摘 要:以某型直升飛機(jī)綜合座艙顯示控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)為例，介紹了綜合座艙顯示控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、軟件架構(gòu)、飛行界面。在顯示同步網(wǎng)絡(luò)和交叉互比網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的基礎(chǔ)上引入容錯(cuò)機(jī)制，使系統(tǒng)具備在一定故障等級下的一次故障工作能力，達(dá)到提高系統(tǒng)安全性的目的。充分體現(xiàn)其綜合化、通用化和小型化的技術(shù)特點(diǎn)。關(guān)鍵詞:綜合座艙; 飛行顯示器; 容錯(cuò); 航空電子系統(tǒng)

中圖分類號:TN873文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)15-0160-03

Design and Implementation of Integrated Cockpit Display System

LIU Shuo， LIN Rong-chao

(Aeronautical Computing Technique Research Institute， Xi′an 710068， China)

Abstract: A certain type of helicopter integrated cockpit display system is introduced. The system architecture， work methods， flight interface and work flow are described. The fault-tolerant mechanism was introduced based on display synchronization network and cross comparison network for improving the security of the system. The comprehensive， universal and miniature technical characteristics of integrated cockpit display system are proposed.Keywords: integrated cockpit; flight display; fault-tolerant; aeronautical electronic system

0 引 言

在現(xiàn)代航空電子系統(tǒng)中，綜合座艙顯示控制系統(tǒng)承擔(dān)著航電系統(tǒng)的集中顯示和集中管理任務(wù)，使得飛行員能夠高效地獲得所需信息，有效地減輕飛行員的工作負(fù)荷。目前國內(nèi)通用飛機(jī)、直升飛機(jī)裝備的是機(jī)械儀表、或者裝備的飛行顯示器尺寸小分辨率低，單畫面顯示的飛行參數(shù)內(nèi)容較少，重量相對較重，系統(tǒng)可靠性偏低。

本文介紹的某型綜合座艙顯示控制系統(tǒng)吸取了“玻璃座艙”的概念，將大量復(fù)雜的傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)采集、處理、融合后通過大屏幕高分辨率的液晶顯示器呈現(xiàn)給飛行員，取代傳統(tǒng)的機(jī)電式儀表。同時(shí)，綜合座艙顯示控制系統(tǒng)內(nèi)部采用高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、任務(wù)同步和數(shù)據(jù)互比，可以靈活處置系統(tǒng)多種故障模式，使系統(tǒng)具備在一定故障等級下的一次故障工作能力，提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性。

1 設(shè)計(jì)思想

1.1 綜合化

采用高度綜合的集成一體化設(shè)計(jì)，綜合座艙顯示控制系統(tǒng)將通用模塊、標(biāo)準(zhǔn)總線、高速網(wǎng)絡(luò)和實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)集成在一個(gè)高性能計(jì)算平臺內(nèi)，提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理、信號處理、接口處理和圖形處理能力，具有傳感器輸入數(shù)據(jù)的綜合處理、數(shù)據(jù)融合、任務(wù)計(jì)算、視頻信息生成、導(dǎo)航計(jì)算、外掛管理、電子對抗、通信管理、系統(tǒng)控制和故障檢測、重構(gòu)等多種功能，充分體現(xiàn)信息綜合、顯示綜合、功能綜合、硬件綜合、軟件綜合、檢測綜合的特點(diǎn)。

1.2 通用化

不同飛機(jī)的座艙顯示系統(tǒng)具有多樣化的特點(diǎn)，這主要是由于飛機(jī)用途不同、適航條例和營運(yùn)條例對要求不同造成的。為了提高綜合座艙顯示系統(tǒng)的通用性，使其適用于軍用和民航各類飛機(jī)，通用綜合座艙顯示控制系統(tǒng)應(yīng)該具有高性能的信息綜合處理和綜合顯示功能、部分最基本的傳感器設(shè)備功能和較強(qiáng)的傳感器設(shè)備接口擴(kuò)展能力。

