基于指令控制的可重構(gòu)機(jī)載顯控系統(tǒng)仿真

王志樂(lè)，付戰(zhàn)平，周秀芝

(海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)軍用虛擬仿真研究與訓(xùn)練中心，山東 青島 266041)

1 概述

顯示與控制系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱顯控)作為現(xiàn)代飛機(jī)綜合航空電子系統(tǒng)的核心部分，既負(fù)責(zé)管理航空電子系統(tǒng)的工作模式和狀態(tài)，又對(duì)座艙內(nèi)的各種操作進(jìn)行處理[1]，顯示其他系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)，通過(guò)各型顯示裝置向飛行員輸出顯示信息[2]。

顯控系統(tǒng)仿真是模擬器研制的重要組成部分[3-4]。傳統(tǒng)的顯控系統(tǒng)仿真都基于顯示畫(huà)面，整理顯控中主要的顯示畫(huà)面，然后對(duì)畫(huà)面菜單進(jìn)行分級(jí)開(kāi)發(fā)，編寫(xiě)畫(huà)面間的切換邏輯，交聯(lián)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理集中在畫(huà)面開(kāi)發(fā)中完成，如某型飛機(jī)多功能顯示系統(tǒng)的仿真[5]，此方法會(huì)增加邏輯編寫(xiě)的復(fù)雜度，易造成畫(huà)面重疊出現(xiàn)，多個(gè)顯示終端的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性不好；而且系統(tǒng)的靈活性和通用性差，當(dāng)研制同一型號(hào)另一功能模擬器或者應(yīng)用于虛擬環(huán)境的訓(xùn)練系統(tǒng)時(shí)無(wú)法適應(yīng)，而模擬器的研制費(fèi)用昂貴，因此在現(xiàn)有模擬器基礎(chǔ)上進(jìn)行新的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)尤為重要[6-8]，NASA的LaSRS++項(xiàng)目使用面向?qū)ο蠹夹g(shù)設(shè)計(jì)的模擬器框架進(jìn)行了多年持續(xù)的改進(jìn)，項(xiàng)目代碼復(fù)用率達(dá)96%[9-10]。所以，采用可重構(gòu)的技術(shù)研制的模擬器仿真軟件才能適應(yīng)模擬器的發(fā)展[11]。本文在進(jìn)行顯控系統(tǒng)仿真時(shí)，將前臺(tái)顯示部分和后臺(tái)控制處理軟件分開(kāi)設(shè)計(jì)，結(jié)合軟件的可重構(gòu)特性、代碼和設(shè)計(jì)模式的可復(fù)用性，提出一種基于指令控制方式的顯控系統(tǒng)仿真方法，在編寫(xiě)后臺(tái)圖元控制和數(shù)據(jù)處理軟件時(shí)無(wú)須考慮有多少顯示畫(huà)面以及顯示畫(huà)面之間的切換關(guān)系，以提高顯控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)效率和可靠性，以及模擬器研制的重構(gòu)能力。

2 軟件功能結(jié)構(gòu)

顯控處理系統(tǒng)從軟件結(jié)構(gòu)上劃分包括綜合任務(wù)處理機(jī)軟件和圖元顯示軟件。

(1)綜合任務(wù)處理機(jī)軟件作為顯控后臺(tái)軟件(簡(jiǎn)稱處理機(jī)軟件)，主要完成與各個(gè)交聯(lián)機(jī)載系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理與收發(fā)、航電顯示軟件的邏輯處理和畫(huà)面圖元組織繪制。

(2)圖元顯示軟件作為顯控前臺(tái)軟件，呈現(xiàn)給訓(xùn)練人員的是可視化的圖形圖象和操作菜單，該軟件主要接收處理機(jī)軟件發(fā)送的圖元指令信息，解析指令信息后通過(guò)圖形圖象處理算法完成圖元的繪制和顯示。

為了使顯控系統(tǒng)框架和代碼能夠復(fù)用，主要采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，另外實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的重構(gòu)必須使軟件設(shè)計(jì)完全與硬件脫離，因此，在顯控系統(tǒng)和多功能顯示器(MFD)、多功能鍵盤(pán)(MFK)等硬件之間的通信必須通過(guò)測(cè)控中間軟件完成。顯控系統(tǒng)交互結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 顯控系統(tǒng)交互結(jié)構(gòu)

3 仿真軟件設(shè)計(jì)

