基于VAPS XT 的座艙顯示設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

文/秦正運(yùn) 葛晨 程新滿

座艙顯示（CDS: Cockpit Display System）作為與飛行員交互的第一接口，集成了飛機(jī)系統(tǒng)狀態(tài)顯示、飛行指令引導(dǎo)、偵察告警、火力攻擊等重要功能，具有信息量大，內(nèi)容顯示復(fù)雜等特點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)座艙顯示的開(kāi)發(fā)主要是采用C 語(yǔ)言使用OpenGL 編程實(shí)現(xiàn)，具有工作量大、開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、開(kāi)發(fā)效率低、后期維護(hù)難、顯示效果差等缺點(diǎn)。

針對(duì)如上特點(diǎn)，本文引入了可視化的圖形開(kāi)發(fā)工具VAPS 進(jìn)行座艙顯示設(shè)計(jì)，以此來(lái)提高顯示的質(zhì)量，縮短開(kāi)發(fā)周期。

1 VAPS介紹

VAPS XT 是由加拿大Presagis 公司研發(fā)的人機(jī)界面設(shè)計(jì)工具，專(zhuān)用于航空、車(chē)輛儀表等高性能電子設(shè)備應(yīng)用的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。VAPS XT擁有良好的用戶界面，用戶可以利用其提供的控件來(lái)快速設(shè)計(jì)所需要的儀表圖形，具有快速、可視化等優(yōu)點(diǎn)；并且VAPS XT 支持UDP、TCP、共享內(nèi)存等方式和外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。在設(shè)計(jì)結(jié)束后，可通過(guò)代碼生成器將設(shè)計(jì)的圖形轉(zhuǎn)換成C++代碼，無(wú)需改動(dòng)即可以應(yīng)用到各個(gè)平臺(tái)上去。VAPS 已經(jīng)在NH90、F-22、V-22等多個(gè)系列的飛機(jī)座艙顯示設(shè)備。

2 架構(gòu)設(shè)計(jì)

座艙顯示（CDS）和用戶系統(tǒng)（UA）兩部分構(gòu)成了座艙顯示控制軟件，CDS 作為顯示終端，接收來(lái)自UA 的畫(huà)面數(shù)據(jù)信息，這些信息包括畫(huà)面號(hào)、各個(gè)圖符的驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)等；CDS 向UA 反饋用戶的人機(jī)接口的交互指令信息，用于UA 控制畫(huà)面信息。

CDS 軟件主要分為兩個(gè)部分：畫(huà)面顯示和數(shù)據(jù)通訊。

VAPS 主要用于CDS 的顯示畫(huà)面的開(kāi)發(fā)。首先VAPS 通過(guò)一系列強(qiáng)大的GUI 編輯器對(duì)顯示圖符進(jìn)行建模，形成圖符庫(kù)；然后根據(jù)設(shè)計(jì)的具體需求配置圖符的屬性，添加相應(yīng)的邏輯，從而組建完整的畫(huà)面。圖符庫(kù)的使用可以提高圖符控件的標(biāo)準(zhǔn)化程度，減少開(kāi)發(fā)工作量，提高開(kāi)發(fā)效率。

VAPS 工程與通訊應(yīng)用的數(shù)據(jù)交互采用nCOM 進(jìn)行。為了能夠使用nCOM，必須構(gòu)建數(shù)據(jù)描述文件（DD:Data Description File），并將外部應(yīng)用的數(shù)據(jù)與之映射。座艙顯示端將總線上接收的數(shù)據(jù)按照DD 文件規(guī)定的格式進(jìn)行處理，才能被VAPS 工程所用。因此，我們需要根據(jù)顯示畫(huà)面的數(shù)據(jù)信息來(lái)制定DD 文件，導(dǎo)入VAPS 工程，并與畫(huà)面數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，從而驅(qū)動(dòng)畫(huà)面的動(dòng)態(tài)顯示。如圖1所示。

通過(guò)對(duì)座艙顯示軟件的功能需求分析，座艙顯示軟件主要分為3 個(gè)部分:

（1）設(shè)計(jì)圖形符號(hào)庫(kù)，從中選擇相應(yīng)的圖形符號(hào)控件，設(shè)置其屬性，構(gòu)成畫(huà)面。

（2）根據(jù)畫(huà)面交互的要求，設(shè)計(jì)DD 文件。

（3）通信數(shù)據(jù)的I/O 處理。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 圖形符號(hào)及畫(huà)面開(kāi)發(fā)

