基于ARINC 661的座艙顯控系統(tǒng)設計方法分析

王首道,劉 劍,馬文靜

（中航航空電子有限公司，北京,100086）

基于ARINC 661的座艙顯控系統(tǒng)設計方法分析

王首道,劉 劍,馬文靜

（中航航空電子有限公司，北京,100086）

隨著航空電子技術的快速發(fā)展，越來越多的飛機座艙顯控系統(tǒng)開始依據ARINC661標準進行設計。基于ARINC 661標準開發(fā)的座艙顯示系統(tǒng)，具有規(guī)范的體系結構和標準化的座艙人機交互接口、還具有重用性和可擴展性強、設計成本低等優(yōu)點。本文首先對ARINC 661標準的核心內容進行概要性介紹；然后闡述了遵循ARINC 661標準的座艙顯控系統(tǒng)設計方法，并在此基礎上給出了一種采用ARINC 661標準的設計方法，最后對ARINC 661標準的研究和應用現(xiàn)狀進行了總結。

ARINC 661；座艙顯控系統(tǒng)；CDS；UA

0 引言

座艙顯示系統(tǒng)(CDS：Cockpit Display System)先后經歷了簡單的機械儀表和電氣儀表座艙、聯(lián)邦式座艙、綜合玻璃座艙等發(fā)展階段。隨著飛機座艙顯示系統(tǒng)綜合化程度和系統(tǒng)開放性要求不斷提高，CDS的開發(fā)和維護變得越來越加困難，傳統(tǒng)的顯示控制軟件結構和開發(fā)方式正面臨嚴峻的挑戰(zhàn)。現(xiàn)代CDS正向高度綜合化、智能化方向發(fā)展，可靠、安全、高效的人機功效設計是衡量飛機現(xiàn)代化程度的重要標準。ARINC661標準的提出為規(guī)范CDS的開發(fā)，降低系統(tǒng)的集成、開發(fā)和維護成本提供了有效的解決方法。

1 ARINC661標準介紹

ARINC661標準制定目標：規(guī)范座艙顯示系統(tǒng)的設計開發(fā)流程，對座艙顯示系統(tǒng)內容進行定義和分類；為顯控系統(tǒng)架構設計提供依據和參考；規(guī)范人機交互邏輯設計，提高航電系統(tǒng)人機交互效率。相比集中式的綜合顯示控制系統(tǒng)，ARINC661的體系結構具有更好的重用性和可維護性，可用于不同用途、不同機型，減少了開發(fā)驗證時間，降低了開發(fā)維護成本。

ARINC661標準對CDS內容進行了定義和分類，明確CDS與外部的關系及約束。ARINC661標準定義了用戶應用(UA：User Application)與CDS間的接口標準，實現(xiàn)顯示和控制的松耦合。

1.1 座艙顯示系統(tǒng)（CDS）

CDS定義為面向用戶的圖形顯示系統(tǒng)，也可理解為一個圖形渲染器，CDS上最終的顯示內容由有限的組件集合中的組件構成，這個組件集合稱為Widget庫。CDS在座艙環(huán)境中向UA提供畫面交互服務，與UA的數據結合起來顯示圖形畫面。CDS管理Widget的實時顯示，同時監(jiān)視飛行員通過顯示系統(tǒng)輸入設備的交互操作控制。

1.2 用戶應用（UA）

CDS的所有邏輯處理過程都在UA內進行，主要包括兩個方面內容：一是為CDS提供更新數據；二是對操作者的行為進行邏輯判斷，并給出相應的響應。UA可以運用任何編程語言和設計

技巧來實現(xiàn)，除了需遵循“層由UA控制”和“通信協(xié)議”外，UA的設計沒有更多規(guī)定。

1.3 CDS與UA之間的通信

為了增加標準的適應性，ARINC661標準并未對具體的物理信道做出限定，僅給出了UA和CDS間通信的應用層協(xié)議。應用層協(xié)議可以分為定義和運行兩個階段。

1)定義階段協(xié)議

CDS通過在定義階段解析DF來建立內部實體結構。DF文件包含來自UA的用戶應用層定義（UALD：User Application Layer Definition），UALD描述在UA和CDS之間共享的數據。在定義階段，DF從UA加載到CDS。

