一種簡易高效的直升機座艙顯示系統開發方法

文/秦正運 徐振黔 張青峰

在現代航空電子系統中，座艙顯示系統（CDS: Cockpit Display System）作為人機信息交互的第一接口，為飛行員提供起飛、導航、空中任務、著陸等關鍵信息。近年來，航空電子技術和現代傳感技術的迅速發展，以及對飛機任務、作戰等性能要求的提高，使得座艙顯示的內容成爆炸性增長，顯示的復雜度不斷提高，造成開發和維護的成本不斷提高。2001年，ARINC 661規范（座艙顯示到用戶系統的接口規范）在這種情況下應運而生，并廣受關注。但是在國內直升機領域，此規范的研究工作相對較少，并且此標準主要應用于民用航空領域，在軍用航空領域由于戰略性、保密性等考慮尚未應用。為此，本文提出一種新的直升機座艙顯示系統開發和通訊方法，能夠降低座艙顯示的開發時間、降低后期維護成本。

1 直升機座艙顯示系統構成

座艙顯示系統是飛機航電系統的重要組成，主要承接了導航、通信、飛控等系統的數據，加以處理和轉化，并通過顯示器顯示飛行信息和告警信息。一般直升機的座艙顯示系統主要是由綜合任務處理機、多功能顯示器（MFD）、多功能鍵盤(MFK)或其他輸入設備等構成，如圖1所示。

本文討論的內容有關的設備為綜合任務處理機和多功能顯示器，下面通過對這兩個設備的功能分析，將系統功能劃分為數據收發與處理單元、顯示數據處理單元、圖形顯示單元3個部分，如圖2所示。

數據采集與處理單元主要通過總線完成對導航、大氣、飛控等系統數據的采集，并將接收的總線數據進行解包處理；或將顯示處理單元處理后的數據發送給其他航電子系統。

圖1：直升機座艙顯示系統構成

圖2：座艙顯示系統內部邏輯架構

圖3：基于指令的座艙顯示

顯示數據處理單元是將處理后的總線數據，根據多功能顯示器的畫面的顯示內容所需要的數據，發送到圖形顯示單元；并根據接收的多功能顯示器的交互數據，進行頁面切換、向數據采集和處理單元發送交互信息等操作。圖形顯示單元主要完成飛機姿態、航線、通訊、告警等信息的畫面繪制工作和按鍵等交互信息發送給顯示數據處理單元。

2 設計思想

目前在我國直升機領域，座艙顯示方法主要采用的是數據方式。這種方式的原理是：多功能顯示器中的顯示內容以畫面為單位，綜合任務處理機將整個畫面所需要的全部數據周期發送到多功能顯示器。例如在PFD畫面中，存在羅盤、地平儀、以及告警信息，多功能顯示器顯示軟件設計者需要先設計出整個頁面，并提供畫面數據接口；綜合任務處理機軟件設計者在設計軟件顯示處理單元部分時，根據顯示軟件設計者提供的數據接口，將處理后的各個航電系統的數據發送到多功能顯示器，完成整個顯示過程。

從開發過程上講，基于數據方式的設計方法，顯示設計者不僅要承擔圖形符號的設計工作，還要承擔畫面的布局工作，使得顯示設計者無法從繁重的圖形符號設計工作中解脫出來，不但增加了顯示開發成本，而且還加大了座艙顯示系統增加新的顯示功能的難度。從后期維護及改型上講，基于數據方式的設計方法是將整副畫面作為一個整體，一旦發生維護更改或者后期改型，就會更改整個畫面內容及接口，進而需要改動顯示軟件和任務機的邏輯控制軟件這兩個軟件配置項，大大增加了軟件的不可控性。

因此，本文提出一種基于指令的座艙顯示開發方法，其思想是將常用的儀器儀表圖符、基本圖元、字符、屬性等分別作為一個獨立的顯示單元，使其和畫面分開，并將這些獨立的顯示單元進行指令化關聯。這樣，CDS顯示軟件只需要識別指令，根據指令進行不同的顯示單元繪制，而無需考慮畫面布局；而運行在綜合任務處理機上的顯示控制軟件根據用戶交互，通過發送不同的指令即可以控制畫面的顯示，原理如圖3所示。

