魏航科，呼 曦，何海明

（陜西寶成航空儀表有限責(zé)任公司 陜西 寶雞 721006）

隨著機載航電技術(shù)的發(fā)展，航電設(shè)備正在不斷地綜合集成。飛機座艙的顯示也逐步集成，各個航電系統(tǒng)或設(shè)備的分立顯示被綜合顯示所取代。各分系統(tǒng)只需要將所顯示的信息通過總線傳輸給綜合顯示器，綜合顯示器完成總線信息的解算處理、圖形構(gòu)圖、顯示控制等。由于機載綜合顯示器的成本和技術(shù)原因，各分系統(tǒng)航電設(shè)備供應(yīng)商在研制生產(chǎn)某獨立設(shè)備時，為了對本航電設(shè)備處理生成的圖形信息進行輸出顯示，根據(jù)顯示輸出內(nèi)容開展產(chǎn)品的功能和性能驗證，就需要根據(jù)航電設(shè)備的功能和接口，設(shè)計開發(fā)專用的顯示輸出驗證裝置，用來模擬航電設(shè)備的工作環(huán)境。在航電產(chǎn)品研制生產(chǎn)過程中，具備獨立特定功能的輸出驗證裝置就顯得尤為重要。本文介紹一種空中交通預(yù)警和防撞系統(tǒng) （以下簡稱TCAS）的TA/RA輸出顯示裝置的設(shè)計和實現(xiàn)方法。

1 TCAS顯示輸出簡介

TCAS采用二次雷達原理，與應(yīng)答機共同完成空中飛行目標(biāo)的監(jiān)視跟蹤。TCAS在監(jiān)視跟蹤到入侵目標(biāo)后，會根據(jù)危險等級生成4種圖形標(biāo)志，分別表示：無危險交通目標(biāo)顯示、接近交通目標(biāo)顯示、空中交通咨詢（TA）和空中交通決策（RA）；空中交通咨詢（TA）顯示信息告知飛行員入侵目標(biāo)距本機的相對距離、方位、相對高度以及飛行狀態(tài)等，幫助飛行員感知周圍交通狀況；空中交通決策 （RA）出現(xiàn)在碰撞危險時，顯示TCAS生成的防撞指令信息，以指導(dǎo)飛行員正確地操作飛機，實現(xiàn)防撞規(guī)避。飛行員根據(jù)TA信息感知入侵機的相對方位、高度、飛行姿態(tài)等；根據(jù)RA指令，做出規(guī)避碰撞機動。

1.1 空中交通咨詢（TA）

TA顯示入侵飛機的相對位置，描述附近其他航空器相對于TCAS航空器的位置，用以幫助飛行員監(jiān)視空中交通狀況，及時發(fā)現(xiàn)威險目標(biāo)。TA顯示以4種不同的標(biāo)識符號來表示危險等級：

1）無危險入侵機顯示，空心菱形圖案；

2）接近的入侵機提示，實心的菱形；

3）碰撞危險告警，實心圓形；

4）危險防撞處理建議，實心方塊，并輸出RA指令信息。

在顯示入侵機標(biāo)識的周圍，根據(jù)模式顯示入侵機與本機的實時相對高度、入侵機的飛行姿態(tài)信息等。

1.2 空中交通決策RA

RA主要通過在垂直速度指示器上顯示本機垂直機動的危險和安全區(qū)域，用來指導(dǎo)飛行員操作飛機做出機動以規(guī)避危險。當(dāng)TA顯示為實心方塊時，在垂直速度刻度背景處顯示防撞指令，提示飛行員垂直速度的安全和危險區(qū)域。飛行員操作飛機將本機的垂直速度指針指向并保持在安全區(qū)域范圍，就可以在垂直方向上實現(xiàn)規(guī)避碰撞。安全區(qū)域和危險區(qū)域通過顏色和徑向?qū)挾冗M行區(qū)分和標(biāo)識。飛行員可以根據(jù)決策指令操作飛機實現(xiàn)危險規(guī)避。

