某民用飛機(jī)顯示系統(tǒng)仿真器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

沈 佳 徐志鑫 謝 寒 謝祥南 / SHEN Jia XU Zhixin XIE Han XIE Xiangnan(上海航空無(wú)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(jī)顯示系統(tǒng)仿真器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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

航電系統(tǒng)仿真平臺(tái)以其靈活方便和低成本特點(diǎn)，支持綜合航電系統(tǒng)的預(yù)先研究、方案設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)綜合，成為綜合航電系統(tǒng)研制過(guò)程中不可或缺的設(shè)計(jì)手段。給出了IMA系統(tǒng)仿真平臺(tái)顯示系統(tǒng)仿真器的詳細(xì)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方案，首先介紹了IMA系統(tǒng)仿真平臺(tái)的組成，接著介紹了顯示系統(tǒng)仿真器的組成架構(gòu)，并對(duì)顯示系統(tǒng)仿真器的硬件配置、航電網(wǎng)絡(luò)配置、人機(jī)交互界面和邏輯處理進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。最后經(jīng)過(guò)IMA系統(tǒng)仿真試驗(yàn)樣件驗(yàn)收測(cè)試程序的測(cè)試，驗(yàn)證了顯示系統(tǒng)仿真器滿足驗(yàn)收測(cè)試程序的各項(xiàng)功能和性能要求，滿足了該型號(hào)顯示系統(tǒng)仿真器的試驗(yàn)要求。

民用飛機(jī)；IMA系統(tǒng)；顯示系統(tǒng)仿真器；航電網(wǎng)絡(luò)；人機(jī)交互

0 引言

航電系統(tǒng)被譽(yù)為現(xiàn)代飛機(jī)的大腦，其重要性不言而喻，隨著航電系統(tǒng)不斷向綜合化、模塊化的方向發(fā)展，其系統(tǒng)的復(fù)雜性，系統(tǒng)間的耦合性也不斷增加，進(jìn)而增加了系統(tǒng)的研制風(fēng)險(xiǎn)，因此在航電系統(tǒng)研制的各個(gè)階段迫切需要建立航電系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證以降低設(shè)計(jì)缺陷，提高設(shè)計(jì)成熟度。

航電系統(tǒng)仿真平臺(tái)通過(guò)對(duì)分系統(tǒng)和環(huán)境的仿真，提供系統(tǒng)驗(yàn)證所需的真實(shí)環(huán)境，完成系統(tǒng)閉環(huán)的構(gòu)建，IMA系統(tǒng)通用處理平臺(tái)作為航電系統(tǒng)綜合信息處理的核心，以其靈活方便和低成本特點(diǎn)，支持綜合航電系統(tǒng)的預(yù)先研究、方案設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)綜合以及試飛排故。成為綜合航電系統(tǒng)研制過(guò)程中不可或缺的設(shè)計(jì)手段。顯示系統(tǒng)(DS)作為IMA系統(tǒng)仿真平臺(tái)的重要部分，是飛行員與飛行系統(tǒng)進(jìn)行人機(jī)交互的主要媒介，對(duì)飛行任務(wù)的完成起著至關(guān)重要的作用，一直以來(lái)都是各航空大國(guó)飛機(jī)研制水平的重要標(biāo)志之一。

1 IMA系統(tǒng)仿真平臺(tái)的組成

IMA仿真平臺(tái)的基本組成如圖1所示。

整個(gè)IMA系統(tǒng)仿真平臺(tái)由IMA通用處理平臺(tái)，2個(gè)遠(yuǎn)程交換機(jī)(ARS)、2個(gè)RDIU以及IMA系統(tǒng)開(kāi)發(fā)調(diào)試平臺(tái)以及顯示系統(tǒng)仿真器等組成。IMA系統(tǒng)仿真平臺(tái)包含如下的基本功能。

1)通訊功能：平臺(tái)計(jì)算機(jī)能夠進(jìn)行正確通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和信息交互。

