飛行仿真中基于嵌入式Qt的CDU仿真模塊設(shè)計(jì)

周 旋，顧宏斌

(南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院，江蘇 南京 211100)

控制顯示組件(Control and Display Unit)是飛行管理系統(tǒng)中人機(jī)交互的重要部件，是飛行員在飛行訓(xùn)練中使用最多的模塊。飛行員使用CDU完成建立飛行計(jì)劃、修改航路、輸入FMC數(shù)據(jù)、檢索顯示頁(yè)面等飛行管理功能。因此，對(duì)CDU的仿真是整個(gè)飛行模擬系統(tǒng)不可或缺的部分［1］。

目前為止，在科研領(lǐng)域，對(duì)CDU的仿真主要停留在仿真CDU的按鍵輸入和頁(yè)面顯示功能，而CDU顯示的難點(diǎn)，其頁(yè)面的生成，則使用第三方軟件生成［2］，或只仿真少部分頁(yè)面［3］，無(wú)法滿足實(shí)驗(yàn)和仿真的需要。本文在基于嵌入式Linux的ARM平臺(tái)下，選擇Qt作為GUI開(kāi)發(fā)工具。參考737NG系列的CDU，歸納了頁(yè)面特性，用面向?qū)ο蟮乃枷敕庋b各級(jí)頁(yè)面，將各級(jí)頁(yè)面的信息和邏輯關(guān)系以資源文件的形式的存儲(chǔ)在SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)中，根據(jù)可修改的數(shù)據(jù)庫(kù)信息生成CDU頁(yè)面，實(shí)現(xiàn)頁(yè)面顯示功能和按鍵事件響應(yīng)，簡(jiǎn)化了CDU頁(yè)面的開(kāi)發(fā)復(fù)雜度。并使用標(biāo)準(zhǔn)鍵盤，將標(biāo)準(zhǔn)按鍵映射為CDU按鍵［4］，為開(kāi)發(fā)1:1 CDU仿真按鍵做好準(zhǔn)備。經(jīng)測(cè)試，該方案可以方便地生成CDU頁(yè)面，處理按鍵事件，并與上位機(jī)通信。在設(shè)計(jì)新型號(hào)CDU時(shí)只需修改數(shù)據(jù)庫(kù)和新建頁(yè)面變量即可生成新的頁(yè)面，滿足對(duì)不同種CDU快速開(kāi)發(fā)的需要。

1 飛行仿真中CDU模塊的功能

CDU是飛行管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(Flight Management Computer System)的人機(jī)接口，通過(guò)CDU的鍵盤向FMCS輸入飛行計(jì)劃、性能數(shù)據(jù)、修改航路、檢索各種頁(yè)面信息(如導(dǎo)航數(shù)據(jù)、性能數(shù)據(jù)、咨詢信息、故障情況、自檢信息等)［1］。

在737NG系列飛機(jī)中，CDU負(fù)責(zé)頁(yè)面顯示與發(fā)送按鍵事件。其頁(yè)面的切換與數(shù)據(jù)的處理都是由FMC處理。但是在飛行仿真中，為了使各部分功能模塊化，方便分工合作，充分利用處理性能，將頁(yè)面標(biāo)題生成和顯示，以及對(duì)按鍵事件的處理功能交給CDU仿真模塊，而上位機(jī)只負(fù)責(zé)復(fù)雜的飛行計(jì)劃的仿真。上位機(jī)與CDU仿真模塊通過(guò)UDP/IP協(xié)議通信，CDU仿真模塊將需處理的飛行數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)，經(jīng)上位機(jī)處理后發(fā)回，并在CDU仿真模塊中顯示。如圖1所示。

