基于VAPS XT 的座艙顯示設計與實現

文/秦正運 葛晨 程新滿

座艙顯示（CDS: Cockpit Display System）作為與飛行員交互的第一接口，集成了飛機系統狀態顯示、飛行指令引導、偵察告警、火力攻擊等重要功能，具有信息量大，內容顯示復雜等特點。目前，國內對座艙顯示的開發主要是采用C 語言使用OpenGL 編程實現，具有工作量大、開發周期長、開發效率低、后期維護難、顯示效果差等缺點。

針對如上特點，本文引入了可視化的圖形開發工具VAPS 進行座艙顯示設計，以此來提高顯示的質量，縮短開發周期。

1 VAPS介紹

VAPS XT 是由加拿大Presagis 公司研發的人機界面設計工具，專用于航空、車輛儀表等高性能電子設備應用的設計開發。VAPS XT擁有良好的用戶界面，用戶可以利用其提供的控件來快速設計所需要的儀表圖形，具有快速、可視化等優點；并且VAPS XT 支持UDP、TCP、共享內存等方式和外界進行數據交互。在設計結束后，可通過代碼生成器將設計的圖形轉換成C++代碼，無需改動即可以應用到各個平臺上去。VAPS 已經在NH90、F-22、V-22等多個系列的飛機座艙顯示設備。

2 架構設計

座艙顯示（CDS）和用戶系統（UA）兩部分構成了座艙顯示控制軟件，CDS 作為顯示終端，接收來自UA 的畫面數據信息，這些信息包括畫面號、各個圖符的驅動數據等；CDS 向UA 反饋用戶的人機接口的交互指令信息，用于UA 控制畫面信息。

CDS 軟件主要分為兩個部分：畫面顯示和數據通訊。

VAPS 主要用于CDS 的顯示畫面的開發。首先VAPS 通過一系列強大的GUI 編輯器對顯示圖符進行建模，形成圖符庫；然后根據設計的具體需求配置圖符的屬性，添加相應的邏輯，從而組建完整的畫面。圖符庫的使用可以提高圖符控件的標準化程度，減少開發工作量，提高開發效率。

VAPS 工程與通訊應用的數據交互采用nCOM 進行。為了能夠使用nCOM，必須構建數據描述文件（DD:Data Description File），并將外部應用的數據與之映射。座艙顯示端將總線上接收的數據按照DD 文件規定的格式進行處理，才能被VAPS 工程所用。因此，我們需要根據顯示畫面的數據信息來制定DD 文件，導入VAPS 工程，并與畫面數據關聯，從而驅動畫面的動態顯示。如圖1所示。

通過對座艙顯示軟件的功能需求分析，座艙顯示軟件主要分為3 個部分:

（1）設計圖形符號庫，從中選擇相應的圖形符號控件，設置其屬性，構成畫面。

（2）根據畫面交互的要求，設計DD 文件。

（3）通信數據的I/O 處理。

3 系統實現

3.1 圖形符號及畫面開發

3.1.1 構建圖形符號

標準圖形符號設計為CDS 的基本圖形接口，CDS 的主題設計過程可以簡單的描述為圖形符號的結構和屬性設計，這實際上是為CDS 的設計引入了開放的開發模式，即隨著圖形符號部件的配置不同，座艙顯示可以呈現出不同的內容。標準圖形符號庫的構建和使用為CDS 端畫面顯示的開發實現提供支持。CDS 端畫面由各種圖形符號構成，按照相關標準設計的圖形符號，使構成的整個畫面更加規范，同時符合標準的圖符庫的構建和圖符復用，能夠提高畫面開發效率，形成家族化的畫面顯示風格，積累顯示系統開發的資產，奠定后續開發和改進的基礎。

VAPS 中包含大量圖形、字符、儀表、數據和計算控件，圖形符號設計就是通過VAPS提供的這些部件進行HMI 的圖形化開發，將這些基本圖元部件自由的組合，并通過建立圖形符號對象的輸入輸出，關聯內部控制邏輯，形成更復雜的圖形符號；設計好的圖形符號保存在圖形符號庫內，在設計畫面時，將其從庫中拖拽到設計界面，設置好圖形符號的輸入輸出數據，即可使用。