1.3 小型化

小型化設(shè)計(jì)通過合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、先進(jìn)顯示技術(shù)和加固方式等手段減少設(shè)備尺寸和重量。通過系統(tǒng)優(yōu)化，減少多余的軟硬件資源浪費(fèi)，同時(shí)采用大規(guī)模集成電路和有源矩陣液晶顯示等技術(shù)減輕硬件重量和體積。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

綜合座艙顯示控制系統(tǒng)包括兩臺大尺寸、高分辨率綜合顯示器和一部多功能控制面板，采用高度綜合的集成一體化設(shè)計(jì)，將機(jī)載數(shù)據(jù)處理、航電任務(wù)管理和圖形圖像顯示綜合在飛行顯示器內(nèi)部，無單獨(dú)的顯示控制任務(wù)計(jì)算機(jī)，使整個(gè)顯示控制系統(tǒng)組成合理，結(jié)構(gòu)重量減輕，簡化了直升機(jī)座艙布局和儀表板布置。

如圖1所示，飛機(jī)上各路傳感器數(shù)據(jù)先經(jīng)過綜合顯示器的數(shù)據(jù)采集處理單元處理組織成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀，再通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)幀傳送至綜合顯示器的顯示處理單元，顯示處理單元接收到數(shù)據(jù)幀后進(jìn)行數(shù)據(jù)融合、圖像處理，最終完成圖像顯示。綜合座艙顯示控制系統(tǒng)采用了模塊化的設(shè)計(jì)方法，按照功能劃分為顯示處理單元、數(shù)據(jù)處理單元和多功能控制面板，功能單元內(nèi)部由通用現(xiàn)場可更換模塊組成，標(biāo)準(zhǔn)化程度較高，提高了系統(tǒng)的可維護(hù)性。功能單元之間通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)連接，這種松耦合方式不僅可以提供靈活的可擴(kuò)展性和測試性，還可以提高系統(tǒng)容錯(cuò)能力。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 系統(tǒng)的容錯(cuò)機(jī)制

綜合座艙顯示控制系統(tǒng)的容錯(cuò)機(jī)制是多臺綜合飛行顯示器同構(gòu)型、獨(dú)立工作，每個(gè)綜合顯示器都綜合了飛行數(shù)據(jù)處理、航電任務(wù)管理和圖形圖像顯示功能，即軟硬件配置相同，運(yùn)行任務(wù)不同，獨(dú)立工作，相互備份。綜合顯示器間通過顯示同步數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和交叉互比數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)雙機(jī)間的任務(wù)周期同步以及飛行顯示器間的數(shù)據(jù)交叉?zhèn)鬏?。使每個(gè)綜合顯示器均得到另一綜合顯示器采集的載機(jī)信息，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)飛行參數(shù)數(shù)據(jù)比較監(jiān)控，當(dāng)差異超出一定范圍要求時(shí)，系統(tǒng)給出報(bào)警提示。有利于及早發(fā)現(xiàn)故障，確定故障源，消除故障的蔓延，抑制故障影響，提高系統(tǒng)任務(wù)可靠性。

根據(jù)系統(tǒng)比較監(jiān)控結(jié)果和設(shè)備BIT監(jiān)控結(jié)果，如圖2所示，如果綜合顯示器數(shù)據(jù)采集處理部分出現(xiàn)嚴(yán)重故障，主駕駛和副駕駛綜合顯示器通過故障切換邏輯可以進(jìn)行系統(tǒng)重構(gòu)，自動將飛行顯示器顯示數(shù)據(jù)源切換到無故障的另一臺飛行顯示器的數(shù)據(jù)處理模塊。在一定故障等級下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理部分的一次故障工作能力。同時(shí)駕駛員可以通過多功能控制面板手動切換主駕駛飛行顯示器和副駕駛飛行顯示器顯示的數(shù)據(jù)源。

