基于SCADE Display的座艙顯示軟件開(kāi)發(fā)實(shí)踐研究

王柯云 張青峰 魏石峰

（中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所 江西省景德鎮(zhèn)市 333001）

近年來(lái)，我國(guó)航空電子領(lǐng)域飛速發(fā)展，航空電子系統(tǒng)綜合化已經(jīng)成為當(dāng)下的趨勢(shì)。座艙顯示系統(tǒng)（Cockpit Display System, CDS）是航空電子系統(tǒng)人機(jī)交互的接口，將航電等各機(jī)載系統(tǒng)綜合成一個(gè)整體，從而實(shí)現(xiàn)飛行信息的綜合顯示與控制。座艙顯示軟件的開(kāi)發(fā)是綜合航電系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的重要環(huán)節(jié)。

早期的飛機(jī)駕駛艙由大量機(jī)械儀表盤構(gòu)成，所提供的數(shù)據(jù)十分冗雜，無(wú)法完成多個(gè)儀表盤之間的信息共享與融合，飛行員需要對(duì)儀表盤上顯示的數(shù)據(jù)進(jìn)行人工計(jì)算與綜合判斷，才能準(zhǔn)確了解飛機(jī)的飛行狀態(tài)，除此之外，飛行員還必須不斷在機(jī)外環(huán)境與儀表盤之間切換視角，容易導(dǎo)致飛行員無(wú)法及時(shí)判斷當(dāng)前飛行狀態(tài)，亦容易導(dǎo)致飛行員視覺(jué)疲勞與誤操作，危及飛行安全。20世紀(jì)70年代，國(guó)外開(kāi)始進(jìn)行對(duì)數(shù)字化駕駛艙系統(tǒng)的研究，波音公司在此研究基礎(chǔ)上首次開(kāi)發(fā)并裝備了具有多個(gè)顯示器屏幕的綜合駕駛艙顯示系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了各類信息的融合顯示，標(biāo)志著駕駛艙顯示系統(tǒng)進(jìn)入綜合數(shù)字顯示系統(tǒng)的時(shí)代。此后，越來(lái)越多的飛行數(shù)據(jù)與飛行相關(guān)信息被集成到駕駛艙顯示系統(tǒng)內(nèi)，“座艙顯示系統(tǒng)”這一概念也逐步成型。

現(xiàn)在的座艙人機(jī)界面主要由多功能顯示器（Multi-Function Display, MFD）組成，多功能顯示器一般處于飛行員的視線下方，屏幕周邊有多個(gè)按鍵，飛行員通過(guò)按鍵進(jìn)行切換頁(yè)面、查看航線等功能。多功能顯示器能夠綜合顯示直升機(jī)的各種信息，如飛行、機(jī)電等，實(shí)時(shí)反映航電系統(tǒng)中各類機(jī)載設(shè)備的狀態(tài)。飛行員通過(guò)多功能顯示器獲取飛行所需的信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)直升機(jī)的操控。座艙顯示軟件中包含導(dǎo)航、地圖、姿態(tài)等各種畫面，每個(gè)畫面中又包含各種圖符，以飛行畫面為例，該畫面中包含地平儀、指示空速、羅盤等圖符。因此，如何安全高效地開(kāi)發(fā)圖符成為了座艙顯示軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。

眾多科研工作者都對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了深入研究。張杰表明軟件的開(kāi)發(fā)模式對(duì)軟件的安全性有著極大影響，隨后介紹了基于模型的開(kāi)發(fā)方法，并將該方法應(yīng)用于型號(hào)軟件建模中，試驗(yàn)結(jié)果證明，使用基于模型的開(kāi)發(fā)方法開(kāi)發(fā)的軟件安全性和可靠性都得到了較大提高。姚旭寅基于對(duì)ARINC661規(guī)范的研究和SCADE開(kāi)發(fā)工具，提出了一種通用的ARINC661顯示軟件開(kāi)發(fā)框架，為基于ARINC661架構(gòu)的駕駛艙顯示系統(tǒng)數(shù)字化仿真、顯示軟件開(kāi)發(fā)提供了研究基礎(chǔ)。楊衛(wèi)風(fēng)引入VAPS工具進(jìn)行多功能顯示器的仿真，首先使用VAPS對(duì)多功能顯示器的顯示畫面進(jìn)行設(shè)計(jì)，生成ActiveX控件，然后建立仿真軟件和控制源間的數(shù)據(jù)通信，最后通過(guò)解析處理通信消息實(shí)現(xiàn)多功能顯示器的畫面驅(qū)動(dòng)，完成了航電系統(tǒng)的綜合仿真試驗(yàn)。

