某型機(jī)電顯示裝置任務(wù)可靠性提升和雙機(jī)切換機(jī)制研究

盧小軍 徐錦順 胡亮

（蘇州長風(fēng)航空電子有限公司 江蘇省蘇州市 215151）

隨著航空機(jī)載顯示器數(shù)字化和集成化的快速發(fā)展，機(jī)電控制顯示裝置在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上集成控制接口和觸摸功能。飛行員可直接通過機(jī)電控制顯示裝置獲取機(jī)電參數(shù)、故障信息，同時(shí)能通過觸摸功能對(duì)機(jī)電系統(tǒng)中的其他設(shè)備進(jìn)行控制及人機(jī)交互。機(jī)電控制顯示裝置重要度越來越高，因此對(duì)可靠性要求也越來越高，在機(jī)電系統(tǒng)中通常采用前后艙各布置一臺(tái)的設(shè)計(jì)，兩臺(tái)機(jī)電控制顯示裝置互為備份，可根據(jù)工作狀態(tài)自動(dòng)切換控制權(quán)限，也可由飛行員手動(dòng)切換控制權(quán)限，以提高機(jī)電系統(tǒng)的任務(wù)可靠性。

本文旨在根據(jù)機(jī)電控制顯示裝置的實(shí)際使用需求和操作方式進(jìn)行分析，結(jié)合我廠多年的機(jī)載座艙顯示產(chǎn)品的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，探討影響任務(wù)可靠性的重要因素，針對(duì)性制定解決措施，提高顯示裝置任務(wù)可靠性。同時(shí)探討雙機(jī)交互機(jī)制，進(jìn)一步提升產(chǎn)品交互工作中的可靠性。

1 任務(wù)可靠性提升

機(jī)電控制顯示裝置是飛行員獲知駕駛艙控制面板和開關(guān)、電源系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、操縱系統(tǒng)、旋翼防除冰裝置、發(fā)動(dòng)機(jī)防砂裝置、燃油系統(tǒng)、空速管加溫系統(tǒng)、滅火系統(tǒng)告警系統(tǒng)、艙門系統(tǒng)、輪載、輔助動(dòng)力裝置、發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制器、分子篩供氧裝置等工作狀態(tài)的重要人機(jī)界面，同時(shí)也是機(jī)內(nèi)外照明、防冰、環(huán)控、雨刷等系統(tǒng)控制中心。機(jī)電控制顯示裝置完好性對(duì)整機(jī)任務(wù)遂行具有較大影響。機(jī)電控制顯示裝置一旦出現(xiàn)故障，可能導(dǎo)致部分控制功能喪失，影響任務(wù)的有效完成。

本文對(duì)機(jī)電控制顯示裝置典型故障模式進(jìn)行分析，其中主要可能影響任務(wù)完成的故障模式有：電源故障、背光故障、觸摸失效、接口故障。下文將對(duì)典型故障進(jìn)行分析，制定提高任務(wù)可靠性的措施。

1.1 電源故障

1.1.1 故障產(chǎn)生的影響

電源轉(zhuǎn)換模塊由濾波電路、電源選擇電路、防反接電路、過壓欠壓保護(hù)電路、電壓轉(zhuǎn)換電路、BIT 電路等功能電路組成。電源轉(zhuǎn)換模塊是機(jī)電參數(shù)顯示裝置重要組成模塊之一。電源轉(zhuǎn)換模塊故障主要表現(xiàn)為機(jī)電顯示裝置黑屏（有背光）或黑屏（無背光），黑屏故障一旦發(fā)生，飛行員將無法獲取機(jī)上機(jī)電參數(shù)且無法進(jìn)行人機(jī)交互。

1.1.2 優(yōu)化分析

優(yōu)化后的電源轉(zhuǎn)換模塊采用余度設(shè)計(jì)技術(shù)，產(chǎn)品內(nèi)部設(shè)計(jì)采用2 套電源轉(zhuǎn)換模塊同時(shí)為產(chǎn)品內(nèi)部其余模塊進(jìn)行供電，單套供電電路故障時(shí)另外一套供電電路也可正常工作，不影響產(chǎn)品功能、性能，電源轉(zhuǎn)換模塊雙余度可以有效降低機(jī)電控制顯示裝置黑屏故障概率。提升機(jī)電控制顯示器裝置的任務(wù)可靠性和安全性。電源轉(zhuǎn)換模塊雙余度信號(hào)流向圖如圖1 所示。

