基于ARINC661的飛機座艙顯示系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

王瑞球 王敬馳 王偉

摘要

作為新一代飛機座艙顯示系統(tǒng)的行業(yè)標準，ARINC 661標準，即“座艙顯示系統(tǒng)與用戶系統(tǒng)的接口標準”，推動著機載座艙顯示系統(tǒng)向綜合化、通用化、開放化的方向不斷發(fā)展。為迎合這一新的發(fā)展趨勢，設(shè)計出符合市場需求的新型機載座艙顯示系統(tǒng)，本文基于ARINC 661標準開展飛機座艙顯示制系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)首先簡述ARINC 661標準的主要內(nèi)容;然后在此基礎(chǔ)上按照標準要求的流程完成了PC環(huán)境下座艙顯示系統(tǒng)可行性的驗證和設(shè)計。

【關(guān)鍵詞】ARINC 661 UA CDS 座艙顯示系統(tǒng)

座艙（駕駛艙）是飛行員駕駛操作飛機的場所，座艙顯示系統(tǒng)（Cockpit DisplaySystem，簡稱CDS）是飛機座艙中所有顯示設(shè)備軟件和硬件的總稱，它在為飛行員實時顯示飛機當(dāng)前飛行參數(shù)、發(fā)動機狀況、機組告警信息以及全機各系統(tǒng)狀態(tài)等數(shù)據(jù)的同時，接收來自飛行員的控制指令，是飛行員確定飛機飛行狀況，控制飛機安全飛行的關(guān)鍵所在。

隨著航電系統(tǒng)的不斷發(fā)展，各種新型傳感器的不斷引入，座艙顯示系統(tǒng)所需要顯示和控制的信息越來越多，復(fù)雜程度日益增加。由于目前飛機中電子設(shè)備的接口各異，加之飛機設(shè)備制造商設(shè)計策略和開發(fā)方法的差異，傳統(tǒng)的座艙顯示系統(tǒng)具有開發(fā)周期長、移植和維護性差、難以適應(yīng)外部設(shè)備變化等不可忽視的缺點，無法適應(yīng)新一代航電系統(tǒng)高度綜合化和開放性的需求。規(guī)范化定義座艙顯示系統(tǒng)的接口要求，提高系統(tǒng)通用性、開放性水平，縮短開發(fā)周期，便于系統(tǒng)快速更新?lián)Q代，己成為航電系統(tǒng)發(fā)展迫切需要解決的一個問題。

為了解決上述問題，美國ARINC公司 （Aeronautical Radios Inc，航空無線電通信公司）在2001年提出了ARINC 661標準“ockpitdisplay system interfaces to user systems”，即“座艙顯示系統(tǒng)與用戶系統(tǒng)接口標準”。該標準重新規(guī)定了座艙顯示系統(tǒng)與用戶系統(tǒng)的概念，規(guī)范化地定義了座艙顯示系統(tǒng)和用戶系統(tǒng)之間的接口以及通信數(shù)據(jù)格式，提出了畫面顯示和邏輯控制相互分離的設(shè)計理念，為提高座艙顯示系統(tǒng)通用性和開放性水平提供了一個很好的解決方案。因此，基于ARINC 661標準展開座艙顯示系統(tǒng)的研究具有非常重要的意義。

1 ARINC 661標準簡介

ARINC 661標準第一版于2001年發(fā)布，是以空客公司A380客機座艙顯示系統(tǒng)的開發(fā)模式為基礎(chǔ)進行制定的。標準意在規(guī)范化座艙顯示系統(tǒng)與用戶系統(tǒng)之間的接口設(shè)計和通信數(shù)據(jù)格式，規(guī)定的圖形用戶接口完全用定義文件來描述。為了在規(guī)范化的同時保證座艙顯示系統(tǒng)設(shè)計的開放性，標準中并未涉及對具體的設(shè)計工具、界面感官和底層物理通信方式的規(guī)定。隨著市場需求的不斷發(fā)展和航電技術(shù)的不斷進步，ARINC 661標準的第六版已經(jīng)于2017年發(fā)布，該版本新增了滾輪、觸控等最新交互接口。

