機(jī)載座艙實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 迪 呂秋曉 楊新中

機(jī)載座艙實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 迪 呂秋曉 楊新中

本文闡述了當(dāng)前保證試飛安全所面臨的問題，提出加裝機(jī)載座艙實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的必要性，并詳細(xì)描述了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計(jì)、關(guān)鍵技術(shù)，以及該系統(tǒng)在型號(hào)試飛中發(fā)揮的重要作用。

在飛行試驗(yàn)過程中，為保證型號(hào)設(shè)計(jì)定型的順利進(jìn)行，提高試飛效率和安全性，對(duì)飛機(jī)姿態(tài)，過載，速度等飛機(jī)操作性，穩(wěn)定性的測(cè)試數(shù)據(jù)需進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。隨著近幾年新型號(hào)的不斷涌現(xiàn)，且頻譜資源的匱乏，當(dāng)前的地面遙測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)無法完全保障監(jiān)控需求。并且在外場(chǎng)試飛時(shí)，沒有相應(yīng)的遙測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)作為安全保障。因此針對(duì)大型運(yùn)輸機(jī)/轟炸機(jī)、直升機(jī)這類具有較大座艙空間的飛機(jī)，研制一種試飛階段特有的機(jī)載設(shè)備：機(jī)載座艙實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過采集系統(tǒng)接收關(guān)測(cè)試參數(shù)后，進(jìn)行實(shí)時(shí)處理與綜合顯示，在沒有遙測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的情況下，將試飛危險(xiǎn)科目的關(guān)鍵，特殊測(cè)試參數(shù)集中合理的展示給試飛員，使其對(duì)當(dāng)前的飛機(jī)狀態(tài)有準(zhǔn)確，實(shí)時(shí)的了解，進(jìn)而高效安全地完成試飛任務(wù) 。

目前，國外在試飛安全保障、機(jī)載測(cè)試數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示領(lǐng)域的相關(guān)研究開展較早，相關(guān)技術(shù)產(chǎn)品也較為成熟。歐美，俄羅斯等國都有類似的加裝顯示設(shè)備，并且向著低成本，通用性，擴(kuò)展性，兼容性的測(cè)試需求方向發(fā)展，具有了符合自身測(cè)試需求的、完善的采集，調(diào)度，交互，安全等方面的理論研究和應(yīng)用平臺(tái)。由于機(jī)載座艙實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)使用范圍的特殊性，國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的研究還比較少，并且國外的相關(guān)產(chǎn)品設(shè)備不符合我國當(dāng)前試飛測(cè)試需求（如參數(shù)采集規(guī)格、尺寸大小、數(shù)據(jù)接口、顯示效果等），因此，需研發(fā)適用于我國試飛測(cè)試領(lǐng)域需求的座艙實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)。

系統(tǒng)概述

機(jī)載座艙實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)大致可以分為數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理，人機(jī)互動(dòng)接口，數(shù)據(jù)可視化顯示四個(gè)模塊（圖1）。為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的系統(tǒng)功能，系統(tǒng)以嵌入式X86構(gòu)架QSEVEN模塊為CPU核心，集成相關(guān)的接口、數(shù)據(jù)采集、電源板等模塊，搭載嵌入式操作系統(tǒng)XPE，在其上開發(fā)應(yīng)用軟件完成各個(gè)功能。主要以飛行試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，完成數(shù)據(jù)處理、人機(jī)互動(dòng)、可視化處理后，將試飛科目所需的關(guān)鍵參數(shù)顯示在當(dāng)前畫面，并且具有安全告警、操作輔助決策、數(shù)據(jù)回放查看、數(shù)據(jù)圖像存儲(chǔ)等輔助功能。

硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

作為機(jī)載加裝產(chǎn)品，其形狀，功耗，重量都有一定的制約因素。為滿足其加裝需求，CPU模塊我們選用德商康佳特的conga－QA，該模塊對(duì)內(nèi)存和存儲(chǔ)空間要求不高的系統(tǒng)，可大大提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并簡化系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要分為：CPU模塊，數(shù)據(jù)采集模塊以及顯示模塊。其中數(shù)據(jù)采集模塊作為最主要的功能模塊，可實(shí)現(xiàn)模擬量，開關(guān)量和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的采集接收，之后經(jīng)CPU模塊處理轉(zhuǎn)發(fā)至顯示模塊進(jìn)行顯示。其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊作為該系統(tǒng)的重要部分，實(shí)現(xiàn)了模擬量，開關(guān)量和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的采集和接受。其中CPU模塊conga－QA提供了一路以太網(wǎng)數(shù)據(jù)接口，因此采集模塊主要設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于FPGA的數(shù)據(jù)采集功能。待采集的模擬信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)節(jié)后放大到合適的電平范圍，送入到工作于交叉采樣模式A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)化后的數(shù)字信號(hào)直接送至FPGA控制器，在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換后經(jīng)過數(shù)據(jù)緩沖后，存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)緩存器中，等待PCIE總線的讀取信號(hào)。開關(guān)量信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路后，直接送至FPAG控制器，并存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)緩存其中，等待PCI－E總線的讀取信號(hào)。由于PCI－E接口傳輸速率大于信號(hào)采集速率，因此可以保證數(shù)據(jù)的不丟失。其工作原理如圖3所示。