圖1：電源轉(zhuǎn)換模塊信號(hào)流向圖

1.1.3 采取的措施

采用兩套獨(dú)立的電源轉(zhuǎn)換模塊，單個(gè)模塊故障不影響產(chǎn)品供電功能。

1.2 背光故障

1.2.1 故障產(chǎn)生的影響

背光故障主要原因?yàn)楸彻怛?qū)動(dòng)電路故障和LED燈故障，主要表現(xiàn)為機(jī)電控制顯示裝置黑屏或者亮度下降。黑屏將導(dǎo)致飛行員無法判斷機(jī)上部分系統(tǒng)的狀態(tài)，且無法進(jìn)行機(jī)上系統(tǒng)的控制。亮度下降會(huì)增加飛行員判讀難度。

1.2.2 優(yōu)化分析

理想化的背光余度需要建立兩套LED 陣列，每一組陣列可以完全實(shí)現(xiàn)全部功能。受限于背光LED 燈板尺寸，無法將兩套完整功能的LED 燈陣列放入背光LED 燈板上。為了保證LED 燈陣列的余度，將完整功能的LED 燈陣分成兩組，并設(shè)計(jì)獨(dú)立的背光控制電路。當(dāng)其中一組白色LED 燈陣列不能正常工作，顯示裝置不會(huì)黑屏，顯示亮度下降一半。背光故障主要機(jī)電控制顯示裝置黑屏或者亮度下降。背光分組余度可以有效降低機(jī)電控制顯示裝置黑屏故障概率。背光雙余度信號(hào)流向圖如圖2 所示。

圖2：背光控制信號(hào)流向圖

1.2.3 采取的措施

主要措施如下：

（1）背光設(shè)計(jì)將完整功能的LED 燈陣分成兩組LED陣列，并設(shè)計(jì)獨(dú)立的控制電路。

（2）除液晶顯示模塊內(nèi)部控制外，采用圖形產(chǎn)生部分CPU 進(jìn)行備份控制。

1.3 觸摸失效

1.3.1 故障產(chǎn)生的影響

觸摸失效故障主要表現(xiàn)為機(jī)電控制顯示裝置觸摸功能全部或者部分失效。觸摸全部失效將導(dǎo)致飛行員無法進(jìn)行機(jī)上系統(tǒng)的控制。部分失效將可能導(dǎo)致飛行員無法進(jìn)行機(jī)上部分系統(tǒng)的控制。

1.3.2 優(yōu)化分析

目前機(jī)載的成熟應(yīng)用為紅外觸控，紅外設(shè)計(jì)整體布局于有效顯示外圍，屬于光學(xué)觸控，同時(shí)紅外光線人員不可見，不影響顯示區(qū)域的光學(xué)低反射設(shè)計(jì)，不影響液晶顯示模塊的本身的強(qiáng)光可視性能；紅外觸控為光學(xué)觸控，不易收到電場(chǎng)、磁場(chǎng)的干擾，整體抗電磁干擾能力較強(qiáng)。紅外觸控需要進(jìn)行光路的對(duì)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，對(duì)整個(gè)加工、裝配的整體要求較高，高強(qiáng)度振動(dòng)條件下可能會(huì)出現(xiàn)觸控不靈敏情況（加固方式解決）；同時(shí)紅外觸控對(duì)觸控的介質(zhì)要求為不透光即可，通常不能識(shí)別灰塵、異物等產(chǎn)生的誤觸控操作，整個(gè)觸控光路路徑上需要保持清潔狀態(tài)，防止出現(xiàn)誤識(shí)別。紅外光路整體為一一對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)，目前單點(diǎn)觸控性能優(yōu)良，實(shí)現(xiàn)兩點(diǎn)觸控采用的斜掃描的方式，總體多點(diǎn)觸控的精度偏低。紅外觸控采用的觸控波段為紅外波段，與夜視儀的響應(yīng)波段有一定程度的重疊，目前已通過優(yōu)選光譜、控制光路等手段減低紅外輻射，仍難以達(dá)到完全消除的水平。

