軍用電子飛行包周邊鍵設計與驗證

張 貞，茅 坪

（海軍研究院，上海 200436）

電子飛行包是飛行人員的一種飛行輔助工具［1］，是在駕駛艙使用的電子顯示系統(tǒng)，可以進行各個飛行階段的計算和檢查工作，如瀏覽電子航圖、查詢氣象資料、顯示情報信息、執(zhí)行油量計算等［2-3］。近年來，美國空軍已經為C-5、C-17、C-130、KC-10、KC-135等多個型號的大約1160架戰(zhàn)機和16000多名機組人員提供了基于iPad的電子飛行包服務，從而極大地提升了飛行安全性和工作效率［4］。

目前，我國軍機飛行員大多仍舊使用紙質飛行圖囊，部分運輸機上會使用平板電腦進行一些數(shù)據(jù)航圖資料的查詢，但不具備飛行計劃制定、飛行數(shù)據(jù)計算等功能，因此急需裝備軍用電子飛行包以減輕飛行員工作負擔，提高工作效率。在高速飛行狀態(tài)下，飛行員通常是通過周邊鍵方式同軍用機載設備進行人機交互，以保證機載設備響應快捷，可靠性高，從而提升機載設備的使用效能。本文即是圍繞軍用電子飛行包的周邊鍵進行設計和驗證［5-7］。

1 總體設計

周邊鍵是飛行員與電子飛行包進行交互的樞紐，是電子飛行包至關重要的組成部分［8］。本文采用物理按鍵和虛擬按鍵相結合的設計方式，使用按鍵功能復用的設計思想，利用串口數(shù)據(jù)通信和C++面向對象程序設計語言，設計并開發(fā)出了支持多級按鍵相關聯(lián)的菜單式周邊鍵，系統(tǒng)總體工作流程如圖1所示，系統(tǒng)外觀如圖2所示。

圖1 周邊鍵總體工作流程Fig.1 Overall workflow of peripheral key

圖2 周邊鍵硬件設備及按鍵編號Fig.2 Peripheral hardware and key number

具體步驟如下：

（1）數(shù)字電路板與顯示計算機通過USB接口連接，并利用該接口進行數(shù)據(jù)傳輸和供電。

（2）按鍵信號采集程序采用線程循環(huán)方式，實時監(jiān)測數(shù)字電路板上物理按鍵的狀態(tài)。

（3）當物理按鍵被按下時，信號采集程序將物理按鍵觸發(fā)的數(shù)字信號傳遞到按鍵功能識別算法中，該算法通過按鍵的等級和按鍵被按下的先后次序，計算出需要執(zhí)行的功能。

（4）顯示界面調用程序接收按鍵功能識別算法計算的結果，從待顯示界面中，調用當前需要的界面，在顯示器與物理按鍵相對應的位置，顯示虛擬按鍵。

（5）由于顯示屏是觸摸屏，當點擊虛擬按鍵時，虛擬按鍵產生的數(shù)字信號和其對應的物理按鍵產生的數(shù)字信號一樣，此時系統(tǒng)跳轉到步驟（2）中。

（6）待顯示界面采用隊列的方式，對多個界面進行顯示和隱藏狀態(tài)的管理。

通過上述設計，無論飛行員按壓的是物理按鍵還是虛擬按鍵，系統(tǒng)都執(zhí)行同樣的功能，從而達到虛實結合的效果。實際飛行中飛行員主要操作物理按鍵，虛擬按鍵主要通過文字或符號提示飛行員當前按鍵對應的功能，避免戰(zhàn)機抖動時的無效操作或誤操作。

2 硬件和軟件設計

2.1 硬件設計

電子飛行包周邊鍵由32個按鍵組成，每個按鍵與電路板上的觸發(fā)按鈕相連接，并采用高強度材料進行封裝，周邊鍵包圍的區(qū)域，是一臺觸摸屏電腦，可使用Surface、iPad、華為Pad等便攜式觸摸屏電腦。周邊鍵通過RS-485通信接口與顯示主機的USB接口相連，采用全雙工方式與電腦設備進行數(shù)據(jù)傳輸。為方便描述，為每個按鍵進行了命名，命名規(guī)則為從上到下、從左到右，以單詞Key的首字母K開頭，如圖2所示。當某一按鍵被按下時，硬件設備會產生一個數(shù)字信號，每個按鍵的編號及產生的數(shù)字信號值如表1所示。

表1 按鍵所產生的數(shù)字信號值Tab.1 The value of the digital signal generated by the keystroke

2.2 按鍵信號采集程序

該程序主要負責采集硬件設備觸發(fā)的數(shù)字信號，并將采集到的數(shù)字信號以Socket網(wǎng)絡通信的方式發(fā)送到按鍵功能識別算法中。該程序的工作流程為：軟件啟動后將開辟一個線程，該線程實時監(jiān)控與硬件設備所連接的串口，當按鍵狀態(tài)發(fā)生變化產生數(shù)據(jù)時讀取該數(shù)據(jù)，并采用UDP協(xié)議將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到按鍵功能識別算法中，僅當采集到數(shù)據(jù)時才執(zhí)行網(wǎng)絡發(fā)送命令，沒有采集到數(shù)據(jù)時不進行發(fā)送。