圖1 CDU仿真模塊的構(gòu)架

2 CDU仿真模塊設(shè)計(jì)方案

在飛行管理計(jì)算系統(tǒng)的仿真中，CDU仿真模塊負(fù)責(zé)的是頁(yè)面顯示輸出功能。其顯示功能，就是根據(jù)鍵盤的輸入，改變頁(yè)面信息或者切換頁(yè)面，并將頁(yè)面上的信息傳輸給上位機(jī)的飛行計(jì)劃處理單元。因此，事實(shí)上CDU仿真模塊主要處理的任務(wù)就是根據(jù)外部響應(yīng)切換頁(yè)面。實(shí)際的問(wèn)題就轉(zhuǎn)化為，搭建一個(gè)實(shí)現(xiàn)顯示、按鍵輸入、并與上位機(jī)通信的嵌入式系統(tǒng)。

本文使用嵌入式Linux操作系統(tǒng)+QtGui來(lái)搭建CDU仿真模塊，Linux內(nèi)核具有可裁剪的特性，可以裁剪不用的部分加快啟動(dòng)時(shí)間［5］。Qt是主流的GUI解決方案，有面向?qū)ο笮詮?qiáng)，跨平臺(tái)的特點(diǎn)［6］。由于CDU的頁(yè)面數(shù)量很大，使用SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)頁(yè)面初始化信息。SQLite是主要面向嵌入式設(shè)備，擁有ODBC接口的輕量級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)。在Qt中使用QtSQL可以方便地使用SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)功能［7］。

此外由于CDU按鍵功能的特殊性，可以將CDU功能按鈕的使能信息放在數(shù)據(jù)庫(kù)中。事實(shí)上，除了少部分特殊頁(yè)面的特殊功能以外，大部分頁(yè)面的初始化信息全部存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，只需要更改數(shù)據(jù)庫(kù)信息，就可以改變頁(yè)面的文字信息。

3 CDU仿真模塊的設(shè)計(jì)

CDU仿真模塊主要功能有頁(yè)面生成、顯示，按鍵事件響應(yīng)和網(wǎng)絡(luò)通信的功能。在系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先讀取數(shù)據(jù)庫(kù)，初始化頁(yè)面，然后接收上位機(jī)飛行計(jì)劃相關(guān)信息并顯示，根據(jù)按鍵事件做出插入、復(fù)制數(shù)據(jù)等操作，在完成某些操作后將信息傳輸給上位機(jī)。CDU仿真模塊流程如圖2所示。

圖2 CDU仿真模塊流程

圖3 頁(yè)面系統(tǒng)

3.1 頁(yè)面系統(tǒng)

搭建CDU仿真模塊的關(guān)鍵在于:如何方便地生成大量的CDU頁(yè)面;如何處理復(fù)雜的頁(yè)面邏輯關(guān)系?使用面向?qū)ο蟮姆椒?，總結(jié)歸納CDU頁(yè)面的特性，歸納的程度越高，就越能簡(jiǎn)化每個(gè)獨(dú)立頁(yè)面所需的代碼。

(1)頁(yè)面的生成

真實(shí)CDU的任何頁(yè)面系統(tǒng)都包含三個(gè)部分:頁(yè)面的標(biāo)題信息，頁(yè)面數(shù)據(jù)，頁(yè)面切換標(biāo)識(shí)。其中，標(biāo)題信息為小字顯示，頁(yè)面數(shù)據(jù)和頁(yè)面邏輯為大字顯示，如圖3所示。

飛行仿真中，CDU仿真模塊初始化頁(yè)面標(biāo)題信息和頁(yè)面邏輯，頁(yè)面數(shù)據(jù)由上位機(jī)處理生成并使用UDP傳輸給CDU仿真模塊。在初始化過(guò)程中，把頁(yè)面數(shù)據(jù)初始化為空字符，把它視作頁(yè)面切換標(biāo)識(shí)的子集。實(shí)際所有的頁(yè)面數(shù)據(jù)都由CDU仿真模塊初始化，在生成頁(yè)面時(shí)可以忽略其區(qū)別，在之后在處理頁(yè)面數(shù)據(jù)。

根據(jù)真實(shí)CDU顯示特性，頁(yè)面文字分為2類:小字體字符，包含頁(yè)面標(biāo)題信息［1］;大字體字符，包括頁(yè)面數(shù)據(jù)、頁(yè)面標(biāo)題和頁(yè)面邏輯。

