綜合座艙顯示控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

摘 要:以某型直升飛機綜合座艙顯示控制系統(tǒng)的設計實現(xiàn)為例，介紹了綜合座艙顯示控制系統(tǒng)的體系結構、軟件架構、飛行界面。在顯示同步網(wǎng)絡和交叉互比網(wǎng)絡應用的基礎上引入容錯機制，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特點。關鍵詞:綜合座艙; 飛行顯示器; 容錯; 航空電子系統(tǒng)

中圖分類號:TN873文獻標識碼: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)承擔著航電系統(tǒng)的集中顯示和集中管理任務，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荷。目前國內通用飛機、直升飛機裝備的是機械儀表、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)的機電式儀表。同時，綜合座艙顯示控制系統(tǒng)內部采用高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、任務同步和數(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 設計思想

1.1 綜合化

采用高度綜合的集成一體化設計，綜合座艙顯示控制系統(tǒng)將通用模塊、標準總線、高速網(wǎng)絡和實時嵌入式操作系統(tǒng)集成在一個高性能計算平臺內，提供強大的數(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、任務計算、視頻信息生成、導航計算、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。

1.2 通用化

不同飛機的座艙顯示系統(tǒng)具有多樣化的特點，這主要是由于飛機用途不同、適航條例和營運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，通用綜合座艙顯示控制系統(tǒng)應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備功能和較強的傳感器設備接口擴展能力。

1.3 小型化

小型化設計通過合理的系統(tǒng)結構、先進顯示技術和加固方式等手段減少設備尺寸和重量。通過系統(tǒng)優(yōu)化，減少多余的軟硬件資源浪費，同時采用大規(guī)模集成電路和有源矩陣液晶顯示等技術減輕硬件重量和體積。

2 系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)結構組成

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計，將機載數(shù)據(jù)處理、航電任務管理和圖形圖像顯示綜合在飛行顯示器內部，無單獨的顯示控制任務計算機，使整個顯示控制系統(tǒng)組成合理，結構重量減輕，簡化了直升機座艙布局和儀表板布置。

如圖1所示，飛機上各路傳感器數(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)絡數(shù)據(jù)幀，再通過網(wǎng)絡將數(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)采用了模塊化的設計方法，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，功能單元內部由通用現(xiàn)場可更換模塊組成，標準化程度較高，提高了系統(tǒng)的可維護性。功能單元之間通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡連接，這種松耦合方式不僅可以提供靈活的可擴展性和測試性，還可以提高系統(tǒng)容錯能力。

圖1 系統(tǒng)結構

2.2 系統(tǒng)的容錯機制

綜合座艙顯示控制系統(tǒng)的容錯機制是多臺綜合飛行顯示器同構型、獨立工作，每個綜合顯示器都綜合了飛行數(shù)據(jù)處理、航電任務管理和圖形圖像顯示功能，即軟硬件配置相同，運行任務不同，獨立工作，相互備份。綜合顯示器間通過顯示同步數(shù)據(jù)網(wǎng)絡和交叉互比數(shù)據(jù)網(wǎng)絡來實現(xiàn)雙機間的任務周期同步以及飛行顯示器間的數(shù)據(jù)交叉?zhèn)鬏敗Ｊ姑總€綜合顯示器均得到另一綜合顯示器采集的載機信息，在此基礎上實現(xiàn)飛行參數(shù)數(shù)據(jù)比較監(jiān)控，當差異超出一定范圍要求時，系統(tǒng)給出報警提示。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)任務可靠性。

根據(jù)系統(tǒng)比較監(jiān)控結果和設備BIT監(jiān)控結果，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行系統(tǒng)重構，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現(xiàn)數(shù)據(jù)處理部分的一次故障工作能力。同時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 容錯示例

2.3 顯示界面設計

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圖形驅動開發(fā)包結合起來，實現(xiàn)界面良好的人機接口。利用VxWorks操作系統(tǒng)的消息隊列、中斷處理及任務調度功能實現(xiàn)系統(tǒng)任務管理及用戶交互;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，較好地實現(xiàn)了飛行儀表、地圖導航、圖形的分層疊加、圖形特效等顯示功能，使消息驅動的多窗口顯示技術達到實用效果。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)動機參數(shù)等信息。

圖3 主飛行界面

2.4 軟件體系結構

綜合座艙顯示控制系統(tǒng)軟件主要包括系統(tǒng)軟件、地面支持軟件和應用軟件三個部分，軟件系統(tǒng)結構如圖4所示。

應用軟件(OFP軟件)作為綜合座艙顯示控制軟件架構的核心部分運行于VxWorks 5.1操作系統(tǒng)之上，使用標準C語言進行開發(fā)，負責完成飛行狀態(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)維護等功能，實現(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、轉換和信息顯示。數(shù)據(jù)處理軟件實現(xiàn)綜合座艙顯示控制系統(tǒng)與載機傳感器設備的數(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)絡發(fā)送過來的顯示指令，并按照顯示指令生成對應的畫面。

圖4 軟件體系結構

系統(tǒng)軟件包括操作系統(tǒng)、中間層軟件和設備驅動軟件，應用軟件和系統(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)、各種在線仿真調試設備及其軟件(ICE)、燒錄和固化工具、項目管理工具(如版本管理軟件)、系統(tǒng)綜合仿真測試設備軟件(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設備或開發(fā)設備中。

3 結 語

通過上面的討論可知，綜合座艙顯示控制系統(tǒng)采用先進的體系結構和軟件架構，實現(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、人機工效良好，安全性高、通用性強，可兼容多載機平臺，符合了座艙顯控系統(tǒng)高度綜合化的發(fā)展趨勢，具有較好的應用前景。

參考文獻

[1]范天慈.機載綜合顯示系統(tǒng)[M].北京:國防工業(yè)出版社，2008.

[2]莫伊爾.軍用航空電子系統(tǒng)[M].吳漢平，譯.北京:電子工業(yè)出版社，2008.

[3]柯林森.飛行綜合駕駛系統(tǒng)導論[M].吳文海，譯.北京:航空工業(yè)出版社，2009.

[4]周強.航空電子綜合化互聯(lián)關鍵技術研究[D].北京:北京航空航天大學，2002.

[5]王南.航空電子綜合系統(tǒng)的容錯與故障診斷[D].上海:上海交通大學，2002.

[6]胡元剛，雷雯.液晶顯示器在飛機座艙的應用及發(fā)展[J].現(xiàn)代顯示，2009(7):20-22.

[7]李洋，謝新月，曹成哲.淺談現(xiàn)代戰(zhàn)斗機座艙顯控系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].科技資訊，2009(12):9-10.

[8]江華，孔健.戰(zhàn)斗機座艙儀表演變歷程及發(fā)展趨勢[C]//中國航空學會信號與信息處理專業(yè)第三屆學術會