機(jī)載多功能顯示器的半實(shí)物仿真實(shí)現(xiàn)

陳鴻，劉開(kāi)元，盛穎章

（海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，山東青島266041）

隨著航空技術(shù)的發(fā)展，以往座艙中繁多的儀表儀器現(xiàn)在均被多個(gè)多功能顯示器（Multi-Function Display，MFD）所替代。多功能顯示器作為目前座艙中主要的人機(jī)交互接口，其功能十分強(qiáng)大，它能通過(guò)字符圖形把各類(lèi)復(fù)雜的飛機(jī)信息、作戰(zhàn)狀況直觀表現(xiàn)出來(lái)，使飛行員能快速獲取信息，更加高效地管理和操縱整個(gè)飛行系統(tǒng)。因此在現(xiàn)代軍機(jī)各類(lèi)訓(xùn)練模擬器和訓(xùn)練系統(tǒng)中，對(duì)多功能顯示器的仿真是座艙顯示控制仿真中十分重要的一部分[1-5]。

多功能顯示器有別于一般的通用顯示器，因?yàn)槎喙δ茱@示器既是一個(gè)輸出設(shè)備又是一個(gè)輸入設(shè)備，其輸出是各種關(guān)鍵飛行信息、態(tài)勢(shì)感知、系統(tǒng)管理、作戰(zhàn)任務(wù)等畫(huà)面；輸入是畫(huà)面四周的多功能按鍵，按鍵的作用跟隨畫(huà)面變化，在不同畫(huà)面下被不斷重新定義?？梢?jiàn)，對(duì)多功能顯示器的仿真包括了按鍵輸入和顯示輸出兩大部分。

文中以單片機(jī)為核心實(shí)現(xiàn)對(duì)多功能顯示器按鍵的輸入實(shí)時(shí)監(jiān)聽(tīng)和響應(yīng)，以工控機(jī)為核心實(shí)現(xiàn)對(duì)多功能顯示器的畫(huà)面更新和顯示輸出，較好的實(shí)現(xiàn)了對(duì)多功能顯示器的半實(shí)物仿真，并具有逼真度高，可靠性強(qiáng)，實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)。

1 硬件構(gòu)成

半實(shí)物仿真多功能顯示器的外形如圖1所示。中間為主顯示畫(huà)面，四周還有T1～T5、R1～R5、B1～B5、R1～R5共20個(gè)周邊按鍵。

圖1 多功能顯示器外形

該半實(shí)物仿真多功能顯示器的硬件實(shí)現(xiàn)上以嵌入式單片機(jī)為核心，結(jié)合譯碼器和開(kāi)關(guān)矩陣設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)多功能顯示器的按鍵識(shí)別，然后將按鍵碼通過(guò)串口發(fā)送到上位工控機(jī)中，由工控機(jī)響應(yīng)按鍵改變多功能顯示器的畫(huà)面。其硬件組成包括：1臺(tái)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、1塊以單片機(jī)為核心的按鍵識(shí)別電路、1塊液晶顯示屏、RS-232通訊電纜和VGA顯示電纜各1條組成，如圖2所示。

圖2 半實(shí)物仿真實(shí)現(xiàn)硬件結(jié)構(gòu)

1）按鍵識(shí)別電路：以STC12C5A60S2單片機(jī)為核心，以主頻振蕩器、EEPROM存儲(chǔ)器、RS232接口為外圍電路，將 T1～T5、R1～R5、B1～B5、R1～R5的多功能顯示器周邊按鍵形成4×5開(kāi)關(guān)矩陣，單片機(jī)在周期性掃描該開(kāi)關(guān)矩陣行、列的同時(shí)，讀回掃描信號(hào)線結(jié)果，判斷是否有鍵按下，并計(jì)算按鍵的位置以映射到具體某一按鍵上，最終形成按鍵碼，通過(guò)RS-232總線上報(bào)工控機(jī)。