總結(jié)所有CDU頁(yè)面的特點(diǎn)，可以發(fā)現(xiàn)小字體字符的位置不會(huì)變化，大字體字符有2種變化:左右分布或者左中右分布［1］。左右分布其實(shí)是左中右分布的特殊形式，即中間沒(méi)有文字。把每組字符串視為單獨(dú)的對(duì)象，創(chuàng)建繼承QLabel類的QWord類，大字符為 QWordBig，小字體字符為 QWordS-mall。創(chuàng)建繼承QWidget的QCDU類，作為CDU頁(yè)面功能的基類，包含22個(gè)QWordBig類和12個(gè)QWordSmall類。參考真實(shí)CDU的顯示特性，使用Qt的Layout排版，設(shè)置QwordBig分別左右對(duì)齊，中間對(duì)齊，并根據(jù)字符的長(zhǎng)度自動(dòng)調(diào)節(jié)QWordBig的長(zhǎng)度，在填入初始化字符串后，該方案可以模擬所有的CDU頁(yè)面。大字體字符串抽象圖如圖4所示。

圖4 大字體字符串抽象圖

(2)頁(yè)面的切換

頁(yè)面的存儲(chǔ)使用Qt的堆棧功能，頁(yè)面的切換則是使用了SQLite的查詢功能。

雖然CDU的頁(yè)面數(shù)量較大，但主要存儲(chǔ)的是文字信息，實(shí)際占用的空間并不大。在CDU模塊初始過(guò)程中，實(shí)際是初始化所有的QCDU對(duì)象。將所有的QCDU對(duì)象存儲(chǔ)在QStackWidget堆棧中，每個(gè)對(duì)象獲取唯一的堆棧號(hào)，并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過(guò)選擇堆棧號(hào)，切換相應(yīng)頁(yè)面到前臺(tái)。

真實(shí)CDU中，有3種方式切換頁(yè)面:按下具有標(biāo)準(zhǔn)選擇功能并對(duì)應(yīng)行含有“＜”或“＞”字符的按鍵;按下功能按鍵;上下翻頁(yè)鍵［1］。頁(yè)面切換功能的實(shí)質(zhì)是將行選鍵對(duì)應(yīng)的字符與頁(yè)面一一對(duì)應(yīng)起來(lái)。為此，在后頁(yè)的QCDU類中增加一組標(biāo)識(shí)字符串，其表示標(biāo)識(shí)為唯一，使之與前頁(yè)字符串一一對(duì)應(yīng)。當(dāng)按下按鍵是，程序根據(jù)行選鍵對(duì)應(yīng)的內(nèi)容，搜索數(shù)據(jù)庫(kù)，找到對(duì)應(yīng)的堆棧號(hào)，使用QStack-Widget功能切換到指定頁(yè)面。

如:真實(shí)CDU中，在位置起始頁(yè)(POS INIT)中“ROUTE＞”對(duì)應(yīng)航路頁(yè)(RTE)。因此，設(shè)置航路頁(yè)的QCDU類的標(biāo)識(shí)符為“ROUTE”。CDU仿真模塊中，按下“ROUTE＞”對(duì)應(yīng)的行選鍵后，系統(tǒng)自動(dòng)除去“＞”符號(hào)，并在數(shù)據(jù)庫(kù)中搜索“ROUTE”頁(yè)面，搜索到RTE序號(hào)為5，使用QStackWidget類，切換顯示到堆棧號(hào)為5的QCDU頁(yè)面，即RTE，同時(shí)把便簽欄數(shù)據(jù)復(fù)制到RTE中。

3.2 按鍵事件的處理

真實(shí)CDU一共有包括行選鍵、功能鍵、數(shù)字字母鍵在內(nèi)的78個(gè)按鍵，仿真與實(shí)物的移植，提高仿真效果，訂制與對(duì)應(yīng)機(jī)型CDU在鍵盤大小，按鍵布局與按鍵功能一致的鍵盤。在程序中將鍵盤的輸入映射為CDU按鍵，重新定義標(biāo)準(zhǔn)鍵盤的按鍵事件，如將F1～F6定義為左功能鍵。