2 TCAS顯示輸出驗證裝置功能簡介

本設(shè)計將TCAS的TA/RA顯示器與垂直速度指示器進行綜合集成。交聯(lián)關(guān)系見圖1。大氣數(shù)據(jù)計算機發(fā)送本機實時大氣數(shù)據(jù)信息，TCAS顯示輸出驗證裝置實時接收并顯示本機的垂直速度。S模式應(yīng)答機接收本機大氣高度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給TCAS，TCAS根據(jù)本機與入侵機的相對接近時間和相對高度，判斷生成并發(fā)出發(fā)出TA和RA信息，飛行員根據(jù)TCAS顯示輸出驗證裝置顯示的TA和RA，操作飛機做出規(guī)避機動，使本機的垂直速度指針指向RA的安全區(qū)域，就可以使兩架飛機保持安全的垂直距離，從而完成空中交通防撞規(guī)避。

圖1 TCAS顯示輸出驗證裝置交聯(lián)關(guān)系Fig.1 TCASdisplay output verification device of crosslinking

根據(jù)TCAS的輸出顯示需求，結(jié)合產(chǎn)品研制要求，TCAS顯示輸出驗證裝置主要實現(xiàn)功能有：輸出驗證裝置上電自檢測；接收TCAS的ARINC 429總線信號，符合ARINC 735A標(biāo)準(zhǔn)；對TCAS數(shù)據(jù)進行解析；TCAS顯示圖形構(gòu)圖；根據(jù)TCAS總線內(nèi)容控制輸出圖形顯示；接收大氣數(shù)據(jù)計算機的ARINC 429總線數(shù)據(jù)，實時指示本機垂直速度；根據(jù)操作控制要求進行顯示，如顯示范圍調(diào)整、顯示模式的轉(zhuǎn)換等；同時可以模擬綜合顯示器工作狀態(tài)，并將狀態(tài)信息反饋給TCAS系統(tǒng)等。

3 設(shè)計實現(xiàn)

3.1 硬件方案

本設(shè)計硬件框架如圖2所示。主要包括429總線接收模塊，分為高速和低速兩個模塊，接收TCAS輸出數(shù)據(jù)及大氣高度計數(shù)據(jù)。核心處理模塊使用ARM平臺及嵌入式Linux操作系統(tǒng)，完成信號的解析、控制信息的采集、圖形符號生成、圖形的顯示控制等；圖形顯示模塊，完成顯示器顯示驅(qū)動及圖形的顯示。顯控模塊提供人機交互環(huán)境，模擬座艙控制面板，完成顯示模式切換、范圍調(diào)整等

3.2 軟件方案

圖2 TCAS輸出驗證裝置硬件框圖Fig.2 TCASoutput verification device hardware block diagram

軟件開發(fā)使用在Linux嵌入式操作系統(tǒng)上的QT開發(fā)環(huán)境完成設(shè)計。數(shù)據(jù)接收軟件主要根據(jù)ARINC429通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)的接收；核心處理軟件主要包括操作系統(tǒng)和QT軟件，提供運行平臺及圖形的繪制和顯示；顯示驅(qū)動軟件主要是驅(qū)動液晶顯示器，使其正常運行和顯示相關(guān)數(shù)據(jù)，圖片，文字。軟件框圖見圖3。

圖3 TCAS輸出驗證裝置軟件框圖Fig.3 TCASoutput verification device software block diagram

QT是1991年由奇趣科技開發(fā)的跨平臺C++圖形用戶界面應(yīng)用程序開發(fā)框架。它既可以開發(fā)GUI程序，也可以用于開發(fā)非GUI程序。QT是一個面向?qū)ο蟮目蚣?，使用特殊代碼生成擴展以及一些宏，易于擴展，允許組件編程。它集成了C/C++代碼模塊，支持眾多的操作系統(tǒng)平臺，擁有跨平臺的開源圖形界面工具庫，是一個功能十分強大的跨平臺的GUI系統(tǒng)，在不同平臺上移植QT工程源代碼相當(dāng)方便。具有優(yōu)良的跨平臺特性、面向?qū)ο蟆⒇S富的API及大量的開發(fā)文檔等優(yōu)勢，使開發(fā)難度降低，周期減少。

