机载娱乐系统的设计

吴文柯

摘 要：通过分析和设计整个娱乐系统不同功能区域的硬件、软件，提出了一种整舱机载娱乐系统设计方案，摒弃了传统机载娱乐系统射频模拟信号与数字通信信号并存的传输模式，使用单一的全数字化信息传输模式构建整舱娱乐通信以太网络，从而为所有旅客提供统一的机载信息交互娱乐项目，包括视频、音频和游戏等。这是一种能满足不同型号民用航空器的通用机载娱乐系统设计方案。

关键词：机载设备；娱乐系统；数字信号传输；网页界面

中图分类号：V245 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.20.013

文章编号：2095-6835（2016）20-0013-03

机载娱乐（IFE，In-flight Entertainment）系统是指航空旅行中在机舱内为旅客提供任何可能的娱乐实现手段。它是民用航空飞机客舱系统的重要组成部分，其性能是旅客判断航空公司服务质量的重要标准之一，世界各航空公司为此花费巨额资金采购、修理、维护和升级机载娱乐设备等。机载娱乐系统的主要功能性需求包括用户界面与操作互动、多媒体播放（视频播放与音频播放）、游戏娱乐和实时地图等几个方面。

1 机载娱乐系统设计

在设计机载娱乐系统时，要考虑到其复杂的使用环境，因此，嵌入式设备的功能实现设计会相对复杂。本文主要结合娱乐系统的机载特性和系统基础需求，在此基础上分析了各功能模块的实现方案和所涉及的软硬件设计，包括用户界面与操作互动、多媒体播放（视频播放和音频播放）的主要功能。

1.1 用户界面与操作互动

用户界面与操作互动包括系统图形界面和用户的输入与输出。随着操作系统的图形化发展，图形界面不仅是衡量一个操作系统性能的重要因素，还成为了系统的必要基本功能。在图形设计上，追求简洁明快、优美绚丽，符合大众化的审美需求，在界面操作上也强调便于用户操作使用、易于实现功能需求。一般情况下，用户的输入与输出有2种模式——按键输入和触屏输入。考虑到机载娱乐系统使用目的的相对单一性，两者的功能设定与图形系统的设计以及其各个界面的功能定义有紧密的联系。

用户界面的实现一般分为2个部分，即用户的输入操作和图形界面的输出显示，具体如图1所示。

如图1所示，输入方式主要依靠娱乐手柄实现，通过按键探测电路检测，并将信号提供给系统处理器，同时，也可以通过点击LCD屏幕上附着的触摸板操作系统。触屏信号是由触屏控制芯片和相关驱动程序处理的，将触点的坐标信息提供给系统处理器，再将几何坐标位置对应到当前界面的控件元素，并将触击信息翻译为对应的控件点击事件。用户的面板按键信息是由按键侦控电路检测的，并提供给系统处理器。系统应用根据当前界面的设置，处理相对应的按键信息。系统图形的绘制由系统处理器实现，通过LCD控制器即显示控制器组件，将数字化的图形信号通过LCD显示出来。

另外，还可以从软件结构的角度入手分析用户界面功能。如图2所示，系统功能实现包括以下几点：①系统操作输入（UI input），系统操作控制的输入包括手柄输入和触摸屏输入；②系统服务（system service），提供相应的系统运算处理；③功能应用（application），完成基本功能的逻辑实现、操作输入信号（touchscreen/handset）的响应处理、系统服务的调用与反馈输出，以及界面的显示与输出；④HMI框架（HMI framework），通过HMI框架功能应用才能最终实现界面图形的绘制；⑤显示驱动（display driver），用以最终实现完成绘制后的界面图形在LCD的输出。

1.2 音频功能设计

在传统机载娱乐系统中，音频功能的设计基本离不开信号源的输入，通过对不同音频信号源的不同处理、放大后，最终输出到旅客耳机中，完成音频娱乐系统的实现。目前的输入信号源有以下2种：①外部广播信号，播放安全须知等，由上位机发送面向所有用户的广播时发送的相关音频数据信号；②软件音频解码输出，即系统处理器产生的音频数据，主要有存储于本地的视频和音频媒体文件播放。音频功能输入与输出的实现如图3所示。

要想实现音频功能，需要使用高性能音频处理芯片（Audio DSP）。这一类芯片一般会支持多路音频（数字或模拟信号）的输入，音频输入通路的选择与控制，音频信号的处理以及数模和模数转换。

如图3所示，对应不同的音频输入信号源，音频处理芯片会自动给予不同的处理模式。例如，安全须知和所有通过娱乐系统控制中枢——视频控制面板发送出的音频信号，这些都属于外部信号，通过用户终端附带的音频处理芯片转换至基带模拟信号后，通过放大器放大信号，并由耳机输出。而另一种通过对本地多媒体文件解码后产生的音频信号同样在传输进音频处理芯片后需要经过数模转换，并经过放大器放大处理后传入到旅客耳机中。