功能鍵主要有12個(gè)快捷鍵，2個(gè)翻頁(yè)鍵，1個(gè)執(zhí)行鍵組成［1］。按下快捷鍵時(shí)調(diào)用QStackWidget，直接跳轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)的頁(yè)面。翻頁(yè)鍵功能與之類似，配置QCDU加入堆棧時(shí)按頁(yè)面排列，按下下一頁(yè)按鍵時(shí)候當(dāng)前頁(yè)面序號(hào)+1，即轉(zhuǎn)到下一頁(yè)。按下執(zhí)行鍵時(shí)檢測(cè)上位機(jī)發(fā)送的使能變量，判斷是否能夠執(zhí)行。

行選鍵是邏輯相對(duì)復(fù)雜的一種，每個(gè)功能鍵總計(jì)有5個(gè)功能，包括3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)功能，2個(gè)非標(biāo)準(zhǔn)功能，其中非標(biāo)準(zhǔn)功能不常用［1］。將QCDU類作為基類，實(shí)現(xiàn)3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)功能的處理函數(shù)，使用虛函數(shù)描述2個(gè)非標(biāo)準(zhǔn)功能，在子類中重寫非標(biāo)準(zhǔn)功能處理函數(shù)。3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)功能包括標(biāo)準(zhǔn)選擇功能，標(biāo)準(zhǔn)輸入功能，刪除功能。標(biāo)準(zhǔn)輸入功能和刪除功能實(shí)際是QCDU類中22個(gè)QWord數(shù)據(jù)的交換。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)選擇功能，需要對(duì)QWord中的字符串進(jìn)行判斷，在包含“＞”或“＜”進(jìn)行頁(yè)面切換，不含則與另兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)功能類似，只進(jìn)行頁(yè)面內(nèi)數(shù)據(jù)的交換。

雖然每個(gè)行選鍵在程序初始化時(shí)都有5個(gè)功能，但真實(shí)CDU系統(tǒng)中每個(gè)行選鍵都只擁有固定的幾項(xiàng)功能，如起始位置檢索頁(yè)，該頁(yè)中行選鍵都具有標(biāo)準(zhǔn)輸入功能，而沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)選擇功能［1］。CDU仿真模塊根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的信息使能行選鍵的功能，只需要修改數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)設(shè)置就能設(shè)置行選鍵的功能。

3.3 數(shù)據(jù)庫(kù)的使用

如果將頁(yè)面數(shù)據(jù)及頁(yè)面邏輯信息都存儲(chǔ)在程序中，不僅會(huì)使程序結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且擴(kuò)大了程序的體積。并且由于CDU頁(yè)面較多，當(dāng)需要建立新頁(yè)面時(shí)，要將頁(yè)面標(biāo)題數(shù)據(jù)全部輸入，對(duì)于不熟悉程序源代碼的人來(lái)說(shuō)維護(hù)較為麻煩。因此，參照程序本體/資源文件模型，將頁(yè)面中的標(biāo)題數(shù)據(jù)和邏輯信息存儲(chǔ)在資源文件中，在程序本體啟動(dòng)時(shí)讀取資源文件，根據(jù)資源文件初始化。

資源文件是一種存儲(chǔ)在硬盤中的文件，其中可以包含文字、位圖、音頻等信息。資源文件不需要經(jīng)過(guò)編譯，程序在初始化時(shí)通過(guò)特定的方式讀取資源文件，并存儲(chǔ)在內(nèi)存中。使用資源文件可以減少主程序體積，在替換資源時(shí)不用重新編譯程序，且不影響程序運(yùn)行速度。為了方便資源文件的維護(hù)和擴(kuò)展，使用SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)文件格式存儲(chǔ)資源文件。

資源文件中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)包括4個(gè)部分:

(1)頁(yè)面標(biāo)識(shí)名稱(title)。對(duì)于每一個(gè)頁(yè)面，使用一個(gè)唯一的字符型常量與其對(duì)應(yīng)，稱為頁(yè)面標(biāo)識(shí)。程序中使用該名稱區(qū)分每個(gè)頁(yè)面，確保頁(yè)面變量能從資源文件中正確讀取對(duì)應(yīng)的信息。

