吳文柯

摘 要：通過分析和設(shè)計(jì)整個(gè)娛樂系統(tǒng)不同功能區(qū)域的硬件、軟件，提出了一種整艙機(jī)載娛樂系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，摒棄了傳統(tǒng)機(jī)載娛樂系統(tǒng)射頻模擬信號(hào)與數(shù)字通信信號(hào)并存的傳輸模式，使用單一的全數(shù)字化信息傳輸模式構(gòu)建整艙娛樂通信以太網(wǎng)絡(luò)，從而為所有旅客提供統(tǒng)一的機(jī)載信息交互娛樂項(xiàng)目，包括視頻、音頻和游戲等。這是一種能滿足不同型號(hào)民用航空器的通用機(jī)載娛樂系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：機(jī)載設(shè)備；娛樂系統(tǒng)；數(shù)字信號(hào)傳輸；網(wǎng)頁界面

中圖分類號(hào)：V245 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.20.013

文章編號(hào)：2095-6835（2016）20-0013-03

機(jī)載娛樂（IFE，In-flight Entertainment）系統(tǒng)是指航空旅行中在機(jī)艙內(nèi)為旅客提供任何可能的娛樂實(shí)現(xiàn)手段。它是民用航空飛機(jī)客艙系統(tǒng)的重要組成部分，其性能是旅客判斷航空公司服務(wù)質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)之一，世界各航空公司為此花費(fèi)巨額資金采購(gòu)、修理、維護(hù)和升級(jí)機(jī)載娛樂設(shè)備等。機(jī)載娛樂系統(tǒng)的主要功能性需求包括用戶界面與操作互動(dòng)、多媒體播放（視頻播放與音頻播放）、游戲娛樂和實(shí)時(shí)地圖等幾個(gè)方面。

1 機(jī)載娛樂系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)機(jī)載娛樂系統(tǒng)時(shí)，要考慮到其復(fù)雜的使用環(huán)境，因此，嵌入式設(shè)備的功能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)會(huì)相對(duì)復(fù)雜。本文主要結(jié)合娛樂系統(tǒng)的機(jī)載特性和系統(tǒng)基礎(chǔ)需求，在此基礎(chǔ)上分析了各功能模塊的實(shí)現(xiàn)方案和所涉及的軟硬件設(shè)計(jì)，包括用戶界面與操作互動(dòng)、多媒體播放（視頻播放和音頻播放）的主要功能。

1.1 用戶界面與操作互動(dòng)

用戶界面與操作互動(dòng)包括系統(tǒng)圖形界面和用戶的輸入與輸出。隨著操作系統(tǒng)的圖形化發(fā)展，圖形界面不僅是衡量一個(gè)操作系統(tǒng)性能的重要因素，還成為了系統(tǒng)的必要基本功能。在圖形設(shè)計(jì)上，追求簡(jiǎn)潔明快、優(yōu)美絢麗，符合大眾化的審美需求，在界面操作上也強(qiáng)調(diào)便于用戶操作使用、易于實(shí)現(xiàn)功能需求。一般情況下，用戶的輸入與輸出有2種模式——按鍵輸入和觸屏輸入?？紤]到機(jī)載娛樂系統(tǒng)使用目的的相對(duì)單一性，兩者的功能設(shè)定與圖形系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及其各個(gè)界面的功能定義有緊密的聯(lián)系。

用戶界面的實(shí)現(xiàn)一般分為2個(gè)部分，即用戶的輸入操作和圖形界面的輸出顯示，具體如圖1所示。

如圖1所示，輸入方式主要依靠娛樂手柄實(shí)現(xiàn)，通過按鍵探測(cè)電路檢測(cè)，并將信號(hào)提供給系統(tǒng)處理器，同時(shí)，也可以通過點(diǎn)擊LCD屏幕上附著的觸摸板操作系統(tǒng)。觸屏信號(hào)是由觸屏控制芯片和相關(guān)驅(qū)動(dòng)程序處理的，將觸點(diǎn)的坐標(biāo)信息提供給系統(tǒng)處理器，再將幾何坐標(biāo)位置對(duì)應(yīng)到當(dāng)前界面的控件元素，并將觸擊信息翻譯為對(duì)應(yīng)的控件點(diǎn)擊事件。用戶的面板按鍵信息是由按鍵偵控電路檢測(cè)的，并提供給系統(tǒng)處理器。系統(tǒng)應(yīng)用根據(jù)當(dāng)前界面的設(shè)置，處理相對(duì)應(yīng)的按鍵信息。系統(tǒng)圖形的繪制由系統(tǒng)處理器實(shí)現(xiàn)，通過LCD控制器即顯示控制器組件，將數(shù)字化的圖形信號(hào)通過LCD顯示出來。