1.3 视频功能设计

对于机载娱乐系统的视频功能，其视频信号源全部是数字视频信号，可分为2种，即外部广播视频信号和本地多媒体信号，具体如图4所示。

外部广播视频信号是由头端的数字存储服务组件，通过系统中的上位机——娱乐系统控制中枢（ICMT）操作后发送的各类多媒体文件视频数据流。它发送的主要是安全须知类演示广播视频。这类信号经编码并压缩后，通过以太网局域网络分配并传输至各个旅客座椅终端接收，并解码处理后显示出来。

本地多媒体信号源自终端内部的存储设备，比如安全数码卡（SD卡），它们的被处理方式与解调后的外部广播视频信号完全相同，都是通过显示处理器解码后显示输出给用户。

2 终端系统平台软件设计

终端系统在软件上分为操作系统软件和应用软件。操作系统的设计更多针对的是现有的开源系统，基本上是基于Unix或Linux开发的后续开源系统。比如Andriod系统，其优点在于兼容性好，便于模块化设计。考虑到记载娱乐系统对于飞机信息存储的安全性，目前的策略是不将开源系统的底层操作界面开放给用户，而是在此基础上覆盖一层应用软件制作的界面，如图5所示。因此，在此次设计中，将界面HMI设计归类于应用软件内。应用软件分为娱乐与播放软件和HMI界面设计。

机载娱乐系统应当避免用户终端对整个机载网络有意或无意造成的威胁，所以，在为终端用户提供信息服务时，一定会对终端的部分功能进行信息限制。因此，这里使用的是一种以网页页面为用户界面，通过浏览器的全屏化功能，在原有操作系统界面上另行覆盖一层全新的界面层，实现系统与网络信息的安全保护的界面设计。如此一来，即保证了系统的安全性，也节省了开发界面所需要的时间，所有的界面都可以通过网页制作完成，开发人员只需有网页开发经验而无需积累Andriod系统界面开发经验。通过Eclipse+ADT+SDK最终将开发完成的网页与系统设置打包成为一个应用APP，再在Andriod系统中安装即可完成。要想实现以上设计，就需要使用到目前浏览器的一个功能——KIOSK，即全屏界面化模式。

界面设计是基于网页制作，通过javascript语言嵌入web网页中，以完成某些特定的事件，达到界面效果。因此，只需要明白网页编写的格式，即使是记事本也可以成为网页编译的软件。通常来说，如果一些固定格式的语句能通过首字母库来选择，那么，无疑会给我们的编写工作带来极大的便利。所以，在界面程序编译软件方面，选择使用JetBrains WebStorm 9.0.3，编译界面如图6所示。

浏览器是此次娱乐系统界面设计的重点之一，它是实现界面功能的平台和基础。鉴于此次设计是基于Andriod平台而实现的功能界面，所以，在移动客户端被广泛使用的浏览器软件是google chrome。

终端界面的设计是从用户对产品的使用要求和功能要求出发，针对用户在使用娱乐系统时希望得到的功能体验设计简洁明了的人机交互界面。

3 终端系统平台硬件设计

用户娱乐终端的设计是等效于一个高性能的平板电脑，其内部功能和结构设计也与平板电脑大致相同。它整合了网卡、视频显示模块、触摸屏操作模块、音频输出模块和数据存储功能，负责接收并处理局域网传输来的信息，例如点播电影的更新、安全须知、入境须知等视频信息都需要用户娱乐终端来负责接收、解压并解码信息，从而完成视频的播放。同时，它还能完成音频数字信息的接收，并将其转换成模拟信号传送至耳机中，实现音频点播功能。

4 网络传输设计

网络传输设计被分为头端网络设计、传输端网络设计和座椅端网络设计三部分。

4.1 头端网络设计

头端硬件主要包括数字服务组件（Digital Server Unit）、集线器（Configuration Plug）、机载下行接口控制器（Legacy Aircraft Interface Controller）和交互式客舱管理终端（Interactive Management Terminal）。

从功能需求的角度来看，头端网络主要由文件服务器、娱乐系统控制中枢和娱乐系统对飞机的接口服务器组成，功能是存储大量的视频、音频备份文件。它是更新娱乐系统座椅端本地信息的服务器，也是整个网络信息交互的总节点，因此，对头端网络设计提出的要求是足够大的传输带宽和较快的传输速度，以满足整个网络巨大的数据吞吐量。

图7为头端设备网络连接情况，其中，ICMT作为局域网维护管理和机组互动界面计算机，被分配至唯一的特定网络地址，4台DSU通过光纤与集线器实现物理连接。LAIC的作用是混音与信息优先权判断，通过千兆网与之实现数据通信，它们使用的都是IEEE802.3z标准，所不同的是前者使用的是62.5 um多模光纤（1000Base-LX）传输，其工作波长范围为1 270～1 355 nm。而后者通过150 Ω屏蔽双绞线（1000Base-CX）连接集线器。