由于顯控系統(tǒng)需要顯示的內(nèi)容比較多，圖形圖像運(yùn)算量比較大，邏輯解算和數(shù)據(jù)處理量很大，而且對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求較高，同時(shí)又具有一定的可重構(gòu)性和維護(hù)性，因此對(duì)仿真軟件的設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵。

3.1 軟件仿真環(huán)境

處理機(jī)仿真軟件選用Visual C++.Net，采用面向?qū)ο蟮念愰_(kāi)發(fā)技術(shù)為主，將處理機(jī)仿真軟件各個(gè)功能分別封裝成類進(jìn)行調(diào)用，圖元顯示軟件采用專業(yè)的儀表仿真軟件GL Studio。

GL Studio[12]是DISTI公司為儀表仿真軟件開(kāi)發(fā)提供的一套系統(tǒng)解決方案，用來(lái)創(chuàng)建實(shí)時(shí)、二維或三維、照片級(jí)的互動(dòng)圖形界面[13]。

用戶可以利用其圖形交互界面以所見(jiàn)即所得的方式來(lái)完成儀表面板的制作，通過(guò)代碼編輯器調(diào)用GL Studio及Windows提供的API來(lái)完成儀表內(nèi)圖元的控制，因此，可以利用GL Studio實(shí)現(xiàn)圖元顯示軟件的開(kāi)發(fā)。GL Studio仿真儀表能被創(chuàng)建成可執(zhí)行文件(.exe)、動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)(.dll)、ActiveX控件，可以很方便地用于模擬器的重構(gòu)。

3.2 軟件仿真架構(gòu)的設(shè)計(jì)

根據(jù)仿真功能，可以將處理機(jī)軟件劃分為指令畫(huà)面繪制類、邏輯控制類、數(shù)據(jù)處理類，系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖2所示。在圖2中，元件是指開(kāi)關(guān)、按鈕等某一器件，僅發(fā)出信號(hào)和狀態(tài)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的C/S模式，描述了航電顯控系統(tǒng)與圖元顯示軟件的交互關(guān)系和交互方式，該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)兼容了顯控硬件設(shè)備和純虛擬顯控設(shè)備2種研制模式。

圖2 系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

處理機(jī)軟件仿真包括利用指令進(jìn)行繪制圖元形成顯示畫(huà)面、鍵盤(pán)控制邏輯，以及與各個(gè)系統(tǒng)交聯(lián)數(shù)據(jù)的運(yùn)算處理。

指令是指用戶自定義的圖元繪制和控制接口。該指令包含指令代碼和特征字。每調(diào)用完一個(gè)指令之后會(huì)將每個(gè)圖元指令代號(hào)和圖元特征以十六進(jìn)制數(shù)存放在unsigned short數(shù)組中，形成指令幀。由網(wǎng)絡(luò)模塊通過(guò)UDP方式發(fā)送給圖元顯示軟件。

鍵盤(pán)邏輯控制包括MFK、MFD周邊鍵。按壓鍵盤(pán)之后，將鍵盤(pán)的RS485信號(hào)和狀態(tài)發(fā)送給測(cè)控中間件，該軟件將接受的信號(hào)重新編碼，形成新的協(xié)議發(fā)送給處理機(jī)仿真軟件。與各個(gè)系統(tǒng)交聯(lián)數(shù)據(jù)的運(yùn)算處理主要是將系統(tǒng)輸入的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行二次加工，通過(guò)計(jì)算產(chǎn)生飛行員等使用人員所關(guān)心的一些數(shù)據(jù)，以易讀易交互的數(shù)據(jù)方式顯示在圖元顯示軟件上。

3.3 指令模型的構(gòu)建

處理機(jī)軟件繪制圖元在顯示軟件上的畫(huà)面時(shí)，通過(guò)調(diào)用指令來(lái)完成。處理機(jī)軟件將構(gòu)成畫(huà)面的指令幀存儲(chǔ)在數(shù)組_BUFF[2048]中。

指令幀的信息字段如表1所示。在表1中，每一個(gè)指令和指令數(shù)據(jù)(圖元特征)都按順序排列在數(shù)組中，當(dāng)畫(huà)面繪制完畢之后調(diào)用結(jié)束指令。根據(jù)顯示畫(huà)面的符號(hào)特征可以把圖元指令分為通用指令和特殊指令。

