某民用飛機顯示系統仿真器的設計與實現

沈 佳 徐志鑫 謝 寒 謝祥南 / SHEN Jia XU Zhixin XIE Han XIE Xiangnan(上海航空無線電電子研究所，上海200241)(China National Aeronautical Radio Electronics Research Institute, Shanghai 200241, China)

某民用飛機顯示系統仿真器的設計與實現

沈 佳 徐志鑫 謝 寒 謝祥南 / SHEN Jia XU Zhixin XIE Han XIE Xiangnan
(上海航空無線電電子研究所，上海200241)
(China National Aeronautical Radio Electronics Research Institute, Shanghai 200241, China)

航電系統仿真平臺以其靈活方便和低成本特點，支持綜合航電系統的預先研究、方案設計、詳細設計、系統綜合，成為綜合航電系統研制過程中不可或缺的設計手段。給出了IMA系統仿真平臺顯示系統仿真器的詳細的設計和實現方案，首先介紹了IMA系統仿真平臺的組成，接著介紹了顯示系統仿真器的組成架構，并對顯示系統仿真器的硬件配置、航電網絡配置、人機交互界面和邏輯處理進行了詳細的介紹。最后經過IMA系統仿真試驗樣件驗收測試程序的測試，驗證了顯示系統仿真器滿足驗收測試程序的各項功能和性能要求，滿足了該型號顯示系統仿真器的試驗要求。

民用飛機；IMA系統；顯示系統仿真器；航電網絡；人機交互

0 引言

航電系統被譽為現代飛機的大腦，其重要性不言而喻，隨著航電系統不斷向綜合化、模塊化的方向發展，其系統的復雜性，系統間的耦合性也不斷增加，進而增加了系統的研制風險，因此在航電系統研制的各個階段迫切需要建立航電系統實時仿真平臺，對系統進行驗證以降低設計缺陷，提高設計成熟度。

航電系統仿真平臺通過對分系統和環境的仿真，提供系統驗證所需的真實環境，完成系統閉環的構建，IMA系統通用處理平臺作為航電系統綜合信息處理的核心，以其靈活方便和低成本特點，支持綜合航電系統的預先研究、方案設計、詳細設計、系統綜合以及試飛排故。成為綜合航電系統研制過程中不可或缺的設計手段。顯示系統(DS)作為IMA系統仿真平臺的重要部分，是飛行員與飛行系統進行人機交互的主要媒介，對飛行任務的完成起著至關重要的作用，一直以來都是各航空大國飛機研制水平的重要標志之一。

1 IMA系統仿真平臺的組成

IMA仿真平臺的基本組成如圖1所示。

整個IMA系統仿真平臺由IMA通用處理平臺，2個遠程交換機(ARS)、2個RDIU以及IMA系統開發調試平臺以及顯示系統仿真器等組成。IMA系統仿真平臺包含如下的基本功能。

1)通訊功能：平臺計算機能夠進行正確通訊，實現數據傳輸和信息交互。

2)監控功能：仿真器件能夠對IMA平臺和各子系統的運行情況進行監控。

3)冗余度：即容錯性能。是指當互為備份的設備，有一個出現某些指定的功能故障時，仿真平臺仍能正常工作。

4)功能可擴展性：對于不同的子系統，在IMA平臺的駐留功能是不同的，采用模塊化設計，能夠滿足擴展性的要求。

本顯示系統仿真器基于航電系統仿真平臺，用于仿真某型號民用飛機座艙顯示交互功能，提高后續顯示系統真件集成綜合的效率。

2 DS仿真器的組成

DS仿真器作為IMA系統重要組成部分，在IMA系統仿真平臺的基本框架下，由數據激勵器，通訊網絡，子系統邏輯處理單元，顯示界面等部分組成，組織架構如圖2所示。

激勵器是由IMA系統開發測試平臺上的飛行仿真軟件提供，模擬飛行的環境，飛行的狀態以及飛機自身的指示參數等數據，數據格式轉換和網絡通訊由RDIU和ARS以及SPM內帶的ACS共同組成。核心處理單元由SPM1/SPM3等組成，完成數據的邏輯處理和轉發，人機交互界面使用AFDX板卡作為通訊接口，使用VAPS工具繪畫界面，用于顯示PFD、Synoptic Page、EI、CAS等飛行信息和告警指示。