1 基于代碼的傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)方法

目前，國(guó)內(nèi)座艙顯示軟件主要采用C/C++等高級(jí)語(yǔ)言提供繪圖函數(shù)、OpenGL接口提供圖形API的傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)方法，這種開(kāi)發(fā)方法需要開(kāi)發(fā)人員手工編寫用于控制邏輯的C語(yǔ)言代碼和用于繪制畫面的OpenGL代碼，用戶只能在編譯代碼并執(zhí)行程序后才能觀察到畫出的圖形是否符合預(yù)期，極大地影響了開(kāi)發(fā)效率。隨著航電系統(tǒng)的高速發(fā)展，其復(fù)雜程度不斷增加，邏輯控制需求不斷變更，因此開(kāi)發(fā)的工作量和代碼難度都日益增大，后期維護(hù)成本也十分高昂。

從目前的現(xiàn)狀來(lái)看，座艙顯示系統(tǒng)通常根據(jù)型號(hào)的應(yīng)用需求來(lái)開(kāi)發(fā)，這些需求各不相同，導(dǎo)致座艙顯示軟件存在著難移植、難重用的問(wèn)題。并且，傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)方式遵循“基于代碼”的開(kāi)發(fā)方法，整個(gè)軟件生命周期中的核心是軟件編碼，設(shè)計(jì)過(guò)程中所做的軟件需求、概要設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)都是為了軟件編碼；而單元測(cè)試、集成測(cè)試、系統(tǒng)測(cè)試都是為了驗(yàn)證代碼的正確性?；诖a的開(kāi)發(fā)方法依賴于手工編碼，對(duì)軟件開(kāi)發(fā)人員與軟件測(cè)試人員而言，都存在工作量大、開(kāi)發(fā)效率低的問(wèn)題。若測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)某些問(wèn)題產(chǎn)生的原因是概要設(shè)計(jì)或詳細(xì)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，那么需要重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)人員再根據(jù)設(shè)計(jì)對(duì)代碼進(jìn)行修改，造成開(kāi)發(fā)周期延長(zhǎng)、開(kāi)發(fā)成本增加；并且，由于軟件編碼階段處于整個(gè)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)工作的后期，若出現(xiàn)該種問(wèn)題，對(duì)型號(hào)項(xiàng)目而言，也會(huì)導(dǎo)致整個(gè)項(xiàng)目周期延長(zhǎng)、維護(hù)成本變高。因此，基于代碼的傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)方法已經(jīng)越來(lái)越無(wú)法適應(yīng)高速發(fā)展的航電系統(tǒng)了。

2 基于模型的開(kāi)發(fā)方法

21世紀(jì)以來(lái)，伴隨著航空電子技術(shù)不斷進(jìn)步、設(shè)備硬件水平不斷提高，座艙顯示系統(tǒng)的功能越來(lái)越強(qiáng)大，其布局和信息顯示方式都在飛快更迭。現(xiàn)如今觸控顯示屏已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各類電子設(shè)備的控制終端，座艙顯示系統(tǒng)同樣正在朝著大屏幕化、綜合化、信息化和智能化的方向發(fā)展，觸控顯示技術(shù)已然成為未來(lái)座艙顯示軟件的研究方向，相應(yīng)地，軟件的復(fù)雜程度也會(huì)有顯著提升。