2)運行階段協(xié)議

UA通過運行階段協(xié)議來實現(xiàn)對它所擁有的層及內容的控制，并對CDS發(fā)送的事件信息進行處理。UA通過[UAID][LayerID] [WidgetID]可以唯一確定CDS中的一個Widget，然后按Widget接口對其進行控制；CDS依據更新后的Widget屬性，進行Layer的顯示。運行階段由UA與CDS之間的動態(tài)數據傳輸組成，CDS與UA之間的通信都是事件驅動的，事件包括“請求（Request）”和“通知（Notification）”兩種類型。

1.4 ARINC661標準設計方法原理

采用ARINC661標準進行顯控系統(tǒng)的開發(fā)，與傳統(tǒng)的開方法有很大不同。在傳統(tǒng)開發(fā)方法下，控制部分和顯示部分是緊密耦合的，雙方通過顯示數據幀進行驅動，因為兩者之間沒有標準的分界面，所以對顯控系統(tǒng)的維護、升級都比較困難，不利于系統(tǒng)的擴展。

ARINC661標準體系結構中提出圖形顯示與邏輯處理分離的理念，如圖1 ARINC 661標準的整體原理圖所示，用戶需求決定DF(DF：Definition File)的內容，DF實質上就是一種圖形用戶接口(GUI) 文件，描述了界面上顯示的所有信息。然后，將DF通過加載器導入到CDS中，CDS根據其中的信息進行顯示界面的實例化。此后系統(tǒng)便進入運行階段，UA與CDS之間將按照通信協(xié)議進行通信。

2 座艙顯控系統(tǒng)設計方法及驗證

座艙顯控系統(tǒng)設計分為CDS設計與UA設計兩部分組成，但兩部分又有著緊密的關系，UA是CDS的重要需求來源，UA設計決定CDS設計的內容；CDS設計的畫面要繼承參考已有CDS的設計元素和設計風格，同時參考飛行員的建議和要求。

2.1 定義階段從UA到CDS的設計流程

在定義階段，座艙顯控系統(tǒng)遵循從UA到CDS的設計流程，UA的功能決定了和它關聯(lián)的DF的內容。

2.2 運行階段CDS與UA的通訊策略

座艙顯控系統(tǒng)設計要求CDS與UA之間的通信機制具有高完整性。因此CDS與UA之間的通信通常通常采用以下兩種：

周期通信：UA發(fā)送數據通常是周期性的，這些數據是CDS按不同頻率接收并周期更新的重要飛行數據。

事件驅動：ARINC661中允許UA自主選擇當它的值變化時發(fā)送Widget參數值，當UA選擇發(fā)送重要Widget參數時，它需要選擇一種保證數據安全傳輸的通訊機制，Widget事件、確認和CDS消息等可靠的傳輸事件驅動方式可以有效保證重要數據傳輸。

2.3 HSI實例設計驗證

通過一個簡化的航空羅盤實例的設計過程來具體闡述本文提出的座艙顯控系統(tǒng)設計方法：設計過程可分為兩個階段工作。

1)Widget分析與DF生成

分析航空羅盤所有的UA的具體功能，參照已有航空羅盤畫面進行畫面設計分析，將與UA對應的Widget全部分解出來，該羅盤可以指示當前磁航向、飛機圖標、航道指針、航道偏離值、水平偏差等信息，因此需要設計可旋轉羅盤卡，飛機標識，當前航向指示標，航道指針，航道偏離指針，水平偏差刻度等畫面元素，根據初步分解的畫面元素組成一個航空羅盤畫面圖如圖2所示。

根據UA功能分析畫面對象控制邏輯關系，羅盤和航道指針需要使用RotationContainer來實現(xiàn)旋轉，航道偏離指針需要使用BasicContainer實現(xiàn)橫向滑動。

圖2 航空羅盤畫面圖

將畫面元素進一步分解：可旋轉羅盤分解成GpTriangle、GpLine、GpArcCircle和Label等Widget來實現(xiàn)，飛機標識使用Picture，航道指針使用GpRectangle和GpTriangle，航道偏離指針使用GpRectangle，水平偏差刻度使用GpArcCircle，然后為各個Widget分配ID，默認頂層的三個widget的ParentID均

為0，其中WidgetID和ParentID表明了Widget間的包含關系。最后，根據ARINC661規(guī)定為羅盤分配一個LayerID(1)和一個UAID(1)。此時，DF文件的內容逐漸明晰。