另外，還可以從軟件結(jié)構(gòu)的角度入手分析用戶界面功能。如圖2所示，系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)包括以下幾點(diǎn)：①系統(tǒng)操作輸入（UI input），系統(tǒng)操作控制的輸入包括手柄輸入和觸摸屏輸入；②系統(tǒng)服務(wù)（system service），提供相應(yīng)的系統(tǒng)運(yùn)算處理；③功能應(yīng)用（application），完成基本功能的邏輯實(shí)現(xiàn)、操作輸入信號(hào)（touchscreen/handset）的響應(yīng)處理、系統(tǒng)服務(wù)的調(diào)用與反饋輸出，以及界面的顯示與輸出；④HMI框架（HMI framework），通過HMI框架功能應(yīng)用才能最終實(shí)現(xiàn)界面圖形的繪制；⑤顯示驅(qū)動(dòng)（display driver），用以最終實(shí)現(xiàn)完成繪制后的界面圖形在LCD的輸出。

1.2 音頻功能設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)機(jī)載娛樂系統(tǒng)中，音頻功能的設(shè)計(jì)基本離不開信號(hào)源的輸入，通過對(duì)不同音頻信號(hào)源的不同處理、放大后，最終輸出到旅客耳機(jī)中，完成音頻娛樂系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。目前的輸入信號(hào)源有以下2種：①外部廣播信號(hào)，播放安全須知等，由上位機(jī)發(fā)送面向所有用戶的廣播時(shí)發(fā)送的相關(guān)音頻數(shù)據(jù)信號(hào)；②軟件音頻解碼輸出，即系統(tǒng)處理器產(chǎn)生的音頻數(shù)據(jù)，主要有存儲(chǔ)于本地的視頻和音頻媒體文件播放。音頻功能輸入與輸出的實(shí)現(xiàn)如圖3所示。

要想實(shí)現(xiàn)音頻功能，需要使用高性能音頻處理芯片（Audio DSP）。這一類芯片一般會(huì)支持多路音頻（數(shù)字或模擬信號(hào)）的輸入，音頻輸入通路的選擇與控制，音頻信號(hào)的處理以及數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換。

如圖3所示，對(duì)應(yīng)不同的音頻輸入信號(hào)源，音頻處理芯片會(huì)自動(dòng)給予不同的處理模式。例如，安全須知和所有通過娛樂系統(tǒng)控制中樞——視頻控制面板發(fā)送出的音頻信號(hào)，這些都屬于外部信號(hào)，通過用戶終端附帶的音頻處理芯片轉(zhuǎn)換至基帶模擬信號(hào)后，通過放大器放大信號(hào)，并由耳機(jī)輸出。而另一種通過對(duì)本地多媒體文件解碼后產(chǎn)生的音頻信號(hào)同樣在傳輸進(jìn)音頻處理芯片后需要經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換，并經(jīng)過放大器放大處理后傳入到旅客耳機(jī)中。

1.3 視頻功能設(shè)計(jì)

對(duì)于機(jī)載娛樂系統(tǒng)的視頻功能，其視頻信號(hào)源全部是數(shù)字視頻信號(hào)，可分為2種，即外部廣播視頻信號(hào)和本地多媒體信號(hào)，具體如圖4所示。

外部廣播視頻信號(hào)是由頭端的數(shù)字存儲(chǔ)服務(wù)組件，通過系統(tǒng)中的上位機(jī)——娛樂系統(tǒng)控制中樞（ICMT）操作后發(fā)送的各類多媒體文件視頻數(shù)據(jù)流。它發(fā)送的主要是安全須知類演示廣播視頻。這類信號(hào)經(jīng)編碼并壓縮后，通過以太網(wǎng)局域網(wǎng)絡(luò)分配并傳輸至各個(gè)旅客座椅終端接收，并解碼處理后顯示出來。