3 DS仿真器關鍵技術分析與實現

3.1 硬件設計

一個完整的DS仿真器應該由電源控制模塊，數據激勵器，數據網絡傳輸模塊，核心處理模塊，顯示器組成。圖3所示為DS仿真器的硬件組成。

其中，輸入電源提供220V和115V兩種交流電源，220V交流電源負載能力大于4 000W(使用兩套IMA系統開發調試平臺時)，115V交流電源用于為RDIU提供交流信號激勵，采用2個電源控制模塊實現對其他功能模塊的供電余度,每個電源控制模塊為其各自的IMA模塊電源總線提供12.5V直流電源。采用帶有飛行仿真數據庫的工控機作為DS仿真器數據輸入源，互為備份的2塊RDIU實現I/O 接口和數據網關轉換功能。2臺ARS提供單通道、全雙工、高速的符合ARINC664 part7協議要求的數據交換功能，同時提供A664網絡的雙通道冗余。系統處理模塊(SPM) 滿足ARINC653要求的實時分區操作系統，提供對多個駐留應用軟件的平臺處理能力； 采用帶有旋極的WFDX100 AFDX板卡和NVIDIA Quadro 2000顯卡的工控機作為DS顯示單元，其中WFDX100 AFDX板卡實現664數據包的收發。NVIDIA Quadro 2000顯卡實現DS畫面的顯示和多屏拓展功能。

3.2 DS仿真器的網絡配置

IMA系統數據網絡主要完成IMA平臺的總線數據傳輸和數字接口的功能，系統與傳感器和作動器間的遠程或分布式I/O接口(RDIUs)，連接IMA和第三方子系統的總線網絡資源，包括傳統的數據總線和網絡(A664、A429、A825等)。IMA系統數據網絡拓撲圖如圖4所示。

其中，DS仿真器的數據來源包括兩部分，一部分是飛行主仿真數據直接通過交換機過來，這部分的數據有AFDX格式的，可以直接通過AFDX網絡發送，還有部分則是像慣導、維護字的數據，其數據格式是429格式的,需要經過RDIU之后將429數據打包成664的包，然后再通過交換機發送；另一部分是來自飛行主仿真數據經過SPM1系統處理模塊邏輯處理后的數據信息，如CAS的信息。

為了實現上述的數據通訊，首先要設置RDIU1、RDIU2、SPM1、SPM3、SPM4、DS(PFD)、OMS、FMS以及DS(EI)的IP地址，ARS交換機的路徑配置，RDIU的數據格式轉化的初始化配置；其次，要確定各條鏈路的數據源和數據目的，確定SPM內部ACR交換機的配置,包括源端口，目的端口，包長，BAG值，VL虛擬鏈路號，以及源端和目標端的UDP和COM口配置，以及RDIU中需要源轉化數據格式和目標數據格式的配置。具體的網絡配置表見表1。

表1 通訊鏈路配置表

由表1中第一條數據鏈為例，是DS的應用，傳輸內容為顯示數據，數據源是DS，是指數據源來自SPM1的DS邏輯處理分區，數據目的是DS仿真2(EI)，是指數據目的地為DS EI畫面顯示工控機。傳給PFD畫面的數據，一部分是以429格式傳輸的數據，通過RDIU進行429到AFDX數據格式的轉化，每個應用都由A/B 2條鏈路來完成完全相同的任務，所有的鏈路設置都是唯一確定的。其中鏈路號300～307為PFD畫面提供數據輸入源，201鏈路為EICAS畫面提供數據輸入源，數據信息比較多，所以它的數據包包長為1 518，比其他鏈路明顯要大很多。