電容觸摸控制人機(jī)交互良好，已廣泛應(yīng)用于地面裝備，且克服電磁干擾等困難，逐步應(yīng)用于機(jī)載產(chǎn)品。電容設(shè)計(jì)采用的感應(yīng)電容原理，容易實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)觸控，觸控的精度相對(duì)較高；設(shè)計(jì)原理依靠的是靜電感應(yīng)，需要攜帶靜電的物體進(jìn)行觸控，可以有效規(guī)避灰塵等誤觸控。電容觸摸屏不產(chǎn)生紅外波段光線，整體夜視兼容性能優(yōu)良。

單一紅外觸控存在的多點(diǎn)識(shí)別能力弱、強(qiáng)光干擾、夜視兼容等缺點(diǎn)，雖通過優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行改善，降低風(fēng)險(xiǎn)，但并未徹底解決，為保證觸摸可靠性，增加并獨(dú)立設(shè)計(jì)電容觸控。電容觸控多點(diǎn)觸控性能優(yōu)良，但自身的抗電磁干擾能力不強(qiáng)。紅外觸控和電容觸摸均有各自優(yōu)缺點(diǎn)，將電容觸摸和紅外觸摸采用集成式設(shè)計(jì)，可以有效降低觸摸功能失效概率，紅外觸控和電容觸摸功能互為備份，將兩者優(yōu)點(diǎn)集成，同時(shí)可提高觸摸功能的可靠性。觸摸控制信號(hào)流向圖如圖3 所示。

圖3：觸摸控制信號(hào)流向圖

1.3.3 采取的措施

主要措施如下：

（1）開展軟件功能復(fù)用設(shè)計(jì)；

（2）紅外觸摸和電容觸摸功能相互備份。

1.4 接口故障

1.4.1 故障產(chǎn)生的影響

接口故障主要表現(xiàn)為機(jī)電控制顯示裝置RS422A、離散量輸入、離散量輸出功能失效。接口故障失效會(huì)引起機(jī)電控制顯示裝置無法與部分系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行信息交互，或者導(dǎo)致飛行員無法對(duì)機(jī)上部分系統(tǒng)的控制及機(jī)電參數(shù)獲取。

1.4.2 優(yōu)化分析

接口電路用于本機(jī)與它機(jī)之間的信息交互與控制，兩者的交互與控制在時(shí)間上不是連續(xù)的。因此，接口故障確認(rèn)需要本機(jī)與它機(jī)配合完成，也造成了接口故障判定確認(rèn)困難。接口電路的多余度設(shè)計(jì)多用在關(guān)鍵功能的控制輸出接口，以保證關(guān)鍵功能的成功實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵功能的接口電路在硬件設(shè)計(jì)上均增加1 路自檢電路（通過光MOS 繼電器實(shí)現(xiàn)）。發(fā)送端信號(hào)同時(shí)給到機(jī)電控制顯示裝置外部設(shè)備以及自檢電路上，自檢電路接收到的數(shù)據(jù)與實(shí)際發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，用于判斷自身工作是否正常。優(yōu)點(diǎn)在于設(shè)備初始上電或開展維護(hù)時(shí)，斷開與它機(jī)連接，本機(jī)完成激勵(lì)和檢測(cè)，確定接口電路工作狀態(tài)。接口電路回環(huán)自檢測(cè)功能全部由本機(jī)完成，可以有效隔離產(chǎn)品已發(fā)生的故障，避免將故障帶入后續(xù)任務(wù)，從而提高機(jī)電控制顯示裝置的任務(wù)可靠性。原理框圖如圖4 所示。

