成用戶到畫面的接口操作。3.1.5 畫面測試

在畫面設(shè)計完成后，需要對畫面的顯示邏輯、接口通訊進行測試。通過設(shè)置Data Sender 對象的各個元素的值，畫面便可以通過Data Receiver 對象接收到數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)對畫面進行測試。如圖2所示。

3.2 DD文件定義

為了使兩個或多個VAPS XT 設(shè)計的應用能夠互相交聯(lián)，或者使VAPS XT 構(gòu)建的應用和外部應用交聯(lián)，VAPS XT 提供了nCom 接口進行通訊。nCom 提供了DD 文件作為數(shù)據(jù)接口，通過構(gòu)建Data Sender/Receiver 對象，來實現(xiàn)應用間的通訊。

因此，DD 文件可以作為通訊數(shù)據(jù)與畫面顯示的通道。CDS 端接收總線的通訊數(shù)據(jù)，并解析處理，將解析后的數(shù)據(jù)以DD 的格式通過nCom 傳遞給構(gòu)成畫面的每個圖符模型的參數(shù)，驅(qū)動畫面中每個圖符的顯示。

DD 文件本質(zhì)上是XML 格式文件，文件語法遵從XML，并在其基礎(chǔ)上有所簡化，一個簡單的DD 文件如下：

表1

圖1：座艙顯示架構(gòu)

圖2：VAPS XT 畫面設(shè)計流程

DD 文件必須以dataDescription 為根節(jié)點，其屬性名字必須與DD 文件名一致，如上述文件為Float50.dd，文件的dataDescription 節(jié)點的屬性必須為Float50；field 為子節(jié)點，每個field 子節(jié)點都標示一個變量；每個field 節(jié)點都包換三個子節(jié)點name、type、cardinality，這三個子節(jié)點的元素分別標示變量名、變量類型、變量維數(shù)。值得一提的是，DD 文件不支持二維數(shù)組和結(jié)構(gòu)體，如果想使用結(jié)構(gòu)體，則必須采用DD 文件嵌套的方式。

3.3 通信數(shù)據(jù)的I/O處理

CDS 端顯示的數(shù)據(jù)從根本上來說是各個航電子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是UA（User Application）端從總線上獲取的，然后再經(jīng)過處理通過總線或者共享內(nèi)存的方式傳輸?shù)紺DS 端。由于UA 端和CDS 端的硬件或者軟件配置的不同（例如系統(tǒng)大小端序不同、結(jié)構(gòu)體對齊方式不同等），CDS 通訊應用需要把接收到的通訊數(shù)據(jù)再一次處理，轉(zhuǎn)換成VAPS工具中的DD 文件結(jié)構(gòu)。

在VAPS XT 中，DD 文件最終轉(zhuǎn)換為用戶I/O 緩存，可以通過DD 的名字來索引到I/O 緩存的句柄。將CDS 處理后的數(shù)據(jù)復制到I/O 緩存里，VAPS XT 便可以獲取數(shù)據(jù)到從而驅(qū)動畫面顯示。VAPS XT 分別為C++和C 語言分別提供了索引DD 共享內(nèi)存的方式，在這里我們采用的是C++方式。

VAPS XT為我們提供了一個vxtRTUserIntegrationCallbacksI 的基類，通過設(shè)計這個基類的派生類可以完成I/O 數(shù)據(jù)緩存等用戶接口的初始化。此基類提供了4 個虛函數(shù)需要實例化，具體見表1。

4 結(jié)束語

VAPS XT 工具的使用從根本上改變了座艙顯示開發(fā)方法，使得設(shè)計工作主要集中在構(gòu)建畫面和數(shù)據(jù)接口上，省去了大量圖形的編程開發(fā)與調(diào)試工作，也可以很方便的將設(shè)計過程中的文件移植到不同的環(huán)境中去。VAPS XT工具的使用使得需求和設(shè)計緊密結(jié)合，快速高效迭代，從而優(yōu)化了設(shè)計過程，降低開發(fā)成本。