由于头端设备都被整合在电子舱一个固定的设备架上，相互之间通信距离很短，无论是光纤还是屏蔽双绞线都无需增设增益设备，同时，固定的布线也在一定程度上保证了光纤的安全性和物理性。通过集线器，这四者能以平均传输速率1.25 Gbit/s的速度传输数据，并实现4台DSU的相互访问。

4.2 传输端网络设计

整套娱乐系统从设计初起就定位为全数字化传输的机载设备，传统的传输射频信号的同轴电缆会被更廉价、传输带宽更高的屏蔽双绞线和光纤代替。网络传输端设备主要是网络交换机和冗余硬件，考虑到整个局域网可能会使用到不同的传输协议，作为主要数据交换设备的区域分配盒（Area Distribution Box）必须拥有网桥的功能。同时，为了保证系统的冗余性，通过网络中继设备（FDB）连接相邻局域网，在物理层形成备用链路。

传输端网络的功能是保证从用户子网络到头端或者从头端到用户子网络的信息能完整而快速的传达，因此，在传输速度和带宽上与头端网络有着基本相同的要求。

网络传输端的设计其实就是构建一个用户数量为306个的局域网的设计，它主要是由区域分配盒（ADB）、网络中继盒（FDB）和四端口座椅控制盒（QSEB）组成物理层分配和传输网络，每台ADB与系统的集线器使用62.5 um多模光纤连接，而ADB与其下连接的各个FDB和QSEB则使用150 Ω的屏蔽双绞线连接。在传输协议标准和传输导线的材质上，与头端传输设备所用的相同。

从整个娱乐系统的网络结构上来说，系统的用户网络是由6个存在互为冗余的独立局域网组成，而组成每个局域网的核心设备就是ADB。

ADB是整个娱乐系统中最主要的网络交换设备，是支撑起单独区域的用户局域网。同样的ADB在系统中有6个，它们被安置在客舱天花板的装饰板内，如图8所示。左起第一个、第二个ADB负责头等舱的2个局域网，其余的负责经济舱局域网，以此构建起6个两两相互连接、互为冗余的独立局域网，而他们所有的通信信号源和访问信号源都位于头端设备中的4台文件服务器DSU中。考虑到文件服务器的负载问题，对目标服务器地址进行了交错设置。

尽管与集线器相连接的光纤总缆在物理上确实是通过串联的方式逐次连接每一个ADB，但在网络的信号传输过程中，通过光纤传输的复用技术，每一个ADB使用相邻固定波段的光信号传递信息，因而上游ADB失效并不会影响下游ADB的通信。另外，无论是不同还是相同局域网区域的用户与用户之间也无法相互访问。换言之，当所有ADB都正常工作时，它们中的任何一台ADB是无法分配任何信息给位于除它之外其他ADB区域下的用户，反之亦然。

4.3 座椅端网络设计

座椅端网络需要完成从用户本地（即座椅娱乐终端）到主干网络（传输端网络）的数据传输。相对于传输端网络，座椅端网络的数据传输吞吐量会小得多，因此，百兆的传输速度完全够用。同时，考虑到布线情况更加复杂，对传输材质的性能也有了相应的变化。

如图9所示，用户娱乐终端的信号来源于四端口座椅控制盒（QSEB），它们之间通过IEEE802.3u标准的100Base-T百兆以太网连接。尽管QSEB属于网络连接设备，但是，QSEB与座椅终端的关系十分紧密，每一个QSEB能至多为4套用户终端提供数据链路。在实际设计中，并不是完全连接至最大允许连接数，这取决于QSEB所在座位行的实际座位数。

5 结论

本文提出了一种提供整舱信息交互的娱乐系统设计方案，并且摒弃了传统的2种通信模式并存的数据传输方式（射频模拟信号传输和数字传输并存），使用全数字信息传输模式，并以此构建整舱以太网络，为所有乘客提供一致的交互式娱乐服务。该系统能够承担起面向所有乘客的点播、娱乐等交互需求。针对不同舱位的乘客，仅会在用户感知方面（比如显示屏尺寸、手柄按键排布和座椅舒适度等）有所不同，在功能上，不同舱位的用户都提供同样的服务内容。全数字化机载娱乐系统相对于传统的双模式传输娱乐系统（数字和模拟传输并存），有着结构简单、组件耐用性强、响应时间短等优点，是机载娱乐系统发展的必然趋势。

参考文献

[1]甄文静.国内民用客机机载娱乐系统现状分析及发展趋势[J].科技与企业，2016（10）：88-89.

[2]师沙沙.车载信息娱乐系统设计研究[J].科技创新与应用，2015（24）：45.

[3]马力.基于JavaScript和Java语言的动态网页设计方法[J].计算机光盘软件与应用，2014（21）：213-214.

[4]王书勇.CJ828机载娱乐系统设计[J].科技与创新，2014（10）：23，25.

[5]范明宽.探讨网络通信标准和协议的选择[J].科技致富向导，2012（09）：297.

[6]赵勇，李玮，潘勇.光纤数字传输系统复用技术在高速公路通信专用网中的应用[J].公路交通科技，2006（02）：144-145，148.