(2)換頁(yè)信息(pagename)，該條目與頁(yè)面邏輯有關(guān)。存儲(chǔ)的文本用作檢索名稱，用于搜索

(3)行選鍵使能信息。決定了行選鍵的功能，為了方便維護(hù)，每個(gè)使能功能以可用位置的形式存儲(chǔ)。如在位置起始頁(yè)中，L2，L3，L5，L6，R4，R5 按鍵擁有標(biāo)準(zhǔn)輸入功能，R1，R2，R3，R6擁有標(biāo)準(zhǔn)選擇功能。在數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)方式為:fselect值為7，8，9，12。fenter值為 2，3，4，5，10，11。

(4)頁(yè)面顯示信息。即CDU頁(yè)面顯示的信息，參照實(shí)際CDU系統(tǒng)輸入。

3.4 網(wǎng)絡(luò)通信

由于嵌入式系統(tǒng)的處理能力較弱，CDU仿真模塊主要處理的是頁(yè)面的生成和按鍵事件的處理，負(fù)責(zé)較復(fù)雜運(yùn)算的FMC的功能由上位機(jī)處理。由于傳輸距離很近，選擇使用UDP/IP通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。在CDU仿真模塊頁(yè)面初始化完成后，發(fā)送頁(yè)面名稱，請(qǐng)求上位機(jī)發(fā)送相應(yīng)頁(yè)面數(shù)據(jù)，根據(jù)機(jī)發(fā)送的信息顯示頁(yè)面數(shù)據(jù)。每當(dāng)進(jìn)行切換頁(yè)面操作時(shí)，CDU仿真模塊將頁(yè)面標(biāo)題、頁(yè)面數(shù)據(jù)按順序發(fā)送給上位機(jī)。

4 實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證

4.1 功能驗(yàn)證

打開(kāi)CDU仿真模塊，運(yùn)行上位機(jī)，并填入頁(yè)面數(shù)據(jù)。CDU進(jìn)入IDENT(識(shí)別檢索)頁(yè)，頁(yè)面的數(shù)據(jù)能完整顯示。按下字母按鍵，便簽欄數(shù)據(jù)改變。按下行選鍵6R，頁(yè)面切換，進(jìn)入POS INIT(位置初始化)頁(yè)，所有數(shù)據(jù)正常顯示。按下PageDown，進(jìn)入POS REF頁(yè)。按下行選鍵1L，數(shù)據(jù)被復(fù)制到便簽欄中，如圖5所示。

圖5 實(shí)物展示

4.2 增加新頁(yè)面測(cè)試

在已有頁(yè)面基礎(chǔ)上增加NAV DATA(導(dǎo)航數(shù)據(jù)頁(yè)面)。由于NAV DATA沒(méi)有非標(biāo)準(zhǔn)按鍵功能，直接使用QCdu類建立對(duì)象，插入堆棧。

QCdu*CduNavdata=new Cdu("NAV DATA");

insertcdu(CduNavdata);

數(shù)據(jù)庫(kù)中新建NAV DATA元素見(jiàn)表1。

表1

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)真實(shí)CDU頁(yè)面邏輯的分析，基于嵌入式Qt開(kāi)發(fā)環(huán)境建立了可與上位機(jī)交互的CDU仿真模塊。使用面向?qū)ο蠓抡婕夹g(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)抽象出頁(yè)面顯示特性和頁(yè)面邏輯，簡(jiǎn)化了完整CDU模塊的設(shè)計(jì)，為完全模擬CDU模塊打下基礎(chǔ)。使用標(biāo)準(zhǔn)鍵盤模擬按鍵輸入，方便調(diào)試，并具有擴(kuò)展性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能較好地模擬真實(shí)CDU的運(yùn)行，并能減少CDU頁(yè)面開(kāi)發(fā)的開(kāi)發(fā)量，適應(yīng)于各種飛行仿真環(huán)境。

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