本地多媒體信號(hào)源自終端內(nèi)部的存儲(chǔ)設(shè)備，比如安全數(shù)碼卡（SD卡），它們的被處理方式與解調(diào)后的外部廣播視頻信號(hào)完全相同，都是通過顯示處理器解碼后顯示輸出給用戶。

2 終端系統(tǒng)平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

終端系統(tǒng)在軟件上分為操作系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更多針對(duì)的是現(xiàn)有的開源系統(tǒng)，基本上是基于Unix或Linux開發(fā)的后續(xù)開源系統(tǒng)。比如Andriod系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)在于兼容性好，便于模塊化設(shè)計(jì)?？紤]到記載娛樂系統(tǒng)對(duì)于飛機(jī)信息存儲(chǔ)的安全性，目前的策略是不將開源系統(tǒng)的底層操作界面開放給用戶，而是在此基礎(chǔ)上覆蓋一層應(yīng)用軟件制作的界面，如圖5所示。因此，在此次設(shè)計(jì)中，將界面HMI設(shè)計(jì)歸類于應(yīng)用軟件內(nèi)。應(yīng)用軟件分為娛樂與播放軟件和HMI界面設(shè)計(jì)。

機(jī)載娛樂系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)避免用戶終端對(duì)整個(gè)機(jī)載網(wǎng)絡(luò)有意或無意造成的威脅，所以，在為終端用戶提供信息服務(wù)時(shí)，一定會(huì)對(duì)終端的部分功能進(jìn)行信息限制。因此，這里使用的是一種以網(wǎng)頁頁面為用戶界面，通過瀏覽器的全屏化功能，在原有操作系統(tǒng)界面上另行覆蓋一層全新的界面層，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)信息的安全保護(hù)的界面設(shè)計(jì)。如此一來，即保證了系統(tǒng)的安全性，也節(jié)省了開發(fā)界面所需要的時(shí)間，所有的界面都可以通過網(wǎng)頁制作完成，開發(fā)人員只需有網(wǎng)頁開發(fā)經(jīng)驗(yàn)而無需積累Andriod系統(tǒng)界面開發(fā)經(jīng)驗(yàn)。通過Eclipse+ADT+SDK最終將開發(fā)完成的網(wǎng)頁與系統(tǒng)設(shè)置打包成為一個(gè)應(yīng)用APP，再在Andriod系統(tǒng)中安裝即可完成。要想實(shí)現(xiàn)以上設(shè)計(jì)，就需要使用到目前瀏覽器的一個(gè)功能——KIOSK，即全屏界面化模式。

界面設(shè)計(jì)是基于網(wǎng)頁制作，通過javascript語言嵌入web網(wǎng)頁中，以完成某些特定的事件，達(dá)到界面效果。因此，只需要明白網(wǎng)頁編寫的格式，即使是記事本也可以成為網(wǎng)頁編譯的軟件。通常來說，如果一些固定格式的語句能通過首字母庫(kù)來選擇，那么，無疑會(huì)給我們的編寫工作帶來極大的便利。所以，在界面程序編譯軟件方面，選擇使用JetBrains WebStorm 9.0.3，編譯界面如圖6所示。

瀏覽器是此次娛樂系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一，它是實(shí)現(xiàn)界面功能的平臺(tái)和基礎(chǔ)。鑒于此次設(shè)計(jì)是基于Andriod平臺(tái)而實(shí)現(xiàn)的功能界面，所以，在移動(dòng)客戶端被廣泛使用的瀏覽器軟件是google chrome。

終端界面的設(shè)計(jì)是從用戶對(duì)產(chǎn)品的使用要求和功能要求出發(fā)，針對(duì)用戶在使用娛樂系統(tǒng)時(shí)希望得到的功能體驗(yàn)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔明了的人機(jī)交互界面。

3 終端系統(tǒng)平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)

用戶娛樂終端的設(shè)計(jì)是等效于一個(gè)高性能的平板電腦，其內(nèi)部功能和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也與平板電腦大致相同。它整合了網(wǎng)卡、視頻顯示模塊、觸摸屏操作模塊、音頻輸出模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，負(fù)責(zé)接收并處理局域網(wǎng)傳輸來的信息，例如點(diǎn)播電影的更新、安全須知、入境須知等視頻信息都需要用戶娛樂終端來負(fù)責(zé)接收、解壓并解碼信息，從而完成視頻的播放。同時(shí)，它還能完成音頻數(shù)字信息的接收，并將其轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)傳送至耳機(jī)中，實(shí)現(xiàn)音頻點(diǎn)播功能。