其中系統(tǒng)控制模塊完成采集數(shù)據(jù)上傳、主機(jī)命令的下發(fā)和執(zhí)行。系統(tǒng)控制采用有限狀態(tài)機(jī)的控制方式。當(dāng)系統(tǒng)上電后控制器默認(rèn)進(jìn)入初始化狀態(tài)，完成默認(rèn)參數(shù)的配置，包括采樣頻率、觸發(fā)方式、時(shí)鐘選擇、模擬輸入量程等，初始化執(zhí)行完畢后進(jìn)入空閑狀態(tài)，等待接收主機(jī)命令和執(zhí)行操作；當(dāng)接收到啟動(dòng)采集的命令后，控制器將AD數(shù)據(jù)輸入到數(shù)據(jù)緩存區(qū)，等待主機(jī)上傳數(shù)據(jù)；如此反復(fù)循環(huán)工作，直到收到主機(jī)停止采集的命令再返回到空閑狀態(tài)。其工作原理圖如圖3所示。

圖1 機(jī)載座艙實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 機(jī)載座艙實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

圖3 系統(tǒng)控制模塊工作原理圖

圖4 機(jī)載座艙實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)構(gòu)架

軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)作為機(jī)載座艙實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的核心處理子系統(tǒng)，其邏輯構(gòu)架如圖4所示，主要分為三部分：網(wǎng)絡(luò)接收，數(shù)據(jù)處理顯示以及鍵盤輸入邏輯識(shí)別。實(shí)現(xiàn)以數(shù)字、曲線、告警燈、圖像等多形式、多參數(shù)、多畫面的飛機(jī)狀態(tài)信息綜合顯示，并且具有試飛參數(shù)回放保存、輔助決策等功能。

網(wǎng)絡(luò)接收模塊是基于UDP協(xié)議設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的，在機(jī)載采集系統(tǒng)將顯示參數(shù)以以太網(wǎng)數(shù)據(jù)格式發(fā)送至接收端口后，采用Windows Socket套接字實(shí)現(xiàn)端口號(hào)的綁定與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的接收。并通過設(shè)定相應(yīng)的計(jì)數(shù)變量來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的過濾，來避免發(fā)生數(shù)據(jù)堵塞現(xiàn)象。相比與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集傳輸模式（參數(shù)和傳輸通道一一對(duì)應(yīng)），以太網(wǎng)傳輸模式具有傳輸數(shù)據(jù)速率高、系統(tǒng)組建靈活、易擴(kuò)展、標(biāo)準(zhǔn)化程度高等諸多優(yōu)點(diǎn)，可在不影響原有的機(jī)載系統(tǒng)的情況下，實(shí)現(xiàn)采集參數(shù)的增減與修改。

數(shù)據(jù)處理顯示模塊則主要實(shí)現(xiàn)基于顯示參數(shù)的實(shí)時(shí)處理和實(shí)時(shí)顯示。在實(shí)時(shí)處理過程中，程序調(diào)用校線程序選擇相應(yīng)參數(shù)的校線數(shù)據(jù)，之后進(jìn)行計(jì)算實(shí)現(xiàn)參數(shù)源碼向物理量的轉(zhuǎn)換。并將所得結(jié)果存儲(chǔ)用于實(shí)時(shí)顯示和參數(shù)回放。在機(jī)載采集系統(tǒng)中，單個(gè)機(jī)箱的發(fā)包速率為每秒64到256個(gè)數(shù)據(jù)包，假設(shè)每個(gè)數(shù)據(jù)包具有50個(gè)參數(shù)，在實(shí)時(shí)處理時(shí)要實(shí)現(xiàn)一次校線調(diào)用（單個(gè)參數(shù)校線碼值個(gè)數(shù)為10）和一次物理量計(jì)算，因此每秒需要計(jì)算次數(shù)約為256000次，而系統(tǒng)CPU模塊可搭載1G DDR2 533的板載內(nèi)存，因此完全可以實(shí)現(xiàn)顯示參數(shù)的實(shí)時(shí)處理。在實(shí)時(shí)顯示過程中，數(shù)值曲線由右向左動(dòng)態(tài)顯示。所有參數(shù)后臺(tái)處理，如有參數(shù)超限情況發(fā)生，則在告警區(qū)域進(jìn)行顯示。