2)監(jiān)控功能：仿真器件能夠?qū)MA平臺(tái)和各子系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控。

3)冗余度：即容錯(cuò)性能。是指當(dāng)互為備份的設(shè)備，有一個(gè)出現(xiàn)某些指定的功能故障時(shí)，仿真平臺(tái)仍能正常工作。

4)功能可擴(kuò)展性：對(duì)于不同的子系統(tǒng)，在IMA平臺(tái)的駐留功能是不同的，采用模塊化設(shè)計(jì)，能夠滿足擴(kuò)展性的要求。

本顯示系統(tǒng)仿真器基于航電系統(tǒng)仿真平臺(tái)，用于仿真某型號(hào)民用飛機(jī)座艙顯示交互功能，提高后續(xù)顯示系統(tǒng)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(tǒng)重要組成部分，在IMA系統(tǒng)仿真平臺(tái)的基本框架下，由數(shù)據(jù)激勵(lì)器，通訊網(wǎng)絡(luò)，子系統(tǒng)邏輯處理單元，顯示界面等部分組成，組織架構(gòu)如圖2所示。

激勵(lì)器是由IMA系統(tǒng)開(kāi)發(fā)測(cè)試平臺(tái)上的飛行仿真軟件提供，模擬飛行的環(huán)境，飛行的狀態(tài)以及飛機(jī)自身的指示參數(shù)等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和網(wǎng)絡(luò)通訊由RDIU和ARS以及SPM內(nèi)帶的ACS共同組成。核心處理單元由SPM1/SPM3等組成，完成數(shù)據(jù)的邏輯處理和轉(zhuǎn)發(fā)，人機(jī)交互界面使用AFDX板卡作為通訊接口，使用VAPS工具繪畫(huà)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(guān)鍵技術(shù)分析與實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

一個(gè)完整的DS仿真器應(yīng)該由電源控制模塊，數(shù)據(jù)激勵(lì)器，數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)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(fù)載能力大于4 000W(使用兩套IMA系統(tǒng)開(kāi)發(fā)調(diào)試平臺(tái)時(shí))，115V交流電源用于為RDIU提供交流信號(hào)激勵(lì)，采用2個(gè)電源控制模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)其他功能模塊的供電余度,每個(gè)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(shù)據(jù)庫(kù)的工控機(jī)作為DS仿真器數(shù)據(jù)輸入源，互為備份的2塊RDIU實(shí)現(xiàn)I/O 接口和數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換功能。2臺(tái)ARS提供單通道、全雙工、高速的符合ARINC664 part7協(xié)議要求的數(shù)據(jù)交換功能，同時(shí)提供A664網(wǎng)絡(luò)的雙通道冗余。系統(tǒng)處理模塊(SPM) 滿足ARINC653要求的實(shí)時(shí)分區(qū)操作系統(tǒng)，提供對(duì)多個(gè)駐留應(yīng)用軟件的平臺(tái)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(jī)作為DS顯示單元，其中WFDX100 AFDX板卡實(shí)現(xiàn)664數(shù)據(jù)包的收發(fā)。NVIDIA Quadro 2000顯卡實(shí)現(xiàn)DS畫(huà)面的顯示和多屏拓展功能。

3.2 DS仿真器的網(wǎng)絡(luò)配置

IMA系統(tǒng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)主要完成IMA平臺(tái)的總線數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)字接口的功能，系統(tǒng)與傳感器和作動(dòng)器間的遠(yuǎn)程或分布式I/O接口(RDIUs)，連接IMA和第三方子系統(tǒng)的總線網(wǎng)絡(luò)資源，包括傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線和網(wǎng)絡(luò)(A664、A429、A825等)。IMA系統(tǒng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖4所示。