與基于代碼的傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)方法相比，基于模型的開(kāi)發(fā)方法更加聚焦于需求，這種開(kāi)發(fā)方法可以將開(kāi)發(fā)人員從繁瑣的代碼編寫中解放出來(lái)，減少代碼冗余的同時(shí)將開(kāi)發(fā)的焦點(diǎn)從代碼轉(zhuǎn)移到模型，使開(kāi)發(fā)人員可以避免機(jī)械性的重復(fù)編碼工作，專注于圖形界面的設(shè)計(jì)?；谀Ｐ偷拈_(kāi)發(fā)方法逐漸取代傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)方法成為座艙顯示軟件開(kāi)發(fā)的主流方法，基于模型的開(kāi)發(fā)工具也隨之迅速發(fā)展，現(xiàn)在應(yīng)用得比較廣泛的工具有Simulink、Rhapsody、SCADE等。

SCADE Display是一種基于模型的圖形化開(kāi)發(fā)工具，提供了一個(gè)高安全性的應(yīng)用開(kāi)發(fā)環(huán)境，由于其強(qiáng)大的建模功能被廣泛應(yīng)用于高安全性系統(tǒng)和嵌入式軟件的開(kāi)發(fā)。圖形化的開(kāi)發(fā)方式相較于傳統(tǒng)代碼而言更加容易理解，并且，SCADE Display對(duì)于圖符的繪制有著先天的優(yōu)勢(shì)，遠(yuǎn)比使用人工編碼進(jìn)行畫面開(kāi)發(fā)直觀，同時(shí)也更加有利于后期的維護(hù)、擴(kuò)展和重用。并且，SCADE Display支持中文顯示，能夠更好地滿足我國(guó)飛行員的需求。SCADE Display的KCG代碼生成器經(jīng)過(guò)了DO-178B/DO-178C工具鑒定，能夠自動(dòng)生成符合標(biāo)準(zhǔn)的C語(yǔ)言代碼，可用于開(kāi)發(fā)A級(jí)航空國(guó)防軟件，提高了軟件的可靠性，對(duì)于開(kāi)發(fā)人員而言，后期集成工作也更加容易。機(jī)載軟件往往會(huì)受到硬件環(huán)境的限制，基于模型的開(kāi)發(fā)方法能夠?qū)Ⅱ?yàn)證工作提前到模型級(jí)，即詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，在這一開(kāi)發(fā)階段中進(jìn)行驗(yàn)證，能夠?qū)⒂布?duì)軟件的影響與限制降到最低，從而縮短整體項(xiàng)目周期?；赟CADE Display的具體開(kāi)發(fā)與集成流程如圖1所示。

圖1：SCADE Display的開(kāi)發(fā)與集成流程圖

3 座艙顯示軟件開(kāi)發(fā)實(shí)踐

“基于模型”的軟件開(kāi)發(fā)方法為座艙顯示軟件提供了一條新的解決途徑，使用可視化的圖形開(kāi)發(fā)工具SCADE Display進(jìn)行座艙顯示設(shè)計(jì)，能夠縮短型號(hào)軟件開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)成本。但是由于綜顯軟件中有許多不同系統(tǒng)交聯(lián)，往往需要不停進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)，例如，當(dāng)座艙顯示系統(tǒng)需要與其他系統(tǒng)進(jìn)行通訊時(shí)，使用SCADE Display就會(huì)受到限制，同等條件下，使用C語(yǔ)言類編程語(yǔ)言，在數(shù)據(jù)收發(fā)、程序移植方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

所以，在座艙顯示軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中，將基于模型的開(kāi)發(fā)方法與傳統(tǒng)編碼相結(jié)合，利用Visual Studio 2010的程序設(shè)計(jì)靈活性和SCADE Display便捷的繪圖能力混合編程，取兩者優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行座艙顯示軟件的開(kāi)發(fā)，即可以充分發(fā)揮SCADE Display在圖符繪制上的強(qiáng)大處理能力，又可以利用C語(yǔ)言進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)的靈活性與可擴(kuò)展性，有效提高開(kāi)發(fā)效率。如圖2所示。

圖2：SCADE Display工程與VS工程的數(shù)據(jù)傳遞方式

3.1 SCADE開(kāi)發(fā)實(shí)踐

3.1.1 繪制圖符

SCADE Display主要用于顯示畫面的開(kāi)發(fā)，通過(guò)其GUI編輯器對(duì)圖符進(jìn)行繪制建模，GUI編輯器提供圖元、容器、工具欄等功能窗口，繪制完成后，再對(duì)圖形對(duì)象添加相應(yīng)的邏輯，從而驅(qū)動(dòng)圖符。