表1 指令幀的信息字段

3.3.1 通用指令

通用指令用于繪制矩形、圓弧、直線等圖形，繪制字母、數(shù)字、漢字和標(biāo)點(diǎn)符號(hào)。

多功能顯示器(MFD)以象素點(diǎn)為衡量單位，從上至下為0～1023；從左至右為0～767，顯示器左上角為(0,0)點(diǎn)。因此，用指令描述圖元坐標(biāo)x,y時(shí)同樣采用象素點(diǎn)，編碼方式為二進(jìn)制編碼；字母、數(shù)字、漢字和標(biāo)點(diǎn)符號(hào)的編號(hào)采用內(nèi)碼方式實(shí)現(xiàn)。字母、數(shù)字編碼的低8位與ASCII碼的碼值相同，高8位為0。例如圓(弧)指令和字符顯示指令，見(jiàn)表2和表3。

表2 圓(弧)指令

表3 字符顯示指令

特征字的格式為0xXXXX(16 進(jìn)制)：

字號(hào)：為0，表示16號(hào)字體；為1，表示10號(hào)字體。

閃爍：為0，表示不閃爍，為1，表示閃爍。

顏色：根據(jù)需要自定義。

3.3.2 特殊指令

特殊圖符指令：繪制特殊的圖符。除通用圖符以外的所有符號(hào)。需要一一定義圖符的指令代碼和特征描述，如圖3飛行姿態(tài)所示，指令描述如表4所示。數(shù)據(jù)字1的單位為°，編碼方式為二進(jìn)制編碼，最低位為0.1；數(shù)據(jù)字2的單位為°，編碼方式為二進(jìn)制編碼，最低位為0.1。

圖3 飛行姿態(tài)圖符

表4 飛行姿態(tài)顯示指令

3.4 圖元顯示軟件的構(gòu)建

圖元顯示軟件利用GL Studio進(jìn)行開(kāi)發(fā)，通過(guò)接收處理機(jī)軟件發(fā)送的繪制顯示頁(yè)面指令集，完成每一個(gè)圖元的實(shí)時(shí)繪制和刷新，具體流程如圖4所示。對(duì)于圖元顯示軟件來(lái)說(shuō)，所有的圖元處理函數(shù)都在GL Studio動(dòng)態(tài)庫(kù)中完成，主要包括指令解析、通用圖元處理算法和特殊圖元處理算法。

圖4 圖元的構(gòu)建

3.4.1 指令解析

任務(wù)處理機(jī)軟件將頁(yè)面繪制的所有指令轉(zhuǎn)為16進(jìn)制數(shù)后以字符串發(fā)送給GL Studio動(dòng)態(tài)庫(kù)，再在內(nèi)部還原成short型數(shù)組iReBuffer[2048]，此方法解決了GL Studio對(duì)外只提供Property交互方式，實(shí)現(xiàn)了只用一個(gè)屬性完成大數(shù)據(jù)量的交互。圖5是指令解析N-S算法的流程。字符串轉(zhuǎn)換之后，通過(guò)遍歷數(shù)組chReBuffer獲得每一個(gè)指令及其特征數(shù)據(jù)，解析指令后調(diào)用繪制函數(shù)完成圖元的繪制。

圖5 指令解析N-S算法流程

3.4.2 圖元處理

頁(yè)面上顯示的每一個(gè)圖元都是利用指令數(shù)據(jù)(圖元特征)進(jìn)行計(jì)算處理后完成正確顯示的。通用指令的圖元是通過(guò)GL Studio提供的接口動(dòng)態(tài)創(chuàng)建的；特定圖元是通過(guò)加載貼圖后，調(diào)用GL Studio提供的接口驅(qū)動(dòng)。

通用指令通過(guò)定義各自的容器來(lái)存放，優(yōu)點(diǎn)是可以動(dòng)態(tài)存放不定數(shù)量的圖元數(shù)據(jù)；容器是一個(gè)多功能的，能夠操作多種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法的模板類和函數(shù)庫(kù)，可以很方便地處理其中的數(shù)據(jù)。

首先根據(jù)指令及數(shù)據(jù)定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，然后定義指令數(shù)據(jù)容器，將相同的圖元數(shù)據(jù)存放在容器中(如字符串、航路點(diǎn)、航線等)。本文以字符圖元和圓(弧)圖元進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖元處理過(guò)程如圖6所示。然后根據(jù)容器中圖元的數(shù)據(jù)調(diào)用GL Studio提供的接口動(dòng)態(tài)繪制圖元、驅(qū)動(dòng)圖元顯示或者運(yùn)動(dòng)，圖元都存儲(chǔ)在對(duì)象容器中。動(dòng)態(tài)繪制圖元流程如圖7所示。再根據(jù)容器中圖元的數(shù)據(jù)調(diào)用GL Studio提供的接口動(dòng)態(tài)繪制圖元、驅(qū)動(dòng)圖元顯示或者運(yùn)動(dòng)，圖元都存儲(chǔ)在對(duì)象容器中。動(dòng)態(tài)繪制圖元流程如圖7所示。