圖2 容錯(cuò)示例

2.3 顯示界面設(shè)計(jì)

為了在嵌入式操作系統(tǒng)上開發(fā)圖形界面，將VxWorks操作系統(tǒng)與Idata和OpenGL圖形驅(qū)動開發(fā)包結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)界面良好的人機(jī)接口。利用VxWorks操作系統(tǒng)的消息隊(duì)列、中斷處理及任務(wù)調(diào)度功能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)任務(wù)管理及用戶交互;使用可視化圖形開發(fā)工具IData提供的GUI編輯器繪制顯示畫面，完成態(tài)勢感知融合顯示、用戶交互式顯示和高級系統(tǒng)顯示，較好地實(shí)現(xiàn)了飛行儀表、地圖導(dǎo)航、圖形的分層疊加、圖形特效等顯示功能，使消息驅(qū)動的多窗口顯示技術(shù)達(dá)到實(shí)用效果。如圖3所示為主飛行界面，分為上下兩區(qū)域，上區(qū)域顯示航向姿態(tài)、飛行指引、大氣數(shù)據(jù)等重要的飛行參數(shù);下區(qū)域顯示水平姿態(tài)指示、航路、發(fā)動機(jī)參數(shù)等信息。

圖3 主飛行界面

2.4 軟件體系結(jié)構(gòu)

綜合座艙顯示控制系統(tǒng)軟件主要包括系統(tǒng)軟件、地面支持軟件和應(yīng)用軟件三個(gè)部分，軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

應(yīng)用軟件(OFP軟件)作為綜合座艙顯示控制軟件架構(gòu)的核心部分運(yùn)行于VxWorks 5.1操作系統(tǒng)之上，使用標(biāo)準(zhǔn)C語言進(jìn)行開發(fā)，負(fù)責(zé)完成飛行狀態(tài)、參數(shù)的綜合顯示與控制、顯示器按鍵操作處理、數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)通信、周期性自檢、故障告警與處理功能以及數(shù)據(jù)加載、系統(tǒng)維護(hù)等功能，實(shí)現(xiàn)飛行員操作程序中所定義的工作狀態(tài)和工作方式的控制、轉(zhuǎn)換和信息顯示。數(shù)據(jù)處理軟件實(shí)現(xiàn)綜合座艙顯示控制系統(tǒng)與載機(jī)傳感器設(shè)備的數(shù)據(jù)交換，通過并與系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)融合后發(fā)送給顯示處理單元，顯示處理軟件接收數(shù)據(jù)處理軟件通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送過來的顯示指令，并按照顯示指令生成對應(yīng)的畫面。

圖4 軟件體系結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)軟件包括操作系統(tǒng)、中間層軟件和設(shè)備驅(qū)動軟件，應(yīng)用軟件和系統(tǒng)軟件都安裝在綜合顯示控制系統(tǒng)的程序存儲器中。

地面支持軟件包括Tornado集成開發(fā)環(huán)境(IDE)、各種在線仿真調(diào)試設(shè)備及其軟件(ICE)、燒錄和固化工具、項(xiàng)目管理工具(如版本管理軟件)、系統(tǒng)綜合仿真測試設(shè)備軟件(ATE)、地面航線編輯軟件及數(shù)據(jù)庫等。它們安裝在地面維護(hù)設(shè)備或開發(fā)設(shè)備中。

3 結(jié) 語

通過上面的討論可知，綜合座艙顯示控制系統(tǒng)采用先進(jìn)的體系結(jié)構(gòu)和軟件架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了座艙信息圖形化綜合顯示控制功能，系統(tǒng)綜合化程度高、人機(jī)工效良好，安全性高、通用性強(qiáng)，可兼容多載機(jī)平臺，符合了座艙顯控系統(tǒng)高度綜合化的發(fā)展趨勢，具有較好的應(yīng)用前景。

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