從SCADE Display的面板中可選擇基本圖元、遮罩、容器等進(jìn)行圖符的繪制。以地平儀為例，新建一個(gè).ogfx格式的控件，使用線、圓、文本等基本圖元和Panel容器在畫布中繪制出地平儀，控件文件命名為：AOL_SKYLINE.ogfx。如圖3所示。

圖3：地平儀圖符與樹(shù)形結(jié)構(gòu)

3.1.2 設(shè)計(jì)圖符邏輯

圖形對(duì)象在每個(gè)描畫周期都會(huì)被擦除和重畫，在這些圖形對(duì)象中，需要移動(dòng)和變化的部分是通過(guò)變量來(lái)控制的，在SCADE Display里面，這些變量被稱為Plugs。與C語(yǔ)言相同，SCADE Display中的變量也是大小寫敏感的。一個(gè)變量可以關(guān)聯(lián)多個(gè)屬性參數(shù)，當(dāng)變量的值發(fā)生變化時(shí)，屬性參數(shù)也會(huì)相應(yīng)更新。例如橫滾角，就可以通過(guò)“Angle”參數(shù)來(lái)設(shè)置。

SCADE Display也支持輸入表達(dá)式和一些簡(jiǎn)單的運(yùn)算符來(lái)控制屬性，例如+、-、*、/、And、Or、Not、int類型強(qiáng)制轉(zhuǎn)換、三元操作符等。以地平儀的橫滾角屬性為例，在地平儀圖符上顯示的橫滾角需要控制上下限，使其超限時(shí)停留在限制范圍邊緣處。例子中的橫滾角邊緣為正負(fù)60度，這時(shí)，就需要用到三元操作符，具體如圖4所示。

圖4：橫滾角停留在邊緣的邏輯屬性

SCADE Display工程中的變量相當(dāng)于一個(gè)接口，將圖符屬性和SCADE外部文件中的變量進(jìn)行關(guān)聯(lián)，這樣可以通過(guò)VS工程中的代碼傳值給SCADE Display的接口變量來(lái)驅(qū)動(dòng)圖符。這些SCADE Display變量可以在編輯器下方的數(shù)據(jù)字典里查看。變量數(shù)據(jù)字典如圖5所示。

圖5：變量數(shù)據(jù)字典

3.1.3 SCADE動(dòng)畫/仿真

圖符邏輯設(shè)置好后，可以通過(guò)SCADE Display自帶的動(dòng)畫/仿真功能進(jìn)行測(cè)試。這一步與傳統(tǒng)代碼開(kāi)發(fā)有著較大的區(qū)別，傳統(tǒng)代碼開(kāi)發(fā)方式以手寫代碼為核心，而SCADE建模則用圖形化建模取代了手寫代碼，可以將單元測(cè)試提前到模型階段，縮短了開(kāi)發(fā)周期中用于軟件測(cè)試的時(shí)間。

依然以地平儀為例，將控制俯仰值的變量與控制橫滾角的變量分別設(shè)置為10和-45，地平儀變化如圖6所示。

圖6：地平儀仿真

3.1.4 生成C代碼并進(jìn)行集成

SCADE Display設(shè)計(jì)檢查器能夠根據(jù)指定規(guī)則對(duì)圖形模型進(jìn)行檢查。包括是否滿足建模方法要求、命名規(guī)則、圖形設(shè)計(jì)模式、是否滿足性能要求（避免產(chǎn)生冗余的調(diào)用），同時(shí)設(shè)計(jì)檢查器還能提供修正和變更建議。

通過(guò)檢查后，使用Display KCG自動(dòng)生成C語(yǔ)言代碼，生成的代碼文件與控件文件名相同，為AOL_SKYLINE.c和AOL_SKYLINE.h。再打開(kāi)VS2010已建立好的工程框架，將生成的代碼添加進(jìn)工程進(jìn)行集成。

表1：代碼行數(shù)對(duì)比

需要在工程中將SCADE Display生成的地平儀函數(shù)初始化并進(jìn)行相關(guān)的聲明，初始化地平儀圖符顯示的代碼如下所示：

scade_draw_start();

aol_SKYLINE_draw(pContext, 0);

scade_draw_end();

