綜合座艙顯示控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

O 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(guó)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(huà)面顯示的飛行參數(shù)內(nèi)容較少，重量相對(duì)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(guò)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(jí)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(tái)內(nèi)，提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理、信號(hào)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(duì)抗、通信管理、系統(tǒng)控制和故障檢測(cè)、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(cè)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(yíng)運(yùn)條例對(duì)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(guò)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(guò)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(tái)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(wú)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(jiǎn)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(guò)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(guò)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(chǎng)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(guò)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(cè)試性，還可以提高系統(tǒng)容錯(cuò)能力。
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(tái)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(guò)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(lái)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。

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    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(guò)故障切換邏輯可以進(jìn)行系統(tǒng)重構(gòu)，自動(dòng)將飛行顯示器顯示數(shù)據(jù)源切換到無(wú)故障的另一臺(tái)飛行顯示器的數(shù)據(jù)處理模塊。在一定故障等級(jí)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(guò)多功能控制面板手動(dòng)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。
2．3 顯示界面設(shè)計(jì)
    為了在嵌入式操作系統(tǒng)上開(kāi)發(fā)圖形界面，將VxWorks操作系統(tǒng)與Idata和OpenGL圖形驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)包結(jié)合起來(lái)，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(kāi)發(fā)工具IData提供的GUI編輯器繪制顯示畫(huà)面，完成態(tài)勢(shì)感知融合顯示、用戶交互式顯示和高級(jí)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(dòng)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(dòng)機(jī)參數(shù)等信息。

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(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)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(guò)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(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送過(guò)來(lái)的顯示指令，并按照顯示指令生成對(duì)應(yīng)的畫(huà)面。
    系統(tǒng)軟件包括操作系統(tǒng)、中間層軟件和設(shè)備驅(qū)動(dòng)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(chǔ)器中。地面支持軟件包括Tornado集成開(kāi)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(cè)試設(shè)備軟件(ATE)、地面航線編輯軟件及數(shù)據(jù)庫(kù)等。它們安裝在地面維護(hù)設(shè)備或開(kāi)發(fā)設(shè)備中。

3 結(jié)語(yǔ)
    通過(guò)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(tái)，符合了座艙顯控系統(tǒng)高度綜合化的發(fā)展趨勢(shì)，具有較好的應(yīng)用前景。