圖5 單線程輪詢數(shù)據(jù)采集處理流程

鍵盤輸入邏輯識(shí)別模塊中，通過鍵盤完成顯示畫面的設(shè)置。主要功能有：切換，設(shè)置，遞增，遞減，配平，截屏，回放，確認(rèn)八個(gè)功能。實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的顯示畫面切換，坐標(biāo)系和目標(biāo)極值的設(shè)置，配平信息的輸入，畫面截屏，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回放，輸入信息確認(rèn)等功能。

關(guān)鍵技術(shù)

在座艙顯示器系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過程中，關(guān)鍵技術(shù)主要有：（1）多源地址數(shù)據(jù)采集技術(shù)；（2）輔助決策功能實(shí)現(xiàn)。

多源地址數(shù)據(jù)采集技術(shù)

座艙顯示器實(shí)現(xiàn)測(cè)試參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示需要的重要前提是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的接收。在大型飛機(jī)的測(cè)試系統(tǒng)中，有多個(gè)數(shù)據(jù)采集機(jī)箱，而顯示參數(shù)則可能分散在多個(gè)機(jī)箱中，由于每個(gè)機(jī)箱中定義的數(shù)據(jù)包長度和發(fā)送頻率各不相同，因此，如果用通常的設(shè)計(jì)方法，即對(duì)每個(gè)機(jī)箱發(fā)送的目的端口地址啟動(dòng)相應(yīng)的接收任務(wù)來進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，這樣有可能產(chǎn)生十幾個(gè)任務(wù)線程，這對(duì)CPU的實(shí)時(shí)處理和線程的優(yōu)先調(diào)度設(shè)定都是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。為解決這一問題，設(shè)計(jì)采用單線程輪詢各個(gè)機(jī)箱的方式來實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)采集任務(wù)的處理流程如圖5所示。

在單線程輪詢數(shù)據(jù)采集處理流程中，所有源地址發(fā)送的數(shù)據(jù)只有在該任務(wù)線程被調(diào)用的時(shí)候才接受緩存數(shù)據(jù)，其他時(shí)刻都處于掛起狀態(tài)。由于采用單線程輪詢的處理方法，則必然會(huì)造成一定的數(shù)據(jù)顯示延遲，考慮調(diào)用一次線程的時(shí)間為10ms（包括接收數(shù)據(jù)時(shí)間），則當(dāng)多源地址機(jī)箱個(gè)數(shù)在10到20個(gè)時(shí)，可以保證每秒更新參數(shù)5到10次，考慮人眼的分辨率，這樣的更新速率可以滿足實(shí)時(shí)顯示的需求。

輔助決策功能設(shè)計(jì)

圖6 機(jī)載座艙實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)參數(shù)顯示畫面

圖7 操作桿位置信息顯示畫面

加裝機(jī)載實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)后，在相應(yīng)的試飛科目中，試飛員通過觀察參數(shù)的數(shù)值或曲線變化，完成參數(shù)判讀，做出相應(yīng)的操作動(dòng)作。在高風(fēng)險(xiǎn)高機(jī)動(dòng)性的試飛任務(wù)中，盡可能的減少試飛員的判讀時(shí)間，則可以最大限度的保證試飛安全。因此我們?cè)谠O(shè)計(jì)的座艙顯示系統(tǒng)中，通過一定的標(biāo)識(shí)，提示等圖像曲線信息，向試飛員提供一定的判決信息，以此來減少試飛員的判讀時(shí)間，保證試飛安全和提高試飛效率。相關(guān)輔助決策功能體現(xiàn)在：參數(shù)目標(biāo)機(jī)制設(shè)置功能，回放截屏功能，參數(shù)告警功能。