3.1.2 畫面布局

在VAPS XT 中建立一個Format 對象，從圖形符號庫選取所需的圖形符號，根據用戶需求，合理分配圖形符號位置，配置圖形符號屬性，實現整個畫面布局。

3.1.3 實現內部邏輯

VAPS XT 內部邏輯是通過數據流（Data Flow）實現的，在數據流中可以使用數值比較、邏輯判斷等VAPS 提供的語句，對各個圖符的輸入輸出數據進行邏輯判斷，實現圖符的狀態控制。

3.1.4 畫面的輸入輸出

畫面數據的輸入輸出是通過DD 文件實現的（設計方法見3.2 節），在設計好DD 文件之后，將其導入到VAPS 工程中，VAPS 工程將其視為一種數據結構類型，通過創建Data Sender/Receiver 對象，各創建一個數據接收和發送對象，這兩個對象同時映射到同一個內存空間，Data Sender 向其發送數據，Data Receiver 從內存接收數據。將這兩個對象加入到畫面中與畫面進行關聯，則完成用戶到畫面的接口操作。3.1.5 畫面測試

在畫面設計完成后，需要對畫面的顯示邏輯、接口通訊進行測試。通過設置Data Sender 對象的各個元素的值，畫面便可以通過Data Receiver 對象接收到數據，從而實現對畫面進行測試。如圖2所示。

3.2 DD文件定義

為了使兩個或多個VAPS XT 設計的應用能夠互相交聯，或者使VAPS XT 構建的應用和外部應用交聯，VAPS XT 提供了nCom 接口進行通訊。nCom 提供了DD 文件作為數據接口，通過構建Data Sender/Receiver 對象，來實現應用間的通訊。

因此，DD 文件可以作為通訊數據與畫面顯示的通道。CDS 端接收總線的通訊數據，并解析處理，將解析后的數據以DD 的格式通過nCom 傳遞給構成畫面的每個圖符模型的參數，驅動畫面中每個圖符的顯示。

DD 文件本質上是XML 格式文件，文件語法遵從XML，并在其基礎上有所簡化，一個簡單的DD 文件如下：

表1

圖1：座艙顯示架構

圖2：VAPS XT 畫面設計流程

DD 文件必須以dataDescription 為根節點，其屬性名字必須與DD 文件名一致，如上述文件為Float50.dd，文件的dataDescription 節點的屬性必須為Float50；field 為子節點，每個field 子節點都標示一個變量；每個field 節點都包換三個子節點name、type、cardinality，這三個子節點的元素分別標示變量名、變量類型、變量維數。值得一提的是，DD 文件不支持二維數組和結構體，如果想使用結構體，則必須采用DD 文件嵌套的方式。

3.3 通信數據的I/O處理

CDS 端顯示的數據從根本上來說是各個航電子系統的數據，這些數據是UA（User Application）端從總線上獲取的，然后再經過處理通過總線或者共享內存的方式傳輸到CDS 端。由于UA 端和CDS 端的硬件或者軟件配置的不同（例如系統大小端序不同、結構體對齊方式不同等），CDS 通訊應用需要把接收到的通訊數據再一次處理，轉換成VAPS工具中的DD 文件結構。

在VAPS XT 中，DD 文件最終轉換為用戶I/O 緩存，可以通過DD 的名字來索引到I/O 緩存的句柄。將CDS 處理后的數據復制到I/O 緩存里，VAPS XT 便可以獲取數據到從而驅動畫面顯示。VAPS XT 分別為C++和C 語言分別提供了索引DD 共享內存的方式，在這里我們采用的是C++方式。

VAPS XT為我們提供了一個vxtRTUserIntegrationCallbacksI 的基類，通過設計這個基類的派生類可以完成I/O 數據緩存等用戶接口的初始化。此基類提供了4 個虛函數需要實例化，具體見表1。

4 結束語

VAPS XT 工具的使用從根本上改變了座艙顯示開發方法，使得設計工作主要集中在構建畫面和數據接口上，省去了大量圖形的編程開發與調試工作，也可以很方便的將設計過程中的文件移植到不同的環境中去。VAPS XT工具的使用使得需求和設計緊密結合，快速高效迭代，從而優化了設計過程，降低開發成本。