ARINC 661標準將座艙顯示系統(tǒng)分為了兩個主要功能模塊：座艙顯示系統(tǒng)（CDS：Cockpit Display System）和用戶應(yīng)用（UA：User Application），規(guī)范定義了兩者之間的通訊接口，從而實現(xiàn)了畫面顯示和邏輯處理的松耦合。這一舉措使得系統(tǒng)開發(fā)過程中畫面設(shè)計和邏輯設(shè)計的過程相互獨立、互不影響，不但大大減少了系統(tǒng)的開發(fā)成本和維護成本，而且增加了系統(tǒng)的通用性和可移植性。為了在規(guī)范化的同時保證座艙顯示系統(tǒng)設(shè)計的開放性，標準中并未涉及具體的設(shè)計工具、界面感官和底層物理通信方式的描述。

ARINC 661標準的制定具有強烈的市場性，其編委會的成員包括如空客、波音等飛機制造商以及Rockwell Collins、Presagis、Esterel等軟硬件供應(yīng)商。隨著ARINC 661標準在空客A380客機上的成功運用，空客A400M軍用運輸機和波音787客機也相繼展開了基于ARINC 661標準的座艙顯示系統(tǒng)設(shè)計，并最終取得了理想的效果。符合ARINC661標準的座艙顯示系統(tǒng)開發(fā)工具也開始不斷涌現(xiàn)，如Vaps XT ARINC 661、GL StudioARINC 661和SCADE Display ARINC 661等。ARINC 661標準已經(jīng)逐步成為新一代座艙顯示系統(tǒng)設(shè)計的必要條件。

1.1 座艙顯示系統(tǒng)CDS

標準所規(guī)定的座艙顯示系統(tǒng)（CDS）是系統(tǒng)實現(xiàn)畫面顯示的功能模塊，內(nèi)含功能模塊和基礎(chǔ)庫兩大組成部分，其功能類似于傳統(tǒng)的B/S構(gòu)架中的瀏覽器，主要有以下四個核心功能：

1.1.1 DF文件解析功能

DF文件是ARINC 661標準下的圖形界面描述文件，既定義了CDS端畫面顯示需要的Widget參數(shù)信息，又定義了UA端邏輯控制索引所需的各個層級的ID號，是連接CDS端和UA端的重要橋梁。CDS端的第一步工作就是解析DF文件，從而得到整個圖形界面的描述信息。CDS可以通過讀取固化在CDS系統(tǒng)中設(shè)計好的DF文件啟動，也可以動態(tài)加載UA傳輸?shù)腄F文件啟動。

1.1.2 圖形界面繪制功能

CDS的主要功能就是畫面顯示功能，ARINC 661協(xié)議在CDS端引入了基本GUI集合：窗體部件庫（Widget Library），對每一種窗體部件都封裝好固定的Open GL代碼，可以使得使用者在不了解Open GL開發(fā)的情況下，對解析DF文件得到的圖形描述信息進行界面繪制，從而完成畫面顯示的功能。

1.1.3 通訊功能

實現(xiàn)畫面顯示與邏輯控制相互分離的前提是CDS和UA兩者之間的通訊機制，CDS端可以通過通訊模塊將用戶交互信息傳遞給UA端，從而對飛行員的指令進行反饋，UA端也可以通過通訊模塊向CDS端發(fā)送畫面刷新指令，實時的更新畫面，實現(xiàn)畫面的動態(tài)效果。

1.1.4 用戶交互功能

CDS端可以通過按鍵、觸摸等信息輸入方式完成與飛行員之間的交互，獲取飛行員的指令。

1.2 顯示層級

標準對顯示界面采取層次性的劃分和管理，將顯示器劃分多個顯示單元（DisplayUnit，DU），單個DU細分成多個獨立的顯示窗口（Windows），每一個窗口由多個圖層（Layer）疊加，各個圖層由結(jié)構(gòu)化的窗體部件（widget）組成。圖1所示為座艙顯示系統(tǒng)的顯示層級結(jié)構(gòu)圖。

按照標準的規(guī)定，在某一顯示單元的區(qū)域內(nèi)，所有的窗體、圖層和窗體部件都擁有其唯一獨立的ID號，CDS可以通過對應(yīng)的ID號[WindowID]-[LayerID]-[WidgetID]對特定的一個窗體部件進行管理，從而實現(xiàn)系統(tǒng)畫面的靈活控制。