其中，DS仿真器的數(shù)據(jù)來(lái)源包括兩部分，一部分是飛行主仿真數(shù)據(jù)直接通過(guò)交換機(jī)過(guò)來(lái)，這部分的數(shù)據(jù)有AFDX格式的，可以直接通過(guò)AFDX網(wǎng)絡(luò)發(fā)送，還有部分則是像慣導(dǎo)、維護(hù)字的數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)格式是429格式的,需要經(jīng)過(guò)RDIU之后將429數(shù)據(jù)打包成664的包，然后再通過(guò)交換機(jī)發(fā)送；另一部分是來(lái)自飛行主仿真數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)SPM1系統(tǒng)處理模塊邏輯處理后的數(shù)據(jù)信息，如CAS的信息。

為了實(shí)現(xiàn)上述的數(shù)據(jù)通訊，首先要設(shè)置RDIU1、RDIU2、SPM1、SPM3、SPM4、DS(PFD)、OMS、FMS以及DS(EI)的IP地址，ARS交換機(jī)的路徑配置，RDIU的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化的初始化配置；其次，要確定各條鏈路的數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)目的，確定SPM內(nèi)部ACR交換機(jī)的配置,包括源端口，目的端口，包長(zhǎng)，BAG值，VL虛擬鏈路號(hào)，以及源端和目標(biāo)端的UDP和COM口配置，以及RDIU中需要源轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)格式和目標(biāo)數(shù)據(jù)格式的配置。具體的網(wǎng)絡(luò)配置表見(jiàn)表1。

表1 通訊鏈路配置表

由表1中第一條數(shù)據(jù)鏈為例，是DS的應(yīng)用，傳輸內(nèi)容為顯示數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)源是DS，是指數(shù)據(jù)源來(lái)自SPM1的DS邏輯處理分區(qū)，數(shù)據(jù)目的是DS仿真2(EI)，是指數(shù)據(jù)目的地為DS EI畫(huà)面顯示工控機(jī)。傳給PFD畫(huà)面的數(shù)據(jù)，一部分是以429格式傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，通過(guò)RDIU進(jìn)行429到AFDX數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)化，每個(gè)應(yīng)用都由A/B 2條鏈路來(lái)完成完全相同的任務(wù)，所有的鏈路設(shè)置都是唯一確定的。其中鏈路號(hào)300～307為PFD畫(huà)面提供數(shù)據(jù)輸入源，201鏈路為EICAS畫(huà)面提供數(shù)據(jù)輸入源，數(shù)據(jù)信息比較多，所以它的數(shù)據(jù)包包長(zhǎng)為1 518，比其他鏈路明顯要大很多。

3.3 軟件實(shí)現(xiàn)

DS仿真器軟件實(shí)現(xiàn)包括PFD(主飛行顯示)和MFD(多功能顯示)等功能和顯示畫(huà)面的實(shí)現(xiàn)。

3.3.1 功能的實(shí)現(xiàn)

在前面網(wǎng)絡(luò)配置部分有提到，VL鏈路號(hào)300～307為PFD畫(huà)面提供數(shù)據(jù)輸入源，201鏈路為MFD的EICAS畫(huà)面提供數(shù)據(jù)輸入源，數(shù)據(jù)信息比較多，所以它的數(shù)據(jù)包包長(zhǎng)為1 518，輸入源主要來(lái)自飛控(FCM)的664數(shù)據(jù)和直連的429數(shù)據(jù)。仿真激勵(lì)數(shù)據(jù)源的處理方式如圖5所示。

同一個(gè)ipSingal會(huì)有系統(tǒng)SYSTEM A 的3個(gè)或多個(gè)實(shí)例作為輸入源，經(jīng)過(guò)Selection Criteria源選擇標(biāo)準(zhǔn)和Selection Order來(lái)決定最終的輸入源，當(dāng)此輸入源失效時(shí)，選擇當(dāng)前有效輸入源中優(yōu)先級(jí)最高的。一般664數(shù)據(jù)源優(yōu)先級(jí)高于直連429數(shù)據(jù)源。