圖4：RS-422A 回環(huán)測(cè)試原理框圖

離散量優(yōu)化設(shè)計(jì)增加1路自檢電路利用光MOS繼電器，在上電時(shí)首先切斷外部輸入的離散量，接入FPGA 發(fā)出的自測(cè)試離散量，以此來實(shí)現(xiàn)輸入離散量的自檢測(cè)，判斷自身工作是否正常。待自檢測(cè)完成后，再接入外部輸入的離散量，斷開FPGA 發(fā)出的自測(cè)試離散量，電路恢復(fù)正常工作狀態(tài)。輸入/輸出離散量自檢原理框圖如圖5 所示。

圖5：輸入/輸出離散量自檢原理框圖

1.4.3 采取的措施

主要措施如下：

（1）增加關(guān)鍵功能控制電路余度設(shè)計(jì)；

（2）接口電路回環(huán)自檢測(cè)設(shè)計(jì)，有效剔除產(chǎn)品故障。

2 雙機(jī)切換機(jī)制分析

機(jī)電控制顯示裝置除了采用背光電路余度備份、觸摸功能備份、接口電路自回環(huán)測(cè)試等設(shè)計(jì)，還在飛機(jī)座艙內(nèi)需實(shí)現(xiàn)前后艙的機(jī)電控制顯示裝置的互為備份設(shè)計(jì)用于提高顯示裝置的任務(wù)可靠性。此設(shè)計(jì)需要充分考慮率兩臺(tái)互為備份顯示裝置的信號(hào)接收方式和控制指令傳遞形式，并對(duì)前后艙的切換方式進(jìn)行評(píng)估。

2.1 雙控制顯示裝置主輔控制方式

由于互為備份的控制顯示裝置需同時(shí)連接至同一路控制鏈路上，因此控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)的有效性顯得尤為重要，控制信號(hào)應(yīng)在兩臺(tái)控制顯示裝置同時(shí)上電過程中不產(chǎn)生沖突，主要由以下設(shè)計(jì)保證：

（1）權(quán)限控制當(dāng)前的獨(dú)一控制，任意時(shí)刻只能有一臺(tái)主機(jī)。處于主控狀態(tài)的控制顯示擁有絕對(duì)的驅(qū)動(dòng)權(quán)限，備份控制顯示裝置在該狀態(tài)下自動(dòng)丟失控制權(quán)，控制信號(hào)不應(yīng)輸出；

（2）處于備份狀態(tài)的控制顯示裝置的驅(qū)動(dòng)控制鏈路應(yīng)輸出高阻態(tài)信號(hào)，避免輸出電平的高低變化引起誤操作，避免了雙控制顯示裝置相互影響。

（3）通過兩臺(tái)控制顯示裝置之間的離散信號(hào)“本機(jī)有效”實(shí)現(xiàn)指示該控制顯示裝置是工作在主狀態(tài)或從狀態(tài)；

（4）根據(jù)安裝位置確定雙控制顯示裝置初始控制權(quán)。雙控制顯示裝置同時(shí)上電時(shí)，如果指定位置控制顯示裝置正常工作，則自動(dòng)作為主控顯示裝置；

（5）工作在主控狀態(tài)下的控制顯示裝置完成所有工作任務(wù)；

（6）工作在從狀態(tài)下的顯示裝置處于熱備份狀態(tài)，僅保持與系統(tǒng)和主機(jī)的數(shù)據(jù)通信。

2.2 雙控制顯示裝置權(quán)限切換方式

為了保證雙控制顯示裝置能夠在單臺(tái)故障的情況下可實(shí)現(xiàn)切換，保證機(jī)電控制功能的完成，可采用自動(dòng)切換和手動(dòng)切換等方法或者上述幾種方法相結(jié)合的方式。

自動(dòng)切換方式可采用心跳檢測(cè)、互相傳遞的方式進(jìn)行。兩臺(tái)控制顯示裝置周期自檢，同時(shí)周期性向?qū)Ψ桨l(fā)送“心跳”脈沖信號(hào)，其中一臺(tái)控制顯示裝置故障時(shí)，“心跳”信號(hào)異常，備份控制顯示裝置在接收到異常信號(hào)時(shí)，完成控制權(quán)的切換工作。