圖6 圖元處理過(guò)程

圖7 動(dòng)態(tài)繪制圖元流程

4 仿真應(yīng)用分析

該仿真方法已成功應(yīng)用于某型飛機(jī)模擬器。處理機(jī)軟件運(yùn)行在Inter(R)Core(TM)2 CPU 4300@1.80 GHz、內(nèi)存1 GB、顯卡NVIDIA GeForce9300硬件條件下，圖元顯示軟件運(yùn)行在單板機(jī)上，圖8和圖9是該型模擬器顯控運(yùn)行部分的效果。定義指令幀unsigned short_BUFF[2048]，經(jīng)過(guò)對(duì)每一個(gè)頁(yè)面指令幀分析發(fā)現(xiàn)，2048的空間足夠顯控系統(tǒng)圖元數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，在測(cè)試過(guò)程中結(jié)合了模擬器的飛行和武器操縱功能，圖元驅(qū)動(dòng)的實(shí)時(shí)性完全滿足飛行訓(xùn)練需求。對(duì)圖元較多較復(fù)雜的頁(yè)面做分析，如表5所示。

圖8 導(dǎo)航界面

圖9 駕駛界面

表5 指令存儲(chǔ)與圖元驅(qū)動(dòng)仿真時(shí)間

顯控系統(tǒng)操作響應(yīng)的實(shí)時(shí)性會(huì)嚴(yán)重影響模擬器的性能，進(jìn)而影響飛行員訓(xùn)練的逼真度和效果。影響軟件實(shí)時(shí)性的主要因素是處理機(jī)軟件接受用戶操作信號(hào)后，進(jìn)行邏輯運(yùn)算、組織顯示畫(huà)面的時(shí)間。由于顯控系統(tǒng)畫(huà)面復(fù)雜多變，因此邏輯關(guān)系的解算極其復(fù)雜，傳統(tǒng)仿真方法是基于畫(huà)面一一進(jìn)行仿真，邏輯判斷及嵌套很深，有時(shí)候一個(gè)菜單一個(gè)符號(hào)的改變都要作為一個(gè)畫(huà)面進(jìn)行制作驅(qū)動(dòng)，很容易出現(xiàn)菜單或符號(hào)等重疊出現(xiàn)或者畫(huà)面多次操作后顯示不對(duì)。表6和表7給出了2種設(shè)計(jì)方式邏輯解算的效率。

表6 基于指令邏輯的處理時(shí)間

表7 基于畫(huà)面邏輯的處理時(shí)間

該型顯控仿真軟件同時(shí)應(yīng)用于該型直升機(jī)雷達(dá)仿真模擬器，無(wú)須改動(dòng)指令和處理機(jī)軟件，直接在圖元顯示軟件上疊加雷達(dá)仿真視頻，實(shí)現(xiàn)了軟件重構(gòu)，見(jiàn)圖10。同樣該顯控仿真軟件應(yīng)用于別的機(jī)型時(shí)，通用指令和特殊指令的圖元顯示軟件無(wú)需改變，只需要修改處理機(jī)軟件，通過(guò)調(diào)用指令來(lái)組織新的畫(huà)面。

圖10 疊加雷達(dá)視頻界面

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)現(xiàn)代飛機(jī)模擬器研制過(guò)程中顯控系統(tǒng)仿真存在的局限性和不穩(wěn)定性，本文綜合考慮顯控邏輯處理和圖元顯示構(gòu)建，提出一種基于指令重構(gòu)技術(shù)構(gòu)建顯控頁(yè)面的方法，仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果的定性定量分析表明，該方法有效地簡(jiǎn)化了系統(tǒng)仿真的過(guò)程，降低邏輯復(fù)雜度，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性，并且可以有效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的變更。今后需要進(jìn)一步對(duì)圖元特征進(jìn)行抽象，完善顯控后臺(tái)邏輯仿真方法，構(gòu)建顯控仿真通用平臺(tái)。

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