1.3 定義文件DF文件

DF文件是本標準中規(guī)定的圖形界面描述文件，按照存儲內(nèi)容可將其劃分為五個部分：DF文件頭、Picture塊、Symbol塊、Layer塊和DF文件尾。圖2所示為DF文件的結(jié)構(gòu)圖

1.4 用戶應(yīng)用UA

標準所規(guī)定的用戶應(yīng)用UA是系統(tǒng)的邏輯處理中心。系統(tǒng)外部傳感器檢測的信息以及系統(tǒng)內(nèi)部CDS接收的用戶交互信息都會通過通信協(xié)議傳輸給UA，UA通過層級式的ID號[WindowID]-[LayerID]-[WidgetID]與CDS顯示畫面中的窗體部件——對應(yīng)，從而實現(xiàn)對Widget狀態(tài)的精確控制，命令CDS進行畫面刷新或者是畫面改變。其主要功能模塊有：

（1）通信模塊：用以實現(xiàn)和CDS的通信，完成信息傳輸;

（2）DF文件管理模塊：用以實現(xiàn)對DF文件的加載和管理;

（3）窗體部件庫模塊：對每一種部件都封裝好固定的程序代碼，并將CDS部件參數(shù)對應(yīng)的接口在程序中對用戶進行開放，對部件進行控制時只需要調(diào)用該部件的函數(shù)，修改相關(guān)接口輸入;

（4）外部信息輸入模塊：接收系統(tǒng)外部傳感器檢測的數(shù)據(jù);

（5）CDS信息輸入模塊：接收系統(tǒng)內(nèi)部CDS傳輸?shù)姆答佇畔?、用戶交互信息?

（6）邏輯處理模塊：對外部信息輸入模塊和CDS信息輸入模塊接收到的信息進行處理后再反饋給CDS。

為了保證符合標準的座艙顯示系統(tǒng)具有更好的通用性，UA可以運用任何編程語言和設(shè)計技巧來實現(xiàn)，除了需要遵循“顯示圖層受UA控制”的控制邏輯和標準規(guī)定的軟件“通信協(xié)議”接口定義外，標準并沒有對UA的設(shè)計有更多的規(guī)定。

1.5 通信機制

根據(jù)消息的傳遞方向，ARINC 661標準下的通信模式可以分為兩類：一類是從UA端發(fā)送到CDS端的控制請求信息，主要包括實時畫面刷新請求、Widget參數(shù)改變所導(dǎo)致的畫而更新請求以及Layer和Window的狀態(tài)改變所導(dǎo)致的畫面切換請求;另一類是從CDS端發(fā)送到UA端的反饋信息，主要包括Widget參數(shù)改變完成信息反饋、交互信息反饋、Layer和Window狀態(tài)改變完成信息以及系統(tǒng)異常信息反饋。圖3所示為CDS與UA之間的通信關(guān)系。

2 基于ARINC 661標準的開發(fā)過程

ARINC 661標準將座艙顯示系統(tǒng)的開發(fā)過程規(guī)范為3個階段：需求分析階段、定義階段、運行階段。圖4所示為基于ARINC 661標準進行座艙顯示系統(tǒng)開發(fā)過程的示意圖。

需求分析階段：該階段需要通過對需要顯示的畫面進行用戶需求分析，按照ARINC661標準，構(gòu)建畫面的層級關(guān)系并將畫面進行分解，按照標準中Window、Layer、Widget的顯示功能對畫面中的元素進行分類對應(yīng)，再按照對應(yīng)好的Window、Layer、Widget的層級關(guān)系對畫面中的元素進行編號，從而制定出符合ARINC 661標準的設(shè)計需求文檔。

定義階段：定義階段是DF文件的生成和CDS加載解析DF文件的過程。首先利用符合本標準設(shè)計規(guī)范的可視化開發(fā)工具進行畫面開發(fā)，按照設(shè)計需求文檔中定義好的Window、Layer、Widget的參數(shù)以及相應(yīng)的層級關(guān)系完成圖形界面描述文件DF文件的編輯，DF文件是定義階段的產(chǎn)物。之后，在CDS端完成DF文件的加載和解析工作，實現(xiàn)窗體部件的創(chuàng)建（實例化并對窗體部件的參數(shù)初始化）的過程。