1）界面模塊（mainwindow）：負責(zé)生成TA/RA圖形、狀態(tài)標(biāo)識等圖標(biāo)。

2）解析模塊（protocol）：依據(jù) ARINC735A協(xié)議對接收到的ARINC429數(shù)據(jù)進行解析。

3） 通信模塊 （uart）:接收 TCAS和大氣數(shù)據(jù)計算機的ARINC429總線數(shù)據(jù)，同時反饋離散狀態(tài)信號給TCAS計算機。

圖4 TCAS輸出驗證裝置軟件功能Fig.4 TCASoutput verification device software function

3.2.1 Lable號識別

Lable（標(biāo)志位）識別模塊主要是對429總線發(fā)出的數(shù)據(jù)進行標(biāo)志位識別，依據(jù)標(biāo)志號將數(shù)據(jù)分別發(fā)送至各自的解析模塊。

3.2.2 數(shù)據(jù)提取

數(shù)據(jù)解析模塊是把標(biāo)志位識別模塊識別出的數(shù)據(jù)進行校驗和數(shù)據(jù)解析。若通過數(shù)據(jù)校驗，則從中提取具體的顯示信息或控制信息，如：相對高度；相對速度；區(qū)域內(nèi)入侵機數(shù)量、方位；顯示范圍；顯示模式等。若未通過數(shù)據(jù)校驗，則放棄該組數(shù)據(jù)，等待下一組數(shù)據(jù)。

3.2.3 顯示控制

顯示控制單元主要是依據(jù)控制鍵及TCAS的顯示要求進行解析和反映，如：顯示模式切換、顯示范圍調(diào)整等。

3.2.4 參數(shù)比較

參數(shù)比較模塊讀取更新參數(shù)、判斷控制狀態(tài)和顯示狀態(tài)，完成顯示控制。

3.2.5 圖像生成

圖像生成模塊生成所需顯示的所有圖形，根據(jù)更新的參數(shù)進行控制，并將生成的圖形進行顯示。軟件流程圖見圖5。

圖5 TCAS輸出驗證裝置軟件流程圖Fig.5 The software flow chart of TCASoutput verification device

3.3 顯示處理過程

本設(shè)計關(guān)鍵在于顯示圖形的生成及控制。下文重點介紹一下圖形生成的原理。設(shè)計中顯示的圖形眾多，以儀表顯示為例進行說明。儀表盤的生成與接收數(shù)據(jù)后的指針變化操作流程如圖6所示。

程序先建立儀表盤顯示數(shù)組函數(shù)，用于緩存將要顯示的儀表盤圖像數(shù)據(jù)。圖像合成時，首先，在儀表盤顯示數(shù)組函數(shù)中填充刻度盤數(shù)據(jù)。刻度盤是一張存儲在Flash芯片中的BMP格式的圖片?？潭缺P填充的是原始數(shù)據(jù)，無需進行計算處理。然后填充指示燈。指示燈包括飛行高度警示和其他飛機指示。根據(jù)參數(shù)比較模塊傳送過來的數(shù)據(jù)，程序會在相應(yīng)的刻度盤區(qū)域填充紅色警示及◇、◆、●、■等標(biāo)志。最后填充表盤指針。根據(jù)數(shù)據(jù)解析模塊傳送過來的高度信息，程序要將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為表盤指針的旋轉(zhuǎn)角度，再對表盤指針進行旋轉(zhuǎn)計算、抗鋸齒計算，最后填充到儀表盤顯示數(shù)組函數(shù)中。先填充的數(shù)據(jù)會被后填充的數(shù)據(jù)覆蓋。

圖6 儀表顯示處理流程Fig.6 The instrument display handling process

完成界面設(shè)計后，需要根據(jù)顯示優(yōu)先級控制圖形的顯隱性，根據(jù)接收的數(shù)據(jù)顯示內(nèi)容。顯示處理程序中對主要顯示內(nèi)容的處理流程見圖7。

