基于MVC模式的航電子系統(tǒng)仿真軟件設(shè)計

文/程新滿 余愛國 秦正運

1 引言

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，直升機(jī)航空電子系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生了重大改變。航電系統(tǒng)成立至今，經(jīng)歷了一個從分立式、聯(lián)合式、綜合化到高度綜合化的發(fā)展過程。與此同時，航電設(shè)備軟件化的趨勢日趨明顯，F(xiàn)-22上由軟件實現(xiàn)的航電功能高達(dá)80%，并且在一些安全關(guān)鍵的系統(tǒng)中，例如飛控計算機(jī)（Flight Control Computer，F(xiàn)CC），其應(yīng)用軟件代碼占整個源代碼的1/3，而支持系統(tǒng)余度管理和故障檢測的代碼部分超過整個代碼的55%（例如波音757的FCC軟件）。航電系統(tǒng)軟件代碼規(guī)模的變大，導(dǎo)致相關(guān)的開發(fā)極其復(fù)雜，同時對軟件測試提出了巨大的挑戰(zhàn)。

為降低開發(fā)成本、縮短研制周期、提高研發(fā)效率并保證產(chǎn)品質(zhì)量，在直升機(jī)航電系統(tǒng)及相關(guān)模擬器研制過程中，需要開發(fā)對應(yīng)的直升機(jī)航電仿真系統(tǒng)，模擬各航電子系統(tǒng)的工作狀態(tài)，通過純仿真、半實物仿真及系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，支持各航電子系統(tǒng)的協(xié)同開發(fā)，提高了航電系統(tǒng)開發(fā)效率。傳統(tǒng)的針對接口控制文件（ICD，Interface Control Document）的仿真方法是在程序界面輸入仿真數(shù)值或者通過在程序內(nèi)部賦值進(jìn)行數(shù)據(jù)仿真。當(dāng)仿真系統(tǒng)的仿真數(shù)據(jù)量很大時，需要針對仿真數(shù)據(jù)逐行編程，該方法存在靈活性不強(qiáng)，代碼復(fù)用性差等缺點。

本文針對傳統(tǒng)方法的缺點提出了一種基于MVC設(shè)計模式的仿真系統(tǒng)軟件架構(gòu)，實現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯和數(shù)據(jù)訪問代碼的分離，并開發(fā)了相關(guān)工具軟件，并成功應(yīng)用于某型號直升機(jī)CNI仿真系統(tǒng)的軟件開發(fā)中。

圖1：MVC架構(gòu)設(shè)計圖

2 CNI（通信導(dǎo)航識別）仿真系統(tǒng)的功能

圖2：CNI仿真器系統(tǒng)框架

CNI系統(tǒng)作為航電系統(tǒng)的一個重要子系統(tǒng)，負(fù)責(zé)直升機(jī)與直升機(jī)、直升機(jī)與地面指揮中心之間通信，具有無線電測高和測向功能，并能響應(yīng)空中、地面或艦艇詢問機(jī)對載機(jī)的敵我屬性的詢問。作為IMPS(Integrate Mission Process System)的數(shù)據(jù)終端，仿真軟件根據(jù)主仿真測試軟件的功能與接口要求，對CNI子系統(tǒng)與IMPS相關(guān)的控制邏輯與總線接口進(jìn)行仿真。

2.1 設(shè)備功能仿真

該仿真系統(tǒng)需要實現(xiàn)的功能包括：通信識別系統(tǒng)初始化過程仿真、通信識別系統(tǒng)工作狀態(tài)仿真、超短波電臺的設(shè)置與調(diào)顯數(shù)據(jù)仿真、短波電臺的設(shè)置與調(diào)顯數(shù)據(jù)仿真、無線電高度表數(shù)據(jù)仿真等等。