3.1.1 構(gòu)建圖形符號(hào)

標(biāo)準(zhǔn)圖形符號(hào)設(shè)計(jì)為CDS 的基本圖形接口，CDS 的主題設(shè)計(jì)過(guò)程可以簡(jiǎn)單的描述為圖形符號(hào)的結(jié)構(gòu)和屬性設(shè)計(jì)，這實(shí)際上是為CDS 的設(shè)計(jì)引入了開(kāi)放的開(kāi)發(fā)模式，即隨著圖形符號(hào)部件的配置不同，座艙顯示可以呈現(xiàn)出不同的內(nèi)容。標(biāo)準(zhǔn)圖形符號(hào)庫(kù)的構(gòu)建和使用為CDS 端畫(huà)面顯示的開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)提供支持。CDS 端畫(huà)面由各種圖形符號(hào)構(gòu)成，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的圖形符號(hào)，使構(gòu)成的整個(gè)畫(huà)面更加規(guī)范，同時(shí)符合標(biāo)準(zhǔn)的圖符庫(kù)的構(gòu)建和圖符復(fù)用，能夠提高畫(huà)面開(kāi)發(fā)效率，形成家族化的畫(huà)面顯示風(fēng)格，積累顯示系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的資產(chǎn)，奠定后續(xù)開(kāi)發(fā)和改進(jìn)的基礎(chǔ)。

VAPS 中包含大量圖形、字符、儀表、數(shù)據(jù)和計(jì)算控件，圖形符號(hào)設(shè)計(jì)就是通過(guò)VAPS提供的這些部件進(jìn)行HMI 的圖形化開(kāi)發(fā)，將這些基本圖元部件自由的組合，并通過(guò)建立圖形符號(hào)對(duì)象的輸入輸出，關(guān)聯(lián)內(nèi)部控制邏輯，形成更復(fù)雜的圖形符號(hào)；設(shè)計(jì)好的圖形符號(hào)保存在圖形符號(hào)庫(kù)內(nèi)，在設(shè)計(jì)畫(huà)面時(shí)，將其從庫(kù)中拖拽到設(shè)計(jì)界面，設(shè)置好圖形符號(hào)的輸入輸出數(shù)據(jù)，即可使用。

3.1.2 畫(huà)面布局

在VAPS XT 中建立一個(gè)Format 對(duì)象，從圖形符號(hào)庫(kù)選取所需的圖形符號(hào)，根據(jù)用戶需求，合理分配圖形符號(hào)位置，配置圖形符號(hào)屬性，實(shí)現(xiàn)整個(gè)畫(huà)面布局。

3.1.3 實(shí)現(xiàn)內(nèi)部邏輯

VAPS XT 內(nèi)部邏輯是通過(guò)數(shù)據(jù)流（Data Flow）實(shí)現(xiàn)的，在數(shù)據(jù)流中可以使用數(shù)值比較、邏輯判斷等VAPS 提供的語(yǔ)句，對(duì)各個(gè)圖符的輸入輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯判斷，實(shí)現(xiàn)圖符的狀態(tài)控制。

3.1.4 畫(huà)面的輸入輸出

畫(huà)面數(shù)據(jù)的輸入輸出是通過(guò)DD 文件實(shí)現(xiàn)的（設(shè)計(jì)方法見(jiàn)3.2 節(jié)），在設(shè)計(jì)好DD 文件之后，將其導(dǎo)入到VAPS 工程中，VAPS 工程將其視為一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類(lèi)型，通過(guò)創(chuàng)建Data Sender/Receiver 對(duì)象，各創(chuàng)建一個(gè)數(shù)據(jù)接收和發(fā)送對(duì)象，這兩個(gè)對(duì)象同時(shí)映射到同一個(gè)內(nèi)存空間，Data Sender 向其發(fā)送數(shù)據(jù)，Data Receiver 從內(nèi)存接收數(shù)據(jù)。將這兩個(gè)對(duì)象加入到畫(huà)面中與畫(huà)面進(jìn)行關(guān)聯(lián)，則完成用戶到畫(huà)面的接口操作。3.1.5 畫(huà)面測(cè)試

在畫(huà)面設(shè)計(jì)完成后，需要對(duì)畫(huà)面的顯示邏輯、接口通訊進(jìn)行測(cè)試。通過(guò)設(shè)置Data Sender 對(duì)象的各個(gè)元素的值，畫(huà)面便可以通過(guò)Data Receiver 對(duì)象接收到數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)畫(huà)面進(jìn)行測(cè)試。如圖2所示。