在VS工程中調(diào)用SCADE Display生成的地平儀圖符函數(shù)時(shí)，需要把從其他系統(tǒng)收到的數(shù)據(jù)傳給在SCADE Display中定義好的接口變量，如俯仰值、橫滾值等，相關(guān)代碼如下所示：

3.2 傳統(tǒng)代碼開(kāi)發(fā)實(shí)踐

使用傳統(tǒng)代碼繪制地平儀圖符，主要使用到的是OpenGL圖形庫(kù)。

手工編碼的缺點(diǎn)在于，就算只是一根簡(jiǎn)單的直線，也需要一行單獨(dú)的代碼來(lái)進(jìn)行編寫。在地平儀圖符中，圖符的顏色、線條的粗細(xì)、文本的大小都需要開(kāi)發(fā)人員反復(fù)設(shè)置與編寫，代碼如下所示：

glLineWidth(4.0f); //設(shè)置直線的寬度

ggmSetColor(GREEN); //設(shè)置線條的顏色

ggmLine(-radius + 40, 0, -28.3, 0); //繪制所需的直線

在繪制三角形時(shí)，還需要用到三角函數(shù)來(lái)進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算，代碼如下所示：

textX1=radius*sin(ARC(15));

textY1=radius*cos(ARC(15));

并且，如果需求變更，地平儀圖符的尺寸需要更改，那么開(kāi)發(fā)人員需要重新編寫代碼進(jìn)行繪制，開(kāi)發(fā)內(nèi)容重復(fù)而繁瑣。使用SCADE Display的話，其自帶的比例屬性就可以對(duì)圖符尺寸進(jìn)行調(diào)節(jié)，而不必重新繪制，極大地提高了可復(fù)用性，同時(shí)也降低了開(kāi)發(fā)成本。

最終統(tǒng)計(jì)得到開(kāi)發(fā)地平儀圖符所需的代碼行數(shù)如表1所示。

從表1中可以看出，使用基于SCADE Display模型的開(kāi)發(fā)方式生成的代碼行數(shù)大于基于傳統(tǒng)代碼的開(kāi)發(fā)方式，相應(yīng)地，這種方式繪制的圖符也更為精細(xì)。此外，模型自動(dòng)生成代碼減少了手工編碼的時(shí)間，避免了因重復(fù)編寫代碼而造成的紕漏，提高了開(kāi)發(fā)效率。

4 結(jié)論

本文提出一種結(jié)合SCADE Display與Visual Studio 2010的座艙顯示軟件開(kāi)發(fā)方法，對(duì)“基于模型”和“基于代碼”的軟件開(kāi)發(fā)方式進(jìn)行了結(jié)合，結(jié)果證明，使用該方法開(kāi)發(fā)座艙顯示軟件，軟件的顯示效果可以滿足座艙系統(tǒng)顯示頁(yè)面開(kāi)發(fā)的需求，同時(shí)縮短了開(kāi)發(fā)時(shí)間；通過(guò)模型仿真的方式進(jìn)行需求驗(yàn)證，使驗(yàn)證工作更加充分，亦降低了驗(yàn)證成本。應(yīng)用SCADE Display進(jìn)行座艙顯示開(kāi)發(fā)，使軟件開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)工作主要集中在繪制圖符、構(gòu)建畫面與定義數(shù)據(jù)接口上，節(jié)省了大量的圖形手工代碼編程與調(diào)試工作，將軟件開(kāi)發(fā)重點(diǎn)由編碼階段提前到設(shè)計(jì)階段，顯著提高軟件的安全性和可靠性。SCADE Display自動(dòng)生成的符合DO-178C標(biāo)準(zhǔn)的代碼也可以便捷地移植到不同環(huán)境中，能夠很好地滿足機(jī)載軟件高安全性軟件開(kāi)發(fā)要求。結(jié)合SCADE Display和Visual Studio 2010的座艙顯示軟件開(kāi)發(fā)方法已經(jīng)成功在樣機(jī)上實(shí)現(xiàn)，該方法對(duì)于后續(xù)的直升機(jī)型號(hào)研發(fā)也有著一定的參考意義。