3.3 軟件實現

DS仿真器軟件實現包括PFD(主飛行顯示)和MFD(多功能顯示)等功能和顯示畫面的實現。

3.3.1 功能的實現

在前面網絡配置部分有提到，VL鏈路號300～307為PFD畫面提供數據輸入源，201鏈路為MFD的EICAS畫面提供數據輸入源，數據信息比較多，所以它的數據包包長為1 518，輸入源主要來自飛控(FCM)的664數據和直連的429數據。仿真激勵數據源的處理方式如圖5所示。

同一個ipSingal會有系統SYSTEM A 的3個或多個實例作為輸入源，經過Selection Criteria源選擇標準和Selection Order來決定最終的輸入源，當此輸入源失效時，選擇當前有效輸入源中優先級最高的。一般664數據源優先級高于直連429數據源。

PFD畫面主要是飛行狀態和航向的顯示，主要包括當前空速、高度、垂直速度、無線電高度、橫滾角、翻滾角，磁航向等，在具體到每一個功能部分的實現依據仿真設計功能需求，如根據仿真設計需求，確定空速刻度線的范圍以及空速數字顯示的范圍，空速刻度帶顯示當前空速數值正負50的范圍等，刻度帶上只會顯示偶數數字。整個飛行過程共有11個飛行階段，輪載、空速、發動機狀態等不同的飛行條件對應不同的飛行階段。V1,V2,VR在如下飛行階段有效：

{ipFDASFlightPhase = 1(P1,power up) ||

ipFDASFlightPhase = 2(P2,taxi out) ||

ipFDASFlightPhase = 3(P3-1, TO 1) ||

ipFDASFlightPhase = 4(P3-2, TO 2) ||

ipFDASFlightPhase = 5(P4, TO 3-ground)}

與此類似的，configuration limit speed(配置限制速度)也由如下表中的飛行配置狀態決定。

表2 飛行配置狀態表

其中，cfg1～cfg6,condition1～condition9,a～g均根據飛機自身構型和所處的階段計算得出。在CONF01和CONF02時配置限制速度的值如圖6所示。

其中，BaroAltitude1和BaroAltitude2分別對應于CONF01和CONF02配置狀態時的大氣高度值，BaroAltitudeLimit是飛機的最大飛行高度。黑色箭頭上方和下方分別對應CONF01和CONF02配置狀態。當在CONF01配置狀態時，大氣高度不大于BaroAltitude1時的配置限制速度為定值CfgSpeed1，當大于BaroAltitude1到BaroAltitudeLimit之間時配置限制速度是隨著高度線性變化的。同樣在CONF02配置狀態時，大氣高度不大于BaroAltitude2時的配置限制速度為定值CfgSpeed2，當大于BaroAltitude2到BaroAltitudeLimit之間時配置限制速度是隨著高度線性變化的。

MFD上的功能主要由DSLP APP(Display System Logic Pressing Application)來實現，DSLP駐留在IMA處理平臺上，DSLP APP提供以下分系統的邏輯處理功能：

1)發動機指示(Engine Indication)：為機組提供發動機、燃油、起落架、飛控、液壓以及發動機防冰等系統運行必要的參數和系統狀態指示。DSLP APP根據預先設計的邏輯來處理顯示邏輯，包括數值顏色的變化、單位轉換等；

2)駕駛艙告警系統(FDAS, Flight Deck Alerting System)：為機組提供有關飛機運行和狀態的安全性告警。DSLP APP根據預先設計的邏輯來處理飛機系統的各類包括視覺、聽覺和觸覺告警。告警等級上高到低分為：警告、戒備和提示。

DSLP APP主要包括兩部分的功能模塊，I/O接口通訊模塊和邏輯處理模塊：

3)IO 模塊

IO 模塊從IMA測試開發處理平臺接收AFDX數據，同時把邏輯計算模塊的處理結果輸出到IMA平臺的AFDX 網絡；

4)邏輯計算模塊

邏輯計算模塊從IO模塊接收的ADFX數據讀取邏輯計算所需數據，然后根據預定邏輯關系進行計算并把結果輸出給IO模塊。201鏈路為EICAS畫面提供數據輸入源，數據信息比較多，所以它的數據包包長為1 518。附錄表3對應201鏈路EICAS部分信息。

