综合座舱显示控制系统的设计与实现

O 引言
    在现代航空电子系统中，综合座舱显示控制系统承担着航电系统的集中显示和集中管理任务，使得飞行员能够高效地获得所需信息，有效地减轻飞行员的工作负荷。目前国内通用飞机、直升飞机装备的是机械仪表、或者装备的飞行显示器尺寸小分辨率低，单画面显示的飞行参数内容较少，重量相对较重，系统可靠性偏低。
    本文介绍的某型综合座舱显示控制系统吸取了“玻璃座舱”的概念，将大量复杂的传感器数据经采集、处理、融合后通过大屏幕高分辨率的液晶显示器呈现给飞行员，取代传统的机电式仪表。同时，综合座舱显示控制系统内部采用高速数据网络实现数据传输、任务同步和数据互比，可以灵活处置系统多种故障模式，使系统具备在一定故障等级下的一次故障工作能力，提高了系统的可靠性和安全性。

1 设计思想
1．1 综合化
    采用高度综合的集成一体化设计，综合座舱显示控制系统将通用模块、标准总线、高速网络和实时嵌入式操作系统集成在一个高性能计算平台内，提供强大的数据处理、信号处理、接口处理和图形处理能力，具有传感器输入数据的综合处理、数据融合、任务计算、视频信息生成、导航计算、外挂管理、电子对抗、通信管理、系统控制和故障检测、重构等多种功能，充分体现信息综合、显示综合、功能综合、硬件综合、软件综合、检测综合的特点。
1．2 通用化
    不同飞机的座舱显示系统具有多样化的特点，这主要是由于飞机用途不同、适航条例和营运条例对要求不同造成的。为了提高综合座舱显示系统的通用性，使其适用于军用和民航各类飞机，通用综合座舱显示控制系统应该具有高性能的信息综合处理和综合显示功能、部分最基本的传感器设备功能和较强的传感器设备接口扩展能力。
1．3 小型化
    小型化设计通过合理的系统结构、先进显示技术和加固方式等手段减少设备尺寸和重量。通过系统优化，减少多余的软硬件资源浪费，同时采用大规模集成电路和有源矩阵液晶显示等技术减轻硬件重量和体积。

2 系统设计
2．1 系统结构组成
    综合座舱显示控制系统包括两台大尺寸、高分辨率综合显示器和一部多功能控制面板，采用高度综合的集成一体化设计，将机载数据处理、航电任务管理和图形图像显示综合在飞行显示器内部，无单独的显示控制任务计算机，使整个显示控制系统组成合理，结构重量减轻，简化了直升机座舱布局和仪表板布置。

    如图1所示，飞机上各路传感器数据先经过综合显示器的数据采集处理单元处理组织成网络数据帧，再通过网络将数据帧传送至综合显示器的显示处理单元，显示处理单元接收到数据帧后进行数据融合、图像处理，最终完成图像显示。综合座舱显示控制系统采用了模块化的设计方法，按照功能划分为显示处理单元、数据处理单元和多功能控制面板，功能单元内部由通用现场可更换模块组成，标准化程度较高，提高了系统的可维护性。功能单元之间通过数据网络连接，这种松耦合方式不仅可以提供灵活的可扩展性和测试性，还可以提高系统容错能力。
2．2 系统的容错机制
    综合座舱显示控制系统的容错机制是多台综合飞行显示器同构型、独立工作，每个综合显示器都综合了飞行数据处理、航电任务管理和图形图像显示功能，即软硬件配置相同，运行任务不同，独立工作，相互备份。综合显示器间通过显示同步数据网络和交叉互比数据网络来实现双机间的任务周期同步以及飞行显示器间的数据交叉传输。使每个综合显示器均得到另一综合显示器采集的载机信息，在此基础上实现飞行参数数据比较监控，当差异超出一定范围要求时，系统给出报警提示。有利于及早发现故障，确定故障源，消除故障的蔓延，抑制故障影响，提高系统任务可靠性。

    根据系统比较监控结果和设备BIT监控结果，如图2所示，如果综合显示器数据采集处理部分出现严重故障，主驾驶和副驾驶综合显示器通过故障切换逻辑可以进行系统重构，自动将飞行显示器显示数据源切换到无故障的另一台飞行显示器的数据处理模块。在一定故障等级下实现数据处理部分的一次故障工作能力。同时驾驶员可以通过多功能控制面板手动切换主驾驶飞行显示器和副驾驶飞行显示器显示的数据源。
2．3 显示界面设计
    为了在嵌入式操作系统上开发图形界面，将VxWorks操作系统与Idata和OpenGL图形驱动开发包结合起来，实现界面良好的人机接口。利用VxWorks操作系统的消息队列、中断处理及任务调度功能实现系统任务管理及用户交互；使用可视化图形开发工具IData提供的GUI编辑器绘制显示画面，完成态势感知融合显示、用户交互式显示和高级系统显示，较好地实现了飞行仪表、地图导航、图形的分层叠加、图形特效等显示功能，使消息驱动的多窗口显示技术达到实用效果。如图3所示为主飞行界面，分为上下两区域，上区域显示航向姿态、飞行指引、大气数据等重要的飞行参数；下区域显示水平姿态指示、航路、发动机参数等信息。

2．4 软件体系结构
    综合座舱显示控制系统软件主要包括系统软件、地面支持软件和应用软件三个部分，软件系统结构如图4所示。

    应用软件(OFP软件)作为综合座舱显示控制软件架构的核心部分运行于VxWorks 5．1操作系统之上，使用标准C语言进行开发，负责完成飞行状态、参数的综合显示与控制、显示器按键操作处理、数据采集、网络通信、周期性自检、故障告警与处理功能以及数据加载、系统维护等功能，实现飞行员操作程序中所定义的工作状态和工作方式的控制、转换和信息显示。数据处理软件实现综合座舱显示控制系统与载机传感器设备的数据交换，通过并与系统状态数据融合后发送给显示处理单元，显示处理软件接收数据处理软件通过网络发送过来的显示指令，并按照显示指令生成对应的画面。
    系统软件包括操作系统、中间层软件和设备驱动软件，应用软件和系统软件都安装在综合显示控制系统的程序存储器中。地面支持软件包括Tornado集成开发环境(IDE)、各种在线仿真调试设备及其软件(ICE)、烧录和固化工具、项目管理工具(如版本管理软件)、系统综合仿真测试设备软件(ATE)、地面航线编辑软件及数据库等。它们安装在地面维护设备或开发设备中。

3 结语
    通过上面的讨论可知，综合座舱显示控制系统采用先进的体系结构和软件架构，实现了座舱信息图形化综合显示控制功能，系统综合化程度高、人机工效良好，安全性高、通用性强，可兼容多载机平台，符合了座舱显控系统高度综合化的发展趋势，具有较好的应用前景。