使用加拿大Presagis公司的VAPS XT軟件，創(chuàng)建一個HSI頁面，通過簡單的拖拽或通過輸入Widget精確坐標定位，將設計所需Widget添加到HSI層編輯頁面中，并按羅盤畫面樣式進行布局，對每個Widget的屬性：如大小、位置、顏色、半徑等進行設置，VAPS XT自動將畫面和Widget設置自動生成XML格式的DF文件，VAPS XT軟件完成畫面設計同時完成DF文件加載到CDS。

2)CDS與UA通訊實現(xiàn)過程

本文分別實現(xiàn)了PC仿真環(huán)境下和嵌入式環(huán)境下CDS與UA通訊的過程，在PC仿真環(huán)境里，一臺PC機模擬CDS，另一臺通過VC程序仿真飛行測量系統(tǒng)，實現(xiàn)UA功能，兩臺PC機通過以太網連接，由于羅盤顯示的當前航向、當前航道、航道偏離值等是重要的連續(xù)的飛行數據，因此通訊策略采用基于UDP協(xié)議的周期發(fā)送方法。VAPS XT程序所在PC通過配置連接方式并為每個飛行參數建立數據連接，建立頁面數據驅動。然后生成HSI畫面可執(zhí)行程序，執(zhí)行這個CDS實例，等待與UA的通訊。另一臺電腦設置IP信息和網絡協(xié)議，通過數據包周期發(fā)送飛行參數，實現(xiàn)與CDS的通訊，驅動HSI畫面。

在嵌入式環(huán)境里，采用PPC7448硬件平臺作為CDS運行目標機，運行VxWorks5.5操作系統(tǒng)，一臺PC機模擬UA，仍然采用以太網連接兩臺機器，使用VAPS XT軟件生成嵌入式環(huán)境下CDS目標文件并通過以太網加載到嵌入式目標機上，然后PC機運行UA模擬程序，通過UDP協(xié)議周期發(fā)送飛行數據包，成功實現(xiàn)與嵌入式目標機下的CDS通訊，驅動HSI畫面。

3)實現(xiàn)分析

從HSI的設計過程可以看出，相比于傳統(tǒng)的座艙顯示控制系統(tǒng)實現(xiàn)方式，基于ARINC 66l的開發(fā)具有更高的開發(fā)效率和更低的開發(fā)成本

在通訊可靠性方面，CDS與UA之間的通訊可根據傳送數據類型的不同選擇不同的通訊策略，保證通訊的高可靠性和高完整性。

3 結束語

ARINC 661標準已經在全球范圍內普遍應用于各種飛機的座艙顯控系統(tǒng)的開發(fā)，如空客A380、波音787等。遵循ARINC661標準的座艙顯控系統(tǒng)設計方法是一種準確高效、開放式的設計方法，能夠大大降低座艙顯控系統(tǒng)設計開發(fā)成本，在發(fā)展迅速又注重控制成本的通用航空飛機系統(tǒng)設計中更加得到重視。

[1] ARINC.ARINC SPECIFICATION 661-5:Cockpit Display System Interfaces To User Systems[S].AERONAUTICAL RADIO,INC.2013

[2] 基于ARINC661的通用圖符顯示管理軟件性能優(yōu)化[J].高忠杰，胡蕭.航空電子技術，2012（150）：31-33.

[3] ARINC 661規(guī)范及其應用開發(fā)研究[J].劉建，劉勤，孫永榮.計算機與現(xiàn)代化，2010，(176)：188-191．

A Design Method Research for Cockpit Display and Control System Based on ARINC 661

Wang Shoudao,Liu Jian,Ma Wenjing
（AVIC Avionics Company Limited,Beijing,100086,China）

With the rapid development of avionics technology,more and more cockpit display systems are designed according to ARINC 661 standard.Cockpit display systems based on ARINC 661 have canonical architecture,standard cockpit HMI,lower design cost,good reusability and can be easily extended.ARINC 661 is introduced briefly at first in this paper,then expound the design method based on ARINC 661 are analyzed. And an example based on ARINC 661 is given as illustration．In the end,the ARINC 661 research and development status are summarized．

ARINC 661;Cockpit Display and Control System;CDS;UA

圖1 ARINC 661標準的整體原理圖

國家863計劃：通航高集成度航電總體設計、集成測試與驗證技術(2011AA110101)

王首道、1983年生、男、工程師、碩士研究生、主要研究方向為航空電子系統(tǒng)座艙顯控系統(tǒng)。