運行階段：運行階段是顯示系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，顯示畫面實現(xiàn)實時動態(tài)顯示的過程在定義階段CDS端完成對DF文件的加載解析，得到需要顯示的畫面之后，進入運行階段，CDS端與UA端通信，處理外部輸入信息以及CDS端交互信息，最終完成顯示畫面的實時更新。

3 座艙顯示系統(tǒng)設(shè)計實例

本文基于ARINC 661標準座艙顯示系統(tǒng)開發(fā)流程，使用VAPS XT A661開發(fā)工具設(shè)計了一個可以進行動態(tài)更新的飛行儀表顯示系統(tǒng)，顯示內(nèi)容包括了天地球、羅盤、航行參數(shù)等相關(guān)數(shù)據(jù)，如圖5所示。

以畫面中的天地球的設(shè)計過程為例，首先需要分析構(gòu)成天地球所需要的部件，由于ARINC 661標準規(guī)定的是點、線、圓這樣一些最基礎(chǔ)的窗體部件，包含的窗體部件非常多，大體上我們可以把天地球分成4個部分：天地球主體，主體部分由一個開窗部件構(gòu)成，開窗部件內(nèi)部包含了一個可以進行旋轉(zhuǎn)和平移的天地標尺部件集合、羅盤標尺、水平標尺、旋轉(zhuǎn)指示標志。在需求分析的基礎(chǔ)上，我們按照天地球的組成要素和層級關(guān)系對天地球進行設(shè)計，如圖6所示。

AD工基礎(chǔ)部件為天地球的總體，包含ADIMask背景開窗部件（含俯仰角平移和橫滾角旋轉(zhuǎn)屬性）、ADICompass橫滾刻度部件、ADI ROLLFLAG旋轉(zhuǎn)指針和ADIP1aneFlag飛機基準部件。構(gòu)建好天地球后，我們需要修改天地球中各個部件的相應(yīng)屬性，和圖5中的顯示需求匹配，例如表示天空的矩形框的顏色屬性需要修改成藍色，表示大地的矩形框的顏色需要修改成棕色等。在設(shè)定好天地球的畫而描述信息之后，得到所需的DF文件。

接下來確定CDS端與UA端通訊的接口，對于天地球而言，我們設(shè)定的接口有旋轉(zhuǎn)部件ADI ROLL的旋轉(zhuǎn)角度、平移部件ADI PITCH的平移數(shù)值以及旋轉(zhuǎn)部件ADIROLLFLAG的旋轉(zhuǎn)角度，為此我們需要映射相關(guān)部件的WidgetIdent信息，如圖7所示。在編寫UA端控制程序時，通過分層配置的ID號[UAID]-[LayerID]-[WidgetID]與CDS端顯示畫面中的Widget一一對應(yīng)，對Widget的屬性進行控制。

基于上述步驟，可以簡要展示基于ARINC 661標準的座艙顯示系統(tǒng)設(shè)計過程。本文完成了在PC環(huán)境下基于ARINC 661標準的座艙顯示系統(tǒng)模擬開發(fā)：使用兩臺PC機進行系統(tǒng)仿真：PC1存放CDS和設(shè)計生成的DF文件，DF文件規(guī)定了CDS和UA之間的通訊接口;PC2使用VS2010編寫了UA端的控制程序;兩臺PC機之間采用UDP通訊。PC2可以通過LTA程序控制PC1的CDS顯示畫而。圖8為PC機環(huán)境下基于標準的座艙顯示畫面模擬運行效果。

4 結(jié)束語

本文在簡述了ARINC 661標準核心內(nèi)容以及PC環(huán)境下座艙顯示系統(tǒng)設(shè)計的設(shè)計與開發(fā)過程，驗證了設(shè)計的可行性。目前，為了適應(yīng)新一代座艙顯示系統(tǒng)的要求，ARINC661標準仍然在不斷的完善與發(fā)展。國內(nèi)對于ARINC 661標準的研究及工程應(yīng)用并未普及，但隨著航空電子技術(shù)和航空產(chǎn)業(yè)的不斷進步，對于ARINC 661標準下座艙顯示系統(tǒng)的研究應(yīng)用必將會不斷的深入。

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