PFD畫(huà)面主要是飛行狀態(tài)和航向的顯示，主要包括當(dāng)前空速、高度、垂直速度、無(wú)線電高度、橫滾角、翻滾角，磁航向等，在具體到每一個(gè)功能部分的實(shí)現(xiàn)依據(jù)仿真設(shè)計(jì)功能需求，如根據(jù)仿真設(shè)計(jì)需求，確定空速刻度線的范圍以及空速數(shù)字顯示的范圍，空速刻度帶顯示當(dāng)前空速數(shù)值正負(fù)50的范圍等，刻度帶上只會(huì)顯示偶數(shù)數(shù)字。整個(gè)飛行過(guò)程共有11個(gè)飛行階段，輪載、空速、發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)等不同的飛行條件對(duì)應(yīng)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(lèi)似的，configuration limit speed(配置限制速度)也由如下表中的飛行配置狀態(tài)決定。

表2 飛行配置狀態(tài)表

其中，cfg1～cfg6,condition1～condition9,a～g均根據(jù)飛機(jī)自身構(gòu)型和所處的階段計(jì)算得出。在CONF01和CONF02時(shí)配置限制速度的值如圖6所示。

其中，BaroAltitude1和BaroAltitude2分別對(duì)應(yīng)于CONF01和CONF02配置狀態(tài)時(shí)的大氣高度值，BaroAltitudeLimit是飛機(jī)的最大飛行高度。黑色箭頭上方和下方分別對(duì)應(yīng)CONF01和CONF02配置狀態(tài)。當(dāng)在CONF01配置狀態(tài)時(shí)，大氣高度不大于BaroAltitude1時(shí)的配置限制速度為定值CfgSpeed1，當(dāng)大于BaroAltitude1到BaroAltitudeLimit之間時(shí)配置限制速度是隨著高度線性變化的。同樣在CONF02配置狀態(tài)時(shí)，大氣高度不大于BaroAltitude2時(shí)的配置限制速度為定值CfgSpeed2，當(dāng)大于BaroAltitude2到BaroAltitudeLimit之間時(shí)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(lái)實(shí)現(xiàn)，DSLP駐留在IMA處理平臺(tái)上，DSLP APP提供以下分系統(tǒng)的邏輯處理功能：

1)發(fā)動(dòng)機(jī)指示(Engine Indication)：為機(jī)組提供發(fā)動(dòng)機(jī)、燃油、起落架、飛控、液壓以及發(fā)動(dòng)機(jī)防冰等系統(tǒng)運(yùn)行必要的參數(shù)和系統(tǒng)狀態(tài)指示。DSLP APP根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的邏輯來(lái)處理顯示邏輯，包括數(shù)值顏色的變化、單位轉(zhuǎn)換等；

2)駕駛艙告警系統(tǒng)(FDAS, Flight Deck Alerting System)：為機(jī)組提供有關(guān)飛機(jī)運(yùn)行和狀態(tài)的安全性告警。DSLP APP根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的邏輯來(lái)處理飛機(jī)系統(tǒng)的各類(lèi)包括視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)告警。告警等級(jí)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(cè)試開(kāi)發(fā)處理平臺(tái)接收AFDX數(shù)據(jù)，同時(shí)把邏輯計(jì)算模塊的處理結(jié)果輸出到IMA平臺(tái)的AFDX 網(wǎng)絡(luò)；

4)邏輯計(jì)算模塊

邏輯計(jì)算模塊從IO模塊接收的ADFX數(shù)據(jù)讀取邏輯計(jì)算所需數(shù)據(jù)，然后根據(jù)預(yù)定邏輯關(guān)系進(jìn)行計(jì)算并把結(jié)果輸出給IO模塊。201鏈路為EICAS畫(huà)面提供數(shù)據(jù)輸入源，數(shù)據(jù)信息比較多，所以它的數(shù)據(jù)包包長(zhǎng)為1 518。附錄表3對(duì)應(yīng)201鏈路EICAS部分信息。