2）工業(yè)控制計(jì)算機(jī)：作為訓(xùn)練模擬器的控制主機(jī)，通過(guò)COM口（RS-232）與51單片機(jī)通信，能實(shí)時(shí)獲取多功能顯示器周邊鍵的觸發(fā)狀態(tài)，從而及時(shí)響應(yīng)訓(xùn)練人員的操作，實(shí)時(shí)改變液晶顯示器上的顯示畫(huà)面。

3）液晶顯示器：采用通用的計(jì)算機(jī)液晶顯示屏，通過(guò)VGA數(shù)據(jù)線與工控機(jī)的顯卡VGA口連接，用于顯示具體畫(huà)面。

2 軟件實(shí)現(xiàn)

在整個(gè)半實(shí)物仿真多功能顯示器中，共需設(shè)計(jì)兩個(gè)軟件，一個(gè)是運(yùn)行在嵌入式單片機(jī)上的按鍵識(shí)別軟件，另一個(gè)是運(yùn)行在工控機(jī)上的顯示控制軟件。采用這種雙層軟件結(jié)構(gòu)的好處是，可由單片機(jī)來(lái)專門(mén)監(jiān)控多功能顯示器的按鍵，避免了工控機(jī)進(jìn)行按鍵監(jiān)控這種實(shí)時(shí)性要求高的重復(fù)性工作，從而釋放大量的珍貴的工控機(jī)CPU時(shí)間，運(yùn)行時(shí)工控機(jī)只需響應(yīng)單片機(jī)上報(bào)的按鍵碼，來(lái)實(shí)時(shí)更新顯示畫(huà)面。

2.1 單片機(jī)按鍵識(shí)別軟件

該軟件采用標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言來(lái)編程思想，軟件主要完成對(duì)多功能顯示器周邊按鍵形成的4×5開(kāi)關(guān)矩陣的周期性行、列掃描，從而實(shí)時(shí)感應(yīng)用戶對(duì)周邊鍵的按壓，得出正確的按鍵碼。

單片機(jī)在周期性掃描的為4×5開(kāi)關(guān)矩陣，分四行（T-上方、B-下方、L-左側(cè)、R-右側(cè)）掃描，每行各有五列對(duì)應(yīng)與五個(gè)按鍵。下面以多功能顯示器上方這一行的掃描為例，代碼如下：

2.2 工控機(jī)顯示軟件

顯示軟件使用C#來(lái)編程實(shí)現(xiàn)，軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，包括：串口通信模塊、按鍵響應(yīng)模塊、顯示繪制模塊以及底層的顯示接口。軟件模塊組成如圖3所示。

圖3 軟件模塊組成圖

軟件的運(yùn)行流程如圖4所示。當(dāng)配置多功能顯示器的仿真系統(tǒng)上電后，程序開(kāi)始運(yùn)行，繪制上電初始化畫(huà)面，初始化完成后，進(jìn)入顯示主菜單；當(dāng)用戶觸發(fā)多功能顯示器周邊鍵時(shí)，工控機(jī)的顯控軟件通過(guò)串口接收事件，獲得單片機(jī)上報(bào)的按鍵碼，并依據(jù)當(dāng)前畫(huà)面判斷該按鍵對(duì)應(yīng)的命令（在多功能顯示器不同畫(huà)面觸發(fā)同一按鍵所代表的含義不同）；進(jìn)而調(diào)用對(duì)應(yīng)函數(shù)響應(yīng)該命令，來(lái)更新顯示畫(huà)面；若系統(tǒng)還需控制仿真座艙或仿真裝備時(shí)，更新畫(huà)面的同時(shí)將發(fā)出對(duì)應(yīng)的控制指令，驅(qū)動(dòng)仿真座艙或仿真裝備進(jìn)行相關(guān)動(dòng)作。

圖4 航空電子顯控畫(huà)面繪制流程圖

3 結(jié)束語(yǔ)