主要有以下方式：

（1）主控顯示裝置放權(quán)：從控顯示裝置通過總線實(shí)時(shí)向主控顯示裝置發(fā)送本機(jī)工作狀態(tài)碼；主控顯示裝置自檢到自身嚴(yán)重故障，且故障級(jí)別高于從控顯示裝置時(shí)，主控顯示裝置輸出的“本機(jī)有效”狀態(tài)信號(hào)報(bào)故，從而主動(dòng)交出控制權(quán)；

（2）從控顯示裝置請(qǐng)求主控：從控顯示裝置檢測(cè)到總線在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)無通信，應(yīng)向主控顯示裝置發(fā)送請(qǐng)求主控信息。在確認(rèn)主控顯示裝置放棄控制權(quán)后，轉(zhuǎn)為主控顯示裝置。

手動(dòng)切換方式可結(jié)合上述兩種方式使用，在座艙內(nèi)設(shè)置手動(dòng)切換按鍵，在其中一臺(tái)控制顯示裝置故障時(shí)，認(rèn)為切換至備份控制顯示裝置，手動(dòng)切換方式應(yīng)擁有最高控制權(quán)限。

2.3 雙控制顯示裝置同一信號(hào)接收和驅(qū)動(dòng)控制方式

為了確保控制信息的準(zhǔn)確性，對(duì)輸入信號(hào)和驅(qū)動(dòng)輸出信號(hào)應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)控制，主要措施如下：

（1）保證雙控制顯示裝置同時(shí)接受參數(shù)信息，因此對(duì)傳輸路徑和阻抗應(yīng)嚴(yán)格要求；

（2）輸入狀態(tài)比對(duì)互傳，在對(duì)參數(shù)進(jìn)行處理后，應(yīng)將處理信息實(shí)現(xiàn)雙控制顯示裝置互傳和比對(duì)，避免輸入路徑導(dǎo)致的誤差引起控制輸出的異常；

（3）保證輸入信號(hào)準(zhǔn)確性后輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，主控顯示裝置信號(hào)有效。

2.4 雙控制顯示裝置狀態(tài)比對(duì)控制方式

雙控制顯示裝置進(jìn)行狀態(tài)比對(duì)，有利于系統(tǒng)的健康管理。主要采取措施如下：

（1）采用雙控制顯示裝置總線交聯(lián)的方式，實(shí)現(xiàn)雙控制顯示裝置狀態(tài)實(shí)時(shí)互傳；

（2）采用狀態(tài)互比機(jī)制，要求雙控制顯示裝置狀態(tài)可比對(duì)，并對(duì)比對(duì)結(jié)果異常選型進(jìn)行顯示提示；

（3）采用權(quán)限約束的機(jī)制，保障雙控制顯示裝置狀態(tài)可根據(jù)約束進(jìn)行權(quán)限交換，相互影響。

3 結(jié)語

本探討了影響機(jī)電控制顯示裝置任務(wù)完成的典型故障模式，分析故障產(chǎn)生的原因，制定優(yōu)化改進(jìn)措施，主要通過余度設(shè)計(jì)技術(shù)，提高電源轉(zhuǎn)換電路、背光電路和觸摸電路的任務(wù)可靠性；通過回環(huán)自測(cè)技術(shù)，提高接口故障檢測(cè)的準(zhǔn)確性。此外，在機(jī)電系統(tǒng)方面，針對(duì)座艙兩臺(tái)控制顯示裝置進(jìn)行交互提升系統(tǒng)任務(wù)可靠性的實(shí)際使用情況，對(duì)兩裝置之間的主輔控制方式、切換機(jī)制、同一信號(hào)接收和驅(qū)動(dòng)控制方式及狀態(tài)比對(duì)控制方式進(jìn)行了分析論證，明確了具體操作措施，可用于后續(xù)產(chǎn)品開發(fā)，進(jìn)一步提升系統(tǒng)交聯(lián)之間的任務(wù)可靠性。后續(xù)將推進(jìn)其工程化應(yīng)用工作，以豐富機(jī)載座艙產(chǎn)品譜系，從而產(chǎn)生比較顯著的經(jīng)濟(jì)和軍事效益。