摘 要：随着ARINC661规范的发展和在航空产品上的成功应用，基于ARINC 661规范进行航空座舱显示系统的开发成为新一代航电系统的发展趋势。航空座舱显示系统内核软件是新一代显示系统的关键。对基于ARINC661规范的通用机载显示系统内核的设计开展了研究，分析了内核的工作原理，研究了内核的组成元素、实现结构。最后通过加载实际的定义文件，成功实现了基于该内核的虚拟仪表的显示。系统的可靠运行，验证了设计的机载显示系统内核是正确的、有效的。
关键词：座舱显示系统； 内核软件； ARINC661; 虚拟仪表
中图分类号：
TN919-34
文献标识码：A
文章编号：1004-373X(2011)19
-0205
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Research on Kernel Design of Aviation Cockpit Display System
HUANG Ming-feng1, SUN Yong-rong1, SUN Xu-dong2, CAO Meng1, YUAN Lei1
(1. College of Automation Engineering, Nanjing University of Aeronautics& Astronautics, Nanjing 210016, China；
2. Shengyang Aircraft Design& Research Institute, AVIC, Shenyang 110035, China)
Abstract： With the development of ARINC661 norms and its successful application in aviation products, the development of aviation cockpit display system based on ARINC 661 standard becomes development trend of the new generation avionic system. The kernel software of aviation cockpit display system is key part of the new generation display system. The kernel design of general airborne display system based on ARINC661 standard is studied, the working principle of the kernel is analyzed, the components and realization structure of the kernel are researched. Through loading actual definition file, the display of virtual instrument based on the kernel can be realized. The system has reliable operation, which verifies the kernel of the airborne display system is correct and effective.
Keywords： cockpit display system; kernel software; ARINC661; virtual instrument
收稿日期：2011-05-02
0 引 言
随着航空电子的发展，飞机的座舱显示系统经历了从机械指针式到综合液晶显示系统的快速发展，系统的综合性和易操作性都得到了极大的提升\。然而由于座舱显示系统型号多样，接口各异，使得座舱显示系统开发维护难度大，不利于系统的集团化采购和产业化发展。
为了对座舱显示系统进行规范化，美国航空无线电协会于2001年提出了ARINC661规范\，该规范对航空座舱显示系统(Cockpit Display Syetem，CDS)和用户应用(User Application，UA)进行分离，并对两个部分之间的数据交换和支持的显示元素进行了规范，图形用户接口(Graphical User Interface，GUI)完全用定义文件(Definition File，DF)来描述。运用ARINC 661规范进行CDS的开发成为新一代航电系统的发展趋势，国外已有部分公司将其应用到实际产品中，例如已在A380、A400M\军用运输机以及波音787\上得到了成功应用，同时索达、AgustaWestland等航空公司也在积极地采用本协议开发新一代的座舱显示系统。
座舱显示系统内核软件，它控制着一台或多台显示设备的显示，是新一代显示系统的工作核心，必须具有以下特点：高可靠性［6］，内核软件一旦失效，将会引发灾难性的后果；实时性，座舱显示系统对显示的实时性有很高的要求，任何画面的闪烁或是更新缓慢都将严重影响飞行员的判断和操作；可扩展性，内核必须能适应ARINC661规范的发展，能够灵活地扩展新的窗体部件、新的通信指令、扩展渲染引擎等等；可裁剪性，通过裁减使得内核更为小巧，从而提高嵌入式计算机中内核的运行速度；可移植性。
本文将对航空座舱显示系统内核进行研究，以设计出符合ARINC661协议的内核系统。
1 航空座舱显示系统内核的工作机理