4 網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)計(jì)被分為頭端網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、傳輸端網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和座椅端網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)三部分。

4.1 頭端網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

頭端硬件主要包括數(shù)字服務(wù)組件（Digital Server Unit）、集線器（Configuration Plug）、機(jī)載下行接口控制器（Legacy Aircraft Interface Controller）和交互式客艙管理終端（Interactive Management Terminal）。

從功能需求的角度來看，頭端網(wǎng)絡(luò)主要由文件服務(wù)器、娛樂系統(tǒng)控制中樞和娛樂系統(tǒng)對(duì)飛機(jī)的接口服務(wù)器組成，功能是存儲(chǔ)大量的視頻、音頻備份文件。它是更新娛樂系統(tǒng)座椅端本地信息的服務(wù)器，也是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)信息交互的總節(jié)點(diǎn)，因此，對(duì)頭端網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)提出的要求是足夠大的傳輸帶寬和較快的傳輸速度，以滿足整個(gè)網(wǎng)絡(luò)巨大的數(shù)據(jù)吞吐量。

圖7為頭端設(shè)備網(wǎng)絡(luò)連接情況，其中，ICMT作為局域網(wǎng)維護(hù)管理和機(jī)組互動(dòng)界面計(jì)算機(jī)，被分配至唯一的特定網(wǎng)絡(luò)地址，4臺(tái)DSU通過光纖與集線器實(shí)現(xiàn)物理連接。LAIC的作用是混音與信息優(yōu)先權(quán)判斷，通過千兆網(wǎng)與之實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，它們使用的都是IEEE802.3z標(biāo)準(zhǔn)，所不同的是前者使用的是62.5 um多模光纖（1000Base-LX）傳輸，其工作波長(zhǎng)范圍為1 270～1 355 nm。而后者通過150 Ω屏蔽雙絞線（1000Base-CX）連接集線器。

由于頭端設(shè)備都被整合在電子艙一個(gè)固定的設(shè)備架上，相互之間通信距離很短，無論是光纖還是屏蔽雙絞線都無需增設(shè)增益設(shè)備，同時(shí)，固定的布線也在一定程度上保證了光纖的安全性和物理性。通過集線器，這四者能以平均傳輸速率1.25 Gbit/s的速度傳輸數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)4臺(tái)DSU的相互訪問。

4.2 傳輸端網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

整套娛樂系統(tǒng)從設(shè)計(jì)初起就定位為全數(shù)字化傳輸?shù)臋C(jī)載設(shè)備，傳統(tǒng)的傳輸射頻信號(hào)的同軸電纜會(huì)被更廉價(jià)、傳輸帶寬更高的屏蔽雙絞線和光纖代替。網(wǎng)絡(luò)傳輸端設(shè)備主要是網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和冗余硬件，考慮到整個(gè)局域網(wǎng)可能會(huì)使用到不同的傳輸協(xié)議，作為主要數(shù)據(jù)交換設(shè)備的區(qū)域分配盒（Area Distribution Box）必須擁有網(wǎng)橋的功能。同時(shí)，為了保證系統(tǒng)的冗余性，通過網(wǎng)絡(luò)中繼設(shè)備（FDB）連接相鄰局域網(wǎng)，在物理層形成備用鏈路。

傳輸端網(wǎng)絡(luò)的功能是保證從用戶子網(wǎng)絡(luò)到頭端或者從頭端到用戶子網(wǎng)絡(luò)的信息能完整而快速的傳達(dá)，因此，在傳輸速度和帶寬上與頭端網(wǎng)絡(luò)有著基本相同的要求。

網(wǎng)絡(luò)傳輸端的設(shè)計(jì)其實(shí)就是構(gòu)建一個(gè)用戶數(shù)量為306個(gè)的局域網(wǎng)的設(shè)計(jì)，它主要是由區(qū)域分配盒（ADB）、網(wǎng)絡(luò)中繼盒（FDB）和四端口座椅控制盒（QSEB）組成物理層分配和傳輸網(wǎng)絡(luò)，每臺(tái)ADB與系統(tǒng)的集線器使用62.5 um多模光纖連接，而ADB與其下連接的各個(gè)FDB和QSEB則使用150 Ω的屏蔽雙絞線連接。在傳輸協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)和傳輸導(dǎo)線的材質(zhì)上，與頭端傳輸設(shè)備所用的相同。