參數(shù)目標(biāo)值顯示設(shè)置功能

軟件界面提供由鍵盤設(shè)置參數(shù)目標(biāo)值的功能。根據(jù)試飛科目內(nèi)容，設(shè)置好該極限性能目標(biāo)值后，可在操作飛機(jī)過程中需逐步的、循序漸進(jìn)的逼近極限值，若數(shù)值達(dá)到這一目標(biāo)曲線時(shí)，試飛員就可以迅速獲取這一參數(shù)信息：已達(dá)到試飛任務(wù)需求。之后就可將飛機(jī)從極限狀態(tài)恢復(fù)。該功能的設(shè)置，可以有效減小試飛員的判讀信息時(shí)間，保證試飛安全的前提下提高飛行效率。

參數(shù)回放、截屏功能

在進(jìn)行復(fù)雜或者快速試飛操作時(shí)，短的時(shí)間內(nèi)完成一個(gè)試飛動(dòng)作后，試飛員有可能專注操作而無暇觀看此時(shí)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，因此，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)回放觀看功能。完成該機(jī)動(dòng)操作之后，通過鍵盤按鍵進(jìn)入回放界面，觀看上一操作動(dòng)作的試飛參數(shù)值，來判斷是否達(dá)到試飛任務(wù)需求。并且可以通過截屏功能將該屏畫面的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以圖片形式記錄下來，便于試飛任務(wù)結(jié)束后進(jìn)行數(shù)據(jù)查看和討論。

參數(shù)告警功能

本功能主要是完成后臺(tái)數(shù)據(jù)處理的快速運(yùn)算，在試飛過程中，當(dāng)前顯示界面為其他主要參數(shù)時(shí)，若其他某一性能參數(shù)超過其設(shè)計(jì)極值或科目需求極限值時(shí)，則在當(dāng)前顯示界面發(fā)出相應(yīng)的告警信號(hào)，試飛員通過告警按鍵切換至告警界面，觀察告警信息。

界面設(shè)計(jì)

圖6為機(jī)載座艙實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)中參數(shù)顯示畫面。包含了參數(shù)值的時(shí)序顯示曲線、目標(biāo)極值的顯示設(shè)置、告警信息標(biāo)識(shí)等。試飛員通過觀察參數(shù)數(shù)值是否達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)值，就可以直觀迅速的判斷當(dāng)前操作是否滿足任務(wù)需求。極大的方便了試飛員完成操作任務(wù)。

圖7為某型飛機(jī)在完成某試飛科目時(shí)設(shè)計(jì)的操作桿位置信息顯示畫面。該畫面中試飛員可以設(shè)置操作桿的目標(biāo)軌跡曲線（如圖中黃色圓圈所示），藍(lán)色小點(diǎn)為此刻操作桿相對(duì)于配平圓點(diǎn)（綠色十字小坐標(biāo)）的位移位置。該畫面可以幫助試飛員更好的完成試飛任務(wù)，提高飛行效率。并且在畫面左側(cè)顯示出當(dāng)前桿相對(duì)于配平坐標(biāo)的坐標(biāo)值。

結(jié)束語

機(jī)載座艙綜合顯示系統(tǒng)以保證試飛安全為目的，減少了試飛遙測(cè)監(jiān)控的需求。實(shí)現(xiàn)了顯示系統(tǒng)小型化、網(wǎng)絡(luò)化、綜合顯示、輔助決策等功能，有效保證了試飛安全，縮短了試飛周期，能安全高效保證國家重點(diǎn)型號(hào)試飛任務(wù)。目前該顯示器已經(jīng)安裝在多個(gè)新機(jī)上，受到試飛員的一致好評(píng)。

機(jī)載座艙綜合顯示系統(tǒng)是保證試飛安全、提高試飛效率的基礎(chǔ)技術(shù)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，新型飛機(jī)結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，試飛科目難度越來也大，需要顯示的參數(shù)越來也多，需要的相關(guān)功能也越來越復(fù)雜。這樣對(duì)顯示系統(tǒng)提出更嚴(yán)格的設(shè)計(jì)研發(fā)需求，因此我們需要不斷研究發(fā)展新的技術(shù)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)載座艙綜合顯示系統(tǒng)的綜合化智能化，研究信息顯示內(nèi)容與信息顯示方式對(duì)提高試飛員態(tài)勢(shì)感知的影響，使機(jī)載座艙綜合顯示系統(tǒng)在未來型號(hào)試飛任務(wù)中發(fā)揮更為突出的作用。

張 迪 呂秋曉 楊新中

中國飛行試驗(yàn)研究院

張迪（1989.6－）男，陜西黃陵，漢，研究生，工程師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)載測(cè)試；呂秋曉（1973－）女，陜西閻良，漢，研究生，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)載測(cè)試；楊新中（1956－）男，陜西閻良，漢，大專，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)載測(cè)試。

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.09.011