CDS内核，作为新一代CDS的核心部分，其工作的机理是一个虚拟仪表的解释器，通过解释仪表描述文件以及动态运行指令来达到动态显示的目的。同时还包含相应的操作捕捉接口，用来捕捉飞行员的控制，送给UA处理并接收处理结果。它的工作机理如图1所示。
CDS内核可以通过读取固化在CDS系统中设计好的定义文件(DF)文件启动，也可以动态地加载UA传输的DF文件启动。DF文件获取成功后，CDS内核对文件解析实例化，生成一棵包含所有窗体部件的描述树，一个symbol描述链表以及一个图形数据链表。之后进入运行态，包括内核开始维护仪表图形的实时渲染；UA指令解析和用户操作的捕捉分析三个重要的部分，最终完成仪表的流畅显示\。
图1 CDS内核软件工作机理
2 CDS内核系统设计
2.1 内核功能分析
通过对内核工作机理的分析，可进一步了解ARINC661协议中定义的CDS工作流程。为了确保内核的各项特性，首先需要对内核的功能有一个全面细致的分析。在实际应用时可以灵活地配置这些功能来达到个性化的目的。
内核要能正常运行必须包含一个最小的功能配置，具体讲主要包含如下功能：
(1) 提供可裁剪的符合标准的窗体部件库定义以及symbol定义；
(2) 能够加载DF定义文件(固化或是网络传输的DF)；
(3) 能够解释UA发送的参数设置指令；
(4) 能够将窗体部件渲染到指定显示设备上；
(5) 内核错误分析与处理；
(6) 运行时调试信息输出；
(7) 提供操作系统支持。
上述7个方面的功能，基本保证了CDS内核能够对DF进行读取、解释、渲染和错误处理。结合基本的对UA参数设置指令的解析达到动态运行的目的，已经能够满足一些功能简单的基本应用。但就系统功能的完整性来讲，就上述的7个部分还是不够的，还需要包含如下一些功能：
(1) 能够提供预定义图片数据支持；
(2) 包含styleset,font等的定义功能，结合图形驱动可以灵活的改变现实风格；
(3) 拥有功能配置部分，可以对需要的功能模块进行增删，优化代码量，降低对硬件的要求；
(4) 动作管理功能，可以将外部输入(触摸、按键等)转换成CDS反馈发送给UA。
2.2 内核组成模块
CDS系统内核包含的功能非常丰富，在满足功能的基础上对内核的软件模块进行划分，以规范模块层次和软件接口。运用面向过程的方法使得模块之间的逻辑结构更加清楚，同时也符合嵌入式强实时软件的开发思路。本文研究设计的CDS内核软件模块如图2所示。
图2 CDS内核组成模块图
由图2可知，CDS内核作为一个独立的软件包是与底层硬件和运行软件环境无关的，它开放出4个驱动接口来支持不同的环境，因此软件有良好的移植性。就内核的组成而言，整个CDS内核分成两个部分：
(1) 基础库。描述了内核ARINC661中定义的窗体部件和符号，用户预定义图片以及一些显示风格。作为用户一般修改一些字体定义和显示风格即可达到个性化显示的目的。其中的widget/symbol库是由工程人员根据协议的修订或是OEM要求进行修改的。
(2) 功能部分。包含相对独立的五个部分(用户操作响应，UA数据解析，实时渲染，异常处理和CDS调度)。这些功能均为运行时功能。之外还有一个功能配置部分，该部分编译器使用，根据用户的配置进行选择性地编译。图2中的虚线部分是功能部分访问的关键数据结构，该数据结构中存放了由DF加载器生成的窗体部件树、符号链表和图片链表。异常处理机用来处理内核的各类异常(指令错误通报、CDCT资源超负荷通报、定时容器溢出等)。多个功能模块由CDS内核调度器来统一管理，作为内核的上层应用，负责协调模块的运行，维护关键性数据结构。在无操作系统时，调度器顺序调度各个功能模块，为一个大循环结构；在有操作系统时为多任务分割形式，由操作系统来管理对资源的访问。
2.3 CDS内核中的关键数据结构
CDS内核软件中各个功能模块均围绕核心数据结构展开各项功能，因此关键数据结构定义是否合理，将直接影响软件的各项性能。通过对ARINC661中各种窗体部件属性的归纳与抽象，窗体部件节点基础数据定义如图3所示。
图3 窗体部件节点基础数据定义
图3中，基础数据结构抽象出了窗体部件包含的最基本的3个参数：类型、ID号和父节点ID号。紧接着是构成树形结构的4个指针分别指向了当前节点的父节点、子节点、同层次右兄弟节点以及同层次左兄弟节点。之后是当前部件的绘制坐标系和范围。最后是两个参数设置回调函数接口。
DF加载器在加载定义文件后会形成关键树形结构如图4所示。
图4 窗体部件树形结构
每个显示设备作为一个CDS窗口，如图4所示窗口下可以包含有多个显示层。层可以包含容器部件和非容器部件，容器部件只能选择性地包含子容器部件。通过获取树的根节点，各个功能模块可以完成对树形结构的访问，从而实现不同的功能。
3 运行实例
基于该内核，本文设计了可以在PC机上运行的预加载模拟软件。软件基于MFC开发，使用了键盘、TCP/IP、OpenGL接口［8-9］，通过模拟加载DF文件并动态运行来验证内核的有效性。
图5中的DF描述文件由自行研发的辅助软件生成，所用到的窗体部件包含了层、基本容器、旋转容器、线条部件、圆弧部件、字符串部件和矩形部件。本文开发的CDS内核成功地完成了对DF的加载和显示，通过模拟UA指令对画面的滚动平移进行了控制，验证了内核的可行性。
图5 模拟显示画面
4 结 语
随着座舱显示系统的飞速发展，对通用［10］、规范化的CDS内核软件的需求日益强烈。本文在介绍了基于ARINC661的座舱显示系统内核工作原理基础上，进一步分析了内核具有的功能，提出了软件模块的划分和关键性数据结构的抽象定义。最后通过模拟加载验证了设计的可行性。
参 考 文 献
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