圖7 TCAS輸出驗證裝置顯示邏輯處理流程圖Fig.7 The logical processing flow chart of TCASoutput verification device

4 結(jié)果分析

設(shè)計完成后，對照標(biāo)準(zhǔn)對通信接口進行了測試，然后與TCAS產(chǎn)品進行聯(lián)試，實現(xiàn)了以下功能：

1）可以正確接收大氣數(shù)據(jù)機和TCAS處理機發(fā)送的數(shù)據(jù)；

2）實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的正確解析和處理；

3）可以及時進行數(shù)據(jù)更新和顯示；

4）根據(jù)TCAS的輸出數(shù)據(jù)，正確實時的現(xiàn)實TCAS的信息，識別ARINC

總線數(shù)據(jù)入侵機數(shù)量、位置、狀態(tài)、威脅等級等信息，并用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的圖形進行顯示提示；

5）接收大氣高度數(shù)據(jù)，實時正確的顯示大氣高度變化率，通過指針指示；

6）在垂直速度指示刻度外環(huán)，生成正確的RA危險和安全區(qū)域；

7）可以接收顯示控制信息，并更新顯示模式；

8）將相關(guān)信息反饋給TCAS，按要求進行處理。

輸出驗證裝置顯示性能如下：

1）圖形顯示更新響應(yīng)時間不大于1 ms；

2）數(shù)據(jù)處理速度不大于10 ns；

3）每秒接收數(shù)據(jù)量不小于10 M/s；

4）顯示刷新頻率不小于60 Hz。

5 結(jié) 論

該輸出驗證裝置完成了對TCAS產(chǎn)品信息的接收和更新，按照ARINC735A標(biāo)準(zhǔn)通信要求及DO-185B標(biāo)準(zhǔn)顯示要求完成信息解析，并按照數(shù)據(jù)協(xié)議要求完成了TCAS的入侵交通目標(biāo)顯示、TA和RA顯示，將TCAS監(jiān)視到的空中交通狀況及RA指示進行明晰顯示。通過該裝置模擬了機載顯示的環(huán)境，實現(xiàn)了對TCAS產(chǎn)品的輸出和功能性能等驗證。同時可以滿足TCAS產(chǎn)品生產(chǎn)、調(diào)試和檢驗過程中的輸出顯示和功能性能驗證需求，設(shè)計達到預(yù)期目的。

[1]王國慶.2013民用飛機航電國際論壇論文集 [C]//上海：[s.n.]，2012.

[2]肖剛，敬忠良.2013民用飛機航電國際論壇論文集 [C]//上海：[s.n.]，2013.

[3]顧松芬.民用飛機航空電子系統(tǒng)[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2011.

[4]ARINC 735A-1MARK 2 TRaffic alert and collsion avoidance systey （TCAS） ARINC CHARACTERISTIC 735A-1[S]Published:January 15，2003.

[5]RTCA/DO-185B，Minimum operational perfomance standards for traffic alert and collision avoidance systems II（TCASII） airborne equipment[S]．June 19，2008.

[6]呼曦.飛行環(huán)境監(jiān)視系統(tǒng)空中交通防撞子系統(tǒng)功能研究[J].陜西寶成航空科技，2012（84）:1-7.HU Xi.The research of the AESS air traffic collision avoidance subsystem function[J].Shaanxi Baocheng Aviation Technology，2012（84）:1-7.

[7]劉志剛，林云松，彭良福.ARINC735A接口協(xié)議的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機工程與設(shè)計，2009，30（4）:819-823.LIU Zhi-gang，LIN Yun-song，PENG Liang-fu.The design and implementation of the Interface protocols of ARINC-735A[J].Computer Engineering and Design，2009，30（4）:819-823.

[8]Ratael C Gonzalez Richard E Woods.數(shù)字圖像處理[M].阮秋琦，阮玉智，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2005.