該多功能顯示器的半實(shí)物仿真技術(shù)已應(yīng)用于某型機(jī)載電子設(shè)備維護(hù)訓(xùn)練模擬器中，并取得了良好的應(yīng)用效果。本文所提出的仿真實(shí)現(xiàn)通過(guò)單片機(jī)構(gòu)建獨(dú)立運(yùn)行的按鍵掃描識(shí)別系統(tǒng)，大大簡(jiǎn)化了工控機(jī)的工作，提高了系統(tǒng)響應(yīng)的實(shí)時(shí)性；基于C#開(kāi)發(fā)的顯示軟件，具有模塊化結(jié)構(gòu)，有很強(qiáng)的通用性和擴(kuò)展性，只需要在該模塊化結(jié)構(gòu)下添加所需要繪制腳本，就可靈活地適應(yīng)各型航空電子設(shè)備座艙顯示控制的需求。整個(gè)半實(shí)物多功能顯示器的軟硬件實(shí)現(xiàn)成本低、可靠性高，可滿足各型航空訓(xùn)練模擬器的應(yīng)用需求，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]李靜昭，張迪.虛實(shí)結(jié)合的飛機(jī)儀表顯示系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2016（33）:142-145.

[2]樊智勇，王娟，王勇.多功能飛機(jī)維護(hù)訓(xùn)練器的建設(shè)和教學(xué)實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012，29（5）：182-184，191.

[3]高偉，陳鴻，劉雅娟.基于半實(shí)物仿真的某型機(jī)載電子設(shè)備訓(xùn)練模擬器設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī)，2013（6）:74-76.

[4]張偉，庫(kù)麗媛.某新型飛機(jī)維修模擬訓(xùn)練系統(tǒng)[J].航空制造技術(shù)，2011，8:76-79.

[5]王秋生，陳中川，袁海文.基于多總線的飛機(jī)電氣故障模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2010，18（1）:44-47.

[6]趙鵬，陳斌.MT8816芯片在短波通信裝備維修訓(xùn)練系統(tǒng)中的運(yùn)用[J].艦船電子工程，2016（11）:70-73.

[7]擺衛(wèi)兵，洪光，楊真.基于半實(shí)物仿真和虛擬維修的維修訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)，2014（10）:7-9.

[8]呂秀平，閆英敏，劉正春，等.某型裝備電氣模擬維修訓(xùn)練平臺(tái)研究[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2013，21（9）:2486-2489.

[9]王哲，譚業(yè)雙，張?zhí)燧x.電臺(tái)維修模擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法研究[J].電子設(shè)計(jì)工程，2013（14）:64-70.

[10]鐘春華，許炎義，劉峰.基于半實(shí)物仿真的艦員級(jí)雷達(dá)維修訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].艦船電子工程.2011，31（11）:125-149.

[11]鄒益民，徐赤.借助Simulink及ADAM模塊構(gòu)建半實(shí)物仿真系統(tǒng)[J].自動(dòng)化儀表，2013，33（10）:9-12，16.

[12]潘亞?wèn)|，陳碩，張迪.基于案例推理的飛機(jī)排故訓(xùn)練系統(tǒng)[J].中國(guó)民航大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，30（3）:42-46.

[13]耿朝陽(yáng)，劉德明.武器裝備虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子測(cè)試，2014（1）:7-9.

[14]曾桂仲，蘇勛家，侯根良，等.基于電氣系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)故障模擬平臺(tái)的設(shè)計(jì)[J].液壓與氣動(dòng)，2012（11）:84-86．

[15]徐光舉，張長(zhǎng)營(yíng).基于配電變壓器故障模擬的智能實(shí)訓(xùn)裝置研究與開(kāi)發(fā)[J].中國(guó)電力教育，2012（36）:138-140．

[16]李琳，陳云翔，王超哲.基于FAT與LS-SVM的航空部件危險(xiǎn)性分級(jí)方法[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2011，33（11）:2445-2448.

[17]魏維偉，于巍巍，程愛(ài)軍，等.無(wú)線電高度表實(shí)時(shí)飛控半實(shí)物仿真技術(shù)研究[J].制導(dǎo)與引信，2016（37）：14-18.

[18]王明華，張維.激光測(cè)距機(jī)故障機(jī)理及維修訓(xùn)練平臺(tái)研究[J].光學(xué)儀器，2011，33（3）:86-89.