2.2 與IMPS系統(tǒng)通信功能

CNI仿真軟件駐留在仿真PC機(jī)中，通過數(shù)據(jù)終端卡的A/B口引出一路以太網(wǎng)線接入IMPS交換機(jī)中。通過配置ES通信參數(shù)實現(xiàn)CNI系統(tǒng)與IMPS的信號交聯(lián)，仿真模塊應(yīng)具備符合系統(tǒng)設(shè)計所要求的總線接口通信功能。

2.3 仿真系統(tǒng)的組成

本論文的直升機(jī)CNI仿真系統(tǒng)的工作環(huán)境是IMPS系統(tǒng)綜合與驗證平臺主仿真軟件。該系統(tǒng)的研制是為了支持IMPS系統(tǒng)的驗收交付測試需要，通過仿真航空電子系統(tǒng)中與IMPS系統(tǒng)交聯(lián)的1553B、ARINC429總線和RS422總線等數(shù)據(jù)，為IMPS分系統(tǒng)的測試驗收提供所需的外部支持環(huán)境。

CNI仿真系統(tǒng)由硬件和軟件兩個部分組成。CNI仿真系統(tǒng)硬件設(shè)計包括數(shù)據(jù)通信板卡、CNI仿真計算機(jī)等部分；CNI仿真系統(tǒng)軟件部分即為本文所開發(fā)的仿真系統(tǒng)，基于Visual Studio 2008平臺，采用C++語言開發(fā)。

3 系統(tǒng)仿真軟件設(shè)計

航電子系統(tǒng)仿真軟件主要包括通信模塊、邏輯處理模塊和數(shù)據(jù)仿真模塊，不同子系統(tǒng)的邏輯處理模塊各不相同，代碼難以復(fù)用，但是通過設(shè)計恰當(dāng)?shù)能浖軜?gòu)和應(yīng)用正確的設(shè)計模式，可以實現(xiàn)通信模塊和數(shù)據(jù)仿真模塊的代碼復(fù)用。本文通過MVC設(shè)計模式的應(yīng)用，將數(shù)據(jù)處理，邏輯控制和視圖顯示的代碼分離，并開發(fā)相應(yīng)的工具軟件，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)仿真模塊的代碼復(fù)用。

圖3：從ICD頭文件提取屬性

圖4：ICD成員變量到Model類的映射

圖5：ICD頭文件到Xml的映射

3.1 MVC設(shè)計模式的原理

MVC（Model-View-Controller，模型-視圖-控制器），即把一個應(yīng)用的輸入、處理、輸出流程按照 Model、View、Controller 的方式進(jìn)行分離，這樣一個應(yīng)用被分成三部分——模型、視圖和控制器。MVC架構(gòu)把程序中數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)表示從業(yè)務(wù)邏輯中分離開來，同時又通過業(yè)務(wù)控制建立之間的通信方式，已經(jīng)有學(xué)者研究基于多線程MVC模式的航電仿真系統(tǒng)軟件設(shè)計。

Model封裝的是數(shù)據(jù)源和所有對這些數(shù)據(jù)的操作，是業(yè)務(wù)邏輯處理模塊。Model負(fù)責(zé)維護(hù)數(shù)據(jù)并提供數(shù)據(jù)訪問方法，Model包含了一系列的公開方法，通過這些公開方法，可以取得操作模型的所有功能。這些公開方法中，有的是取值方法，讓系統(tǒng)其他部分可以得到模型的內(nèi)部數(shù)據(jù)，還有一些修改值的方法用于修改模型的數(shù)據(jù)。Model在狀態(tài)發(fā)生改變時要及時通知視圖，以便所有對應(yīng)的視圖都能夠得到及時更新。

View封裝的是對數(shù)據(jù)源模型的一種顯示，是用戶視圖模塊。View為用戶提供了輸入手段，并觸發(fā)Controller運行，然后通過Model訪問業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，并用某種方式來顯示這些數(shù)據(jù)。對于CNI仿真系統(tǒng)而言，是系統(tǒng)數(shù)據(jù)查看和修改界面。