3 實現

3.1 指令定義

通過對顯示功能的分解，將顯示分為圖元、字符、屬性、圖符四類。圖元是組成所有顯示內容的基本單元，包含點、直線、弧形、圓形、方形、三角形、多邊形、填充圓形、填充方形、填充三角形、填充多邊形等；字符指的是符合GB2312的中英文字符；屬性是指與繪圖相關的屬性設置，如顏色、字體大小、線寬、線型等等；圖符是指復雜的儀器儀表圖形，如羅盤、地平儀、機電油量柱狀圖等等，這些圖形是需要專業人員設計符合標準及人機功效的圖形。

通過將顯示內容的分類，可以看到圖元、字符、屬性都是無需設計的圖形，而圖符則是顯示工作的重點，是座艙顯示標準化的基礎。我們將這4種圖形集對應建立4種類型的指令集，分別對應為圖元指令集、字符指令集、圖符指令集、屬性指令集，并將所有圖形都分配一個唯一的指令，格式如下：

指令名：長度為16bit的整形數字，為指令的唯一標識符；

指令坐標：長度為32bit，分別為16bit的x軸坐標和16bit的y軸坐標；

指令長度：長度為16bit，規定了緊跟其后的數據的長度（單位byte），最大長度65535；

圖4：指令格式

圖5：通訊指令包格式

圖6：繪圖流程

指令數據：長度為每個指令的具體內容，如圓形指令為半徑長度，字符指令為字符 串數據等。

以上定義為通用的指令格式（圖4a），指令名和數據是必須的，而坐標和長度根據指令集的不同做相應的刪減。圖元指令集和圖符指令（圖4b）集中圖形的指令的長度基本上是固定的，因此可以刪減指令長度這一條目；屬性指令集（圖4c）指示表征了當前繪圖屬性的設置功能，因此無坐標這一條目；字符指令集（圖4a）為變長的，其格式為包含通用格式的所有條目。

3.2 指令通訊

串行化（Serialization）是計算機科學的一個概念，它是指將對象存儲在介質中或以二進制方式進行傳輸，通過反串行化則可以重新構建原始對象。

綜合任務處理機與顯示器之間的指令通訊為主從結構，綜合任務處理機將從各個航電系統接收到的數據進行數據融合與處理，根據用戶的交互數據將所需要顯示的所有圖形全部轉換為指令，按照通訊協議進行數據串行化，向顯示器發送顯示指令數據包；多功能顯示器接收到指令數據包后，按照通訊協議進行反串行化，得到圖形的樹形結構，進行圖形繪制。兩者之間采用周期通訊，多功能顯示器只有在收到指令數據包的情況下才可以進行圖形顯示，否則認為與綜合任務處理機的通訊中斷，進而進入應急顯示。采用的通訊指令包按照圖5格式。

數據包頭：指令數據包包頭識別碼，長度16bit，用來判斷數據包的開始位置。

包長度：整個數據包的長度，長度為16bit，單位為Byte，包含包頭、長度、指令、包尾、校驗的總長度。

指令：各個指令集中的指令，按照繪圖或環境設置的先后順序寫入數據包；繪圖時按照指令順序來繪制。

包尾：指令數據包包尾識別碼，長度16bit，表征指令結束。

校驗：除本身外的其他數據的校驗，可以采用多種校驗方式，長度為16bit。

3.3 圖形顯示

為了保證圖形顯示的可移植性，儀器儀表圖符要盡量形成標準的圖符庫，并且本方法支持所有儀器儀表開發工具，即可以將已開發的圖符進行指令化處理，與指令關聯即可；而比較簡單的信息（例如告警信息、通知信息等），則可以直接使用圖元指令集、字符指令集、屬性指令集在綜合任務處理機端實現。

多功能顯示器工作時，只需要將接收的指令數據包進行反串行化操作，得到指令信息，獲取指令名，通過指令名索引到相應的指令回調函數，從而解析指令的具體內容，然后根據圖形指令信息在圖形渲染庫中查找所需要的圖形或者設置相應的環境屬性，進行渲染繪制即可。具體流程如圖6。

4 結論

基于指令的座艙顯示開發與通訊方法是基于層次化、模塊化、低耦合的設計思想，最大的優點是將CDS顯示與用戶的控制邏輯分開，并給出了顯示圖符的標準化接口，提高了顯示模塊的通用性，降低了顯示與控制的耦合性，并使得CDS顯示開發者能夠專注于儀器儀表的圖符開發，并能夠為將來應用新型號或增加新功能提供良好的擴展基礎。本方法已在國產某型號直升機上成功應用，結果表明，該方法大大減少了開發難度以及后期的維護成本。