從整個(gè)娛樂系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上來說，系統(tǒng)的用戶網(wǎng)絡(luò)是由6個(gè)存在互為冗余的獨(dú)立局域網(wǎng)組成，而組成每個(gè)局域網(wǎng)的核心設(shè)備就是ADB。

ADB是整個(gè)娛樂系統(tǒng)中最主要的網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備，是支撐起單獨(dú)區(qū)域的用戶局域網(wǎng)。同樣的ADB在系統(tǒng)中有6個(gè)，它們被安置在客艙天花板的裝飾板內(nèi)，如圖8所示。左起第一個(gè)、第二個(gè)ADB負(fù)責(zé)頭等艙的2個(gè)局域網(wǎng)，其余的負(fù)責(zé)經(jīng)濟(jì)艙局域網(wǎng)，以此構(gòu)建起6個(gè)兩兩相互連接、互為冗余的獨(dú)立局域網(wǎng)，而他們所有的通信信號(hào)源和訪問信號(hào)源都位于頭端設(shè)備中的4臺(tái)文件服務(wù)器DSU中?？紤]到文件服務(wù)器的負(fù)載問題，對(duì)目標(biāo)服務(wù)器地址進(jìn)行了交錯(cuò)設(shè)置。

盡管與集線器相連接的光纖總纜在物理上確實(shí)是通過串聯(lián)的方式逐次連接每一個(gè)ADB，但在網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)傳輸過程中，通過光纖傳輸?shù)膹?fù)用技術(shù)，每一個(gè)ADB使用相鄰固定波段的光信號(hào)傳遞信息，因而上游ADB失效并不會(huì)影響下游ADB的通信。另外，無論是不同還是相同局域網(wǎng)區(qū)域的用戶與用戶之間也無法相互訪問。換言之，當(dāng)所有ADB都正常工作時(shí)，它們中的任何一臺(tái)ADB是無法分配任何信息給位于除它之外其他ADB區(qū)域下的用戶，反之亦然。

4.3 座椅端網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

座椅端網(wǎng)絡(luò)需要完成從用戶本地（即座椅娛樂終端）到主干網(wǎng)絡(luò)（傳輸端網(wǎng)絡(luò)）的數(shù)據(jù)傳輸。相對(duì)于傳輸端網(wǎng)絡(luò)，座椅端網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸吞吐量會(huì)小得多，因此，百兆的傳輸速度完全夠用。同時(shí)，考慮到布線情況更加復(fù)雜，對(duì)傳輸材質(zhì)的性能也有了相應(yīng)的變化。

如圖9所示，用戶娛樂終端的信號(hào)來源于四端口座椅控制盒（QSEB），它們之間通過IEEE802.3u標(biāo)準(zhǔn)的100Base-T百兆以太網(wǎng)連接。盡管QSEB屬于網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備，但是，QSEB與座椅終端的關(guān)系十分緊密，每一個(gè)QSEB能至多為4套用戶終端提供數(shù)據(jù)鏈路。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，并不是完全連接至最大允許連接數(shù)，這取決于QSEB所在座位行的實(shí)際座位數(shù)。

5 結(jié)論

本文提出了一種提供整艙信息交互的娛樂系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并且摒棄了傳統(tǒng)的2種通信模式并存的數(shù)據(jù)傳輸方式（射頻模擬信號(hào)傳輸和數(shù)字傳輸并存），使用全數(shù)字信息傳輸模式，并以此構(gòu)建整艙以太網(wǎng)絡(luò)，為所有乘客提供一致的交互式娛樂服務(wù)。該系統(tǒng)能夠承擔(dān)起面向所有乘客的點(diǎn)播、娛樂等交互需求。針對(duì)不同艙位的乘客，僅會(huì)在用戶感知方面（比如顯示屏尺寸、手柄按鍵排布和座椅舒適度等）有所不同，在功能上，不同艙位的用戶都提供同樣的服務(wù)內(nèi)容。全數(shù)字化機(jī)載娛樂系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)的雙模式傳輸娛樂系統(tǒng)（數(shù)字和模擬傳輸并存），有著結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、組件耐用性強(qiáng)、響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，是機(jī)載娛樂系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

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