3.2 DD文件定義

為了使兩個(gè)或多個(gè)VAPS XT 設(shè)計(jì)的應(yīng)用能夠互相交聯(lián)，或者使VAPS XT 構(gòu)建的應(yīng)用和外部應(yīng)用交聯(lián)，VAPS XT 提供了nCom 接口進(jìn)行通訊。nCom 提供了DD 文件作為數(shù)據(jù)接口，通過(guò)構(gòu)建Data Sender/Receiver 對(duì)象，來(lái)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用間的通訊。

因此，DD 文件可以作為通訊數(shù)據(jù)與畫(huà)面顯示的通道。CDS 端接收總線的通訊數(shù)據(jù)，并解析處理，將解析后的數(shù)據(jù)以DD 的格式通過(guò)nCom 傳遞給構(gòu)成畫(huà)面的每個(gè)圖符模型的參數(shù)，驅(qū)動(dòng)畫(huà)面中每個(gè)圖符的顯示。

DD 文件本質(zhì)上是XML 格式文件，文件語(yǔ)法遵從XML，并在其基礎(chǔ)上有所簡(jiǎn)化，一個(gè)簡(jiǎn)單的DD 文件如下：

表1

圖1：座艙顯示架構(gòu)

圖2：VAPS XT 畫(huà)面設(shè)計(jì)流程

DD 文件必須以dataDescription 為根節(jié)點(diǎn)，其屬性名字必須與DD 文件名一致，如上述文件為Float50.dd，文件的dataDescription 節(jié)點(diǎn)的屬性必須為Float50；field 為子節(jié)點(diǎn)，每個(gè)field 子節(jié)點(diǎn)都標(biāo)示一個(gè)變量；每個(gè)field 節(jié)點(diǎn)都包換三個(gè)子節(jié)點(diǎn)name、type、cardinality，這三個(gè)子節(jié)點(diǎn)的元素分別標(biāo)示變量名、變量類(lèi)型、變量維數(shù)。值得一提的是，DD 文件不支持二維數(shù)組和結(jié)構(gòu)體，如果想使用結(jié)構(gòu)體，則必須采用DD 文件嵌套的方式。

3.3 通信數(shù)據(jù)的I/O處理

CDS 端顯示的數(shù)據(jù)從根本上來(lái)說(shuō)是各個(gè)航電子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是UA（User Application）端從總線上獲取的，然后再經(jīng)過(guò)處理通過(guò)總線或者共享內(nèi)存的方式傳輸?shù)紺DS 端。由于UA 端和CDS 端的硬件或者軟件配置的不同（例如系統(tǒng)大小端序不同、結(jié)構(gòu)體對(duì)齊方式不同等），CDS 通訊應(yīng)用需要把接收到的通訊數(shù)據(jù)再一次處理，轉(zhuǎn)換成VAPS工具中的DD 文件結(jié)構(gòu)。

在VAPS XT 中，DD 文件最終轉(zhuǎn)換為用戶I/O 緩存，可以通過(guò)DD 的名字來(lái)索引到I/O 緩存的句柄。將CDS 處理后的數(shù)據(jù)復(fù)制到I/O 緩存里，VAPS XT 便可以獲取數(shù)據(jù)到從而驅(qū)動(dòng)畫(huà)面顯示。VAPS XT 分別為C++和C 語(yǔ)言分別提供了索引DD 共享內(nèi)存的方式，在這里我們采用的是C++方式。

VAPS XT為我們提供了一個(gè)vxtRTUserIntegrationCallbacksI 的基類(lèi)，通過(guò)設(shè)計(jì)這個(gè)基類(lèi)的派生類(lèi)可以完成I/O 數(shù)據(jù)緩存等用戶接口的初始化。此基類(lèi)提供了4 個(gè)虛函數(shù)需要實(shí)例化，具體見(jiàn)表1。

4 結(jié)束語(yǔ)

VAPS XT 工具的使用從根本上改變了座艙顯示開(kāi)發(fā)方法，使得設(shè)計(jì)工作主要集中在構(gòu)建畫(huà)面和數(shù)據(jù)接口上，省去了大量圖形的編程開(kāi)發(fā)與調(diào)試工作，也可以很方便的將設(shè)計(jì)過(guò)程中的文件移植到不同的環(huán)境中去。VAPS XT工具的使用使得需求和設(shè)計(jì)緊密結(jié)合，快速高效迭代，從而優(yōu)化了設(shè)計(jì)過(guò)程，降低開(kāi)發(fā)成本。