表中第一行為網絡配置信息，第二行為有效數據載荷，表明鏈路201傳送的EICAS各部分功能對應的具體429狀態字信息，對接收的每個429字按照設定的格式結構解析獲得對應的狀態信息，如相應LABEL號的WING OVERPRES顯示的紅色告警信息，相應LABEL號的N1 VibesAmberLine的黃色戒備信息以及相應LABEL號的Oil Pressure的白色提示信息。

表3 EICAS部分信息

3.3.2 畫面設計

DS仿真器主要包括PFD和MFD的畫面的設計，使用presagis公司的VAPS XT工具繪制畫面和NCom通訊程序的數據流的處理，重要的三要素是DD文件、MAPPING文件和CONNECTIONS文件，DD文件定義通訊程序和畫面之間要數據流傳輸的變量和數據格式，CONNETCTIONS文件定義通訊通道的通訊方式是share memory 還是UDP/TCP模式，以及通訊服務線程的名稱，MAPPING文件定義使用的I/O_buffer共享內存的名稱以及要使用的通訊通道的名稱。畫面設計和數據流做好生成exe可執行文件，使用BAT格式文件關聯該exe文件，并按格式列出需要的connections、mappingd等信息，加上VAPS運行必須的庫文件，就可以在任何操作系統上運行了。

圖8是在開發測試階段，PFD在運行狀態下的部分功能畫面的顯示，主要展示了飛行的高度、速度、姿態和航向等。

MFD的左邊為簡圖頁的畫面，中間為EI的畫面，右上角為CAS信息。其中EI畫面包含有總溫、靜溫、N1、N2、EGT、燃油左右流量、滑油左右油量、溫度和油壓，N1/N2左右振動值，油箱左中右油量等數值信息，這部分值是經過I/O模塊直接轉發。CAS信息包括對L ENG OIL PRESS LOW、R ENGINE FIRE等紅色告警信息，L FIRE DET FAIL、APU FIRE DET FAIL等黃色戒備信息以及RENG IGNITOR A FAULT、R ENG IGNITOR B FAILT等白色提示信息，畫面顯示為開發測試階段，圖中的FIRE SYS FAULT是我們在內部測試進行顏色賦值時有意標出的，不是最后設定的告警等級定義庫。正式測試時，FIRE SYS FAULT是紅色告警信息。

4 測試結果

經過IMA系統仿真試驗樣件驗收測試程序的測試，驗證了DS仿真器滿足驗收測試程序的各項功能和性能要求，通過與OMS等子系統的聯調，驗證了設備控制邏輯的正確性，飛機發動機、燃油、起落架等自身參數以及飛行狀態在MFD和PFD頁面指示正確，表明該仿真器滿足了該型號民用飛機DS仿真器的試驗要求，為后續該型號民用飛機顯示真件系統的成功研制打下堅實的基礎。

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Design and Implementation of Display System Simulator for Civil Aircraft

Avionics system simulation platform can support advanced research,schematic design,detailed design and system integration for its flexibility and low cost. It has become an integral design method to the development of avionics system. This paper presents the detailed design and implementation of the display system simulator in the IMA system simulation platform. Firstly the composition of IMA system simulation platform was introduced, and then the composition architecture of display system simulator. This paper gives a detailed introduction of the hardware configuration, avionics network configuration, interactiveinterface and logic processing of display system simulator. Finally, the acceptance test procedure verified the display system simulator by IMA System. The results show the system can satisfy the functional and performance requirements.

civil aircraft;IMA System; display system simulator,avionics network, human-machine interaction

10.19416/j.cnki.1674-9804.2017.02.022

V241

A

沈 佳 男，碩士，工程師，主要研究方向為航電系統測試和綜合驗證技術；E-mail: shen_jia@careri.com

徐志鑫 男，碩士，工程師，主要研究方向為航電系統測試和綜合驗證技術；E-mail: xu_zhixin@careri.com

謝 寒 男，學士，主要研究方向為航電系統測試和綜合驗證技術；E-mail: xie_han@careri.com

謝祥南 男，碩士，主要研究方向為航電系統測試和綜合驗證技術；E-mail: xie_xiangnan@careri.com