Controller是流程控制模塊，管理著用戶與 View的交互，能從View中取得數(shù)據(jù)并傳給 Model去執(zhí)行業(yè)務(wù)邏輯，然后根據(jù)Model的執(zhí)行結(jié)果，選擇一個合適的View把結(jié)果展現(xiàn)給用戶，MVC模式結(jié)構(gòu)如圖 1所示。

3.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

軟件架構(gòu)是有關(guān)軟件整體結(jié)構(gòu)與組件的抽象描述，實踐證明，一個成功的軟件系統(tǒng)往往都依托著一個好的軟件體系結(jié)構(gòu)，也是實現(xiàn)軟件復(fù)用的全新的重要技術(shù)手段。CNI仿真系統(tǒng)基于MCV設(shè)計模式設(shè)計的系統(tǒng)框架如圖2所示。

用戶通過人機(jī)界面上的按鍵進(jìn)行操作，通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送相關(guān)請求給CNI仿真器，CNI接收到通信數(shù)據(jù)后，通過Controller模塊進(jìn)行邏輯處理，并調(diào)用相應(yīng)的Model塊進(jìn)行相關(guān)消息塊的數(shù)據(jù)讀寫操作；用戶可通過軟件界面（View）修改相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)行仿真數(shù)據(jù)的修改。

3.3 Model的設(shè)計

3.3.1 接口控制文檔（ICD）

接口控制文檔（ICD，Interface Control Document）是航電系統(tǒng)設(shè)計的頂層文件，是接口仿真軟件初始化的基礎(chǔ)。ICD定義了航電系統(tǒng)和子系統(tǒng)要處理和管理的各種電氣電子接口、信號、消息和數(shù)據(jù)流，是航電軟件詳細(xì)設(shè)計、代碼編寫、程序測試、功能聯(lián)試等研發(fā)工作的重要依據(jù)，貫穿于航電軟件研發(fā)過程中。如下所示為經(jīng)過處理后的ICD實例（圖3）：

3.3.2 Model類的設(shè)計

Model類的核心是封裝數(shù)據(jù)源并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，對CNI仿真系統(tǒng)而言，系統(tǒng)數(shù)據(jù)文件為Xml文檔。用戶發(fā)送的數(shù)據(jù)和CNI系統(tǒng)本身的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)都保存在相應(yīng)的Xml文檔中。Model類需要實現(xiàn)的最重要的功能為ICD數(shù)據(jù)到相應(yīng)Xml數(shù)據(jù)文件的元素映射（圖4）。由于C++語言本身并不支持結(jié)構(gòu)體變量的遍歷，為此，需要設(shè)計一種通用方法能夠支持結(jié)構(gòu)體變量的遍歷。在代碼設(shè)計過程中，本文在前人經(jīng)驗的基礎(chǔ)上采用宏定義的方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)體成員變量的屬性映射。通過從ICD結(jié)構(gòu)體中提取成員變量的類型、變量名和字段描述等屬性，建立XXXX.h文件。

在具體的Model類的頭文件（Model.h）中對該XXXX.h文件進(jìn)行包含（include），得到成員變量和遍歷用枚舉的定義。以下代碼為XXXXModel.h文件的代碼片段，通過該段代碼完成了ICD消息塊成員變量到Model類的成員變量的映射，變量的遍歷可以通過枚舉量進(jìn)行。

Model類對Xml數(shù)據(jù)文件的操作通過遍歷成員變量并調(diào)用LoadData()和SaveData()方法實現(xiàn)。

3.3.3 接口控制數(shù)據(jù)仿真

CNI仿真系統(tǒng)的重要功能包含設(shè)備參數(shù)的設(shè)置與調(diào)顯數(shù)據(jù)仿真，CNI系統(tǒng)通過接口數(shù)據(jù)與任務(wù)機(jī)進(jìn)行通信，MFD負(fù)責(zé)畫面和數(shù)據(jù)的顯示。CNI接口數(shù)據(jù)的仿真通過讀寫Xml數(shù)據(jù)文檔的形式實現(xiàn)，參數(shù)設(shè)置和調(diào)顯的邏輯控制則交給Control模塊。為實現(xiàn)接口數(shù)據(jù)的仿真功能需要在Model模塊提供Xml數(shù)據(jù)文檔的讀寫和數(shù)據(jù)映射功能，當(dāng)Model狀態(tài)改變時，主動通知View進(jìn)行顯示更新。Xml文檔映射了對應(yīng)ICD消息塊的成員變量信息，如圖5所示。