表中第一行為網(wǎng)絡(luò)配置信息，第二行為有效數(shù)據(jù)載荷，表明鏈路201傳送的EICAS各部分功能對(duì)應(yīng)的具體429狀態(tài)字信息，對(duì)接收的每個(gè)429字按照設(shè)定的格式結(jié)構(gòu)解析獲得對(duì)應(yīng)的狀態(tài)信息，如相應(yīng)LABEL號(hào)的WING OVERPRES顯示的紅色告警信息，相應(yīng)LABEL號(hào)的N1 VibesAmberLine的黃色戒備信息以及相應(yīng)LABEL號(hào)的Oil Pressure的白色提示信息。

表3 EICAS部分信息

3.3.2 畫(huà)面設(shè)計(jì)

DS仿真器主要包括PFD和MFD的畫(huà)面的設(shè)計(jì)，使用presagis公司的VAPS XT工具繪制畫(huà)面和NCom通訊程序的數(shù)據(jù)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(huà)面之間要數(shù)據(jù)流傳輸?shù)淖兞亢蛿?shù)據(jù)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(wù)線程的名稱(chēng)，MAPPING文件定義使用的I/O_buffer共享內(nèi)存的名稱(chēng)以及要使用的通訊通道的名稱(chēng)。畫(huà)面設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)流做好生成exe可執(zhí)行文件，使用BAT格式文件關(guān)聯(lián)該exe文件，并按格式列出需要的connections、mappingd等信息，加上VAPS運(yùn)行必須的庫(kù)文件，就可以在任何操作系統(tǒng)上運(yùn)行了。

圖8是在開(kāi)發(fā)測(cè)試階段，PFD在運(yùn)行狀態(tài)下的部分功能畫(huà)面的顯示，主要展示了飛行的高度、速度、姿態(tài)和航向等。

MFD的左邊為簡(jiǎn)圖頁(yè)的畫(huà)面，中間為EI的畫(huà)面，右上角為CAS信息。其中EI畫(huà)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(dòng)值，油箱左中右油量等數(shù)值信息，這部分值是經(jīng)過(guò)I/O模塊直接轉(zhuǎn)發(fā)。CAS信息包括對(duì)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(huà)面顯示為開(kāi)發(fā)測(cè)試階段，圖中的FIRE SYS FAULT是我們?cè)趦?nèi)部測(cè)試進(jìn)行顏色賦值時(shí)有意標(biāo)出的，不是最后設(shè)定的告警等級(jí)定義庫(kù)。正式測(cè)試時(shí)，F(xiàn)IRE SYS FAULT是紅色告警信息。

4 測(cè)試結(jié)果

經(jīng)過(guò)IMA系統(tǒng)仿真試驗(yàn)樣件驗(yàn)收測(cè)試程序的測(cè)試，驗(yàn)證了DS仿真器滿足驗(yàn)收測(cè)試程序的各項(xiàng)功能和性能要求，通過(guò)與OMS等子系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)，驗(yàn)證了設(shè)備控制邏輯的正確性，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、燃油、起落架等自身參數(shù)以及飛行狀態(tài)在MFD和PFD頁(yè)面指示正確，表明該仿真器滿足了該型號(hào)民用飛機(jī)DS仿真器的試驗(yàn)要求，為后續(xù)該型號(hào)民用飛機(jī)顯示真件系統(tǒng)的成功研制打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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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?yàn)楹诫娤到y(tǒng)測(cè)試和綜合驗(yàn)證技術(shù)；E-mail: shen_jia@careri.com

徐志鑫 男，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)楹诫娤到y(tǒng)測(cè)試和綜合驗(yàn)證技術(shù)；E-mail: xu_zhixin@careri.com

謝 寒 男，學(xué)士，主要研究方向?yàn)楹诫娤到y(tǒng)測(cè)試和綜合驗(yàn)證技術(shù)；E-mail: xie_han@careri.com

謝祥南 男，碩士，主要研究方向?yàn)楹诫娤到y(tǒng)測(cè)試和綜合驗(yàn)證技術(shù)；E-mail: xie_xiangnan@careri.com