2.3 按鍵功能識別算法

該算法實現(xiàn)按鍵所觸發(fā)的數(shù)字信號值與待調用軟件具體功能的匹配，其難點在于周邊鍵功能的復用。該算法借鑒軟件菜單的設計思想，使用按鍵分級和功能分級策略，采用樹狀結構，將按鍵分為一級、二級、三級按鍵；將軟件功能分為一級、二級、三級功能，其中每一級按鍵對應每一級功能。按鍵分級策略為：一級按鍵，包括頂部按鍵6個，底部按鍵6個，按鍵編號區(qū)間為［k01，k12］，這些按鍵在軟件的整個生命期都有效；任意時刻，有且只有一個按鍵生效，生效按鍵為一級按鍵的當前按鍵，其他按鍵為一級按鍵的未生效按鍵；系統(tǒng)啟動時，默認編號K01的按鍵為當前按鍵。一級按鍵可以擁有多個子鍵（二級按鍵），在K01鍵生效時，二級按鍵都是它的子鍵。二級及三級按鍵的策略同一級按鍵，按鍵分級關系如圖3所示。

圖3 按鍵分級及關系Fig.3 Keystroke grading and relationship

采用按鍵分級之后，三個級別的按鍵最多具有12×10×10=1200種組合，若每個組合對應一種功能，則可對應1200種功能，能夠滿足電子飛行包功能設計的需要。

對應于按鍵分級，按鍵功能響應策略為：一級功能，該級功能對應于待調用軟件模塊級別的功能，是系統(tǒng)的頂級功能。當某個一級功能被激活時，系統(tǒng)的界面切換到該功能對應的模塊。任意時刻，有且只有一個一級功能被激活，激活的功能為一級功能的當前功能，其他功能為一級功能的未激活功能；一級功能可以包含多個子功能（二級功能）。二級和三級功能的響應策略同一級功能。整個軟件系統(tǒng)的功能及與按鍵的關聯(lián)如表2所示，用戶可以根據(jù)實際情況對功能及按鍵進行擴展和調整。

2.4 顯示界面調用程序

該程序負責顯示器中可視化界面管理和切換。程序啟動后，將系統(tǒng)需要使用的所有軟件都打開，并將軟件的窗口設置為隱藏狀態(tài)。當程序接收到某條命令后，找到該命令對應的窗口，將該窗口置頂，設置為顯示狀態(tài)，同時將其他窗口設置為隱藏狀態(tài)。該程序也負責周邊鍵文字提示窗口的管理，同一周邊鍵在不同時刻所對應的功能不一樣，系統(tǒng)需要根據(jù)周邊鍵的當前功能動態(tài)更新周邊鍵的文字提示。系統(tǒng)為表2中的每一種功能都創(chuàng)建了文字提示窗口，并將窗口背景設置為半透明，通過移動窗口位置的方式確保其顯示位置與物理周邊鍵相對應，待調用的功能軟件界面顯示在該半透明提示符號的下層。周邊鍵功能改變時，實現(xiàn)文字提示的動態(tài)切換。生效周邊鍵的文字提示窗口背景為紅色，未生效周邊鍵的文字提示背景為藍色，以示區(qū)分。

表2 軟件功能與周邊鍵的對應關系（限于篇幅，僅列出部分對應關系）Tab.2 Corresponding relationship between software functions and peripheral keys

2.5 待顯示界面

由于電子飛行包設備只有單個屏幕，而飛行員在各個飛行階段需要調取的數(shù)據(jù)和資源并不一致，使用的軟件功能也各不相同，因此需要對這些軟件的界面進行統(tǒng)一管理，并將其歸類為待顯示界面，本系統(tǒng)所設計的待顯示界面包括二維航圖、三維視景、多屏顯示、文件管理、高度計算、領航計算、轟炸計算、靶場計算、飛行計劃、桌面鍵盤、系統(tǒng)設置、退出系統(tǒng)等12個窗口，每個窗口分別與一級周邊鍵相對應。

3 試 驗

采用本文的思路和方法，設計出電子飛行包系統(tǒng)的周邊鍵，并對其進行試驗，試驗參數(shù)分別為：（1）硬件設備：自制周邊鍵設備、RS485數(shù)據(jù)線、Surface Pro4；（2）操作系統(tǒng)：Windows10 64位，版本號1903；（3）CPU及內存：Intel酷睿i7 6650U，16G DDR4內存；（4）顯卡：Intel GMA Iris 540；（5）波特率：115200；（6）待顯示界面：二維航圖、三維視景、多屏顯示、文件管理、高度計算、領航計算等12個界面。

圖4為電子飛行包系統(tǒng)的二維航圖功能顯示效果，該功能為電子飛行包系統(tǒng)的一級功能，對應一級周邊鍵K01，該周邊鍵對應的文字提示為紅色，說明當前該周邊鍵生效。按下其他周邊鍵，對應顯示相應功能。

圖4 二維航圖界面Fig.4 Two-dimensional aerial map interface

試驗步驟如下：

（1）開發(fā)出相關的待顯示軟件，并安裝在Surface Pro4中，構建出電子飛行包設備。

（2）使用RS485數(shù)據(jù)線實現(xiàn)周邊鍵和電子飛行包設備的連接。

（3）啟用周邊鍵運行所需要的按鍵采集程序、顯示界面調用程序和待顯示界面程序。

（4）按照前期設定按鍵與功能對應關系，依次按下指定的實體按鍵或虛擬按鍵。

（5）查看顯示結果與前期設置的是否一致。

4 結 語

本文將物理周邊鍵和虛擬周邊鍵有機結合，結合按鍵可重復使用設計思路，設計出了滿足軍用電子飛行包需求的周邊鍵設備，并通過試驗驗證了周邊鍵的有效性和可靠性，設備具有結構簡單、使用方便、易于擴展的特點，可擴展應用到其他便攜式穿戴設備中。