3.4 View的設(shè)計

View類負(fù)責(zé)顯示系統(tǒng)當(dāng)前的數(shù)據(jù)狀態(tài)，并為用戶提供了輸入手段。為此，本文設(shè)計了CModelListCtrl類，通過該類可以顯示Model類的數(shù)據(jù)成員，與相應(yīng)Xml數(shù)據(jù)文件的狀態(tài)同步，便于查看和修改相應(yīng)的數(shù)值。

4 支持工具的開發(fā)

Model類的開發(fā)需要從ICD結(jié)構(gòu)體頭文件中提取成員變量的類型、變量名和字段描述等屬性，ICD結(jié)構(gòu)體數(shù)量繁多，結(jié)構(gòu)體可能還存在結(jié)構(gòu)體嵌套和數(shù)組的情況，如下：

從頭文件手工提取數(shù)據(jù)的過程十分枯燥且容易出錯；不同ICD消息塊對應(yīng)結(jié)構(gòu)體映射的Model類之間的差別僅僅為類的成員變量和支持的結(jié)構(gòu)體類型不一樣。由于航電子系統(tǒng)仿真器有著巨大的需求，本文開發(fā)了相應(yīng)的支持工具軟件，該工具軟件基于.net平臺，采用C#語言開發(fā)。通過工具軟件展開，結(jié)構(gòu)體tagA變成：

應(yīng)用該支持工具，選取航電ICD頭文件生成工具輸出的.h格式的接口控制文件(icd.h文件)，能夠生成ICD消息塊屬性的XXXX.h頭文件和適用于監(jiān)控器的新ICD頭文件（new_icd.h）；通過輸入Model類的模板文件(Model.h，Model.cpp)，能夠生成對應(yīng)不同消息塊的Model類文件（XXXXModel.h，XXXXModel.cpp）當(dāng)需要對Model類重新設(shè)計時，只需要更新模板文件(Model.h，Model.cpp)，通過工具可以自動更新所有的Model類；當(dāng)系統(tǒng)的ICD文件有更改時，只需要輸入icd.h文件即可生成適用于監(jiān)控器的new_icd.h文件，由此實現(xiàn)了仿真器開發(fā)過程的流程化。

利用仿真器Model文件生成支持工具能夠自動生成Model類文件和適用于仿真器的new_icd.h頭文件。支持工具的開發(fā)成功實現(xiàn)Model類代碼的復(fù)用，極大地減小了將來其他航電子系統(tǒng)仿真器開發(fā)的工作量和開發(fā)難度。

5 結(jié)束語

利用本文的軟件架構(gòu)和MVC設(shè)計模式，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理，邏輯控制和視圖顯示的代碼分離，減小代碼編寫的類間耦合?；诖a復(fù)用和將來其他航電子系統(tǒng)仿真系統(tǒng)開發(fā)的需要，編寫了仿真器Model文件生成工具軟件，能夠自動地生成各消息塊的Model類文件和適用于仿真器的new_icd.h頭文件，實現(xiàn)了仿真軟件的高效開發(fā)。

經(jīng)試驗驗證，在此架構(gòu)上開發(fā)的CNI仿真系統(tǒng)已經(jīng)在IMPS系統(tǒng)綜合與驗證平臺取得良好的效果。在將來的工作中可以進(jìn)一步研究如何設(shè)計出通用的航電子系統(tǒng)仿真軟件。

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