基于ARINC661的飞机座舱显示系统设计与实现

王瑞球 王敬驰 王伟

摘要

作为新一代飞机座舱显示系统的行业标准，ARINC 661标准，即“座舱显示系统与用户系统的接口标准”，推动着机载座舱显示系统向综合化、通用化、开放化的方向不断发展。为迎合这一新的发展趋势，设计出符合市场需求的新型机载座舱显示系统，本文基于ARINC 661标准开展飞机座舱显示制系统的设计和实现首先简述ARINC 661标准的主要内容;然后在此基础上按照标准要求的流程完成了PC环境下座舱显示系统可行性的验证和设计。

【关键词】ARINC 661 UA CDS 座舱显示系统

座舱（驾驶舱）是飞行员驾驶操作飞机的场所，座舱显示系统（Cockpit DisplaySystem，简称CDS）是飞机座舱中所有显示设备软件和硬件的总称，它在为飞行员实时显示飞机当前飞行参数、发动机状况、机组告警信息以及全机各系统状态等数据的同时，接收来自飞行员的控制指令，是飞行员确定飞机飞行状况，控制飞机安全飞行的关键所在。

随着航电系统的不断发展，各种新型传感器的不断引入，座舱显示系统所需要显示和控制的信息越来越多，复杂程度日益增加。由于目前飞机中电子设备的接口各异，加之飞机设备制造商设计策略和开发方法的差异，传统的座舱显示系统具有开发周期长、移植和维护性差、难以适应外部设备变化等不可忽视的缺点，无法适应新一代航电系统高度综合化和开放性的需求。规范化定义座舱显示系统的接口要求，提高系统通用性、开放性水平，缩短开发周期，便于系统快速更新换代，己成为航电系统发展迫切需要解决的一个问题。

为了解决上述问题，美国ARINC公司 （Aeronautical Radios Inc，航空无线电通信公司）在2001年提出了ARINC 661标准“ockpitdisplay system interfaces to user systems”，即“座舱显示系统与用户系统接口标准”。该标准重新规定了座舱显示系统与用户系统的概念，规范化地定义了座舱显示系统和用户系统之间的接口以及通信数据格式，提出了画面显示和逻辑控制相互分离的设计理念，为提高座舱显示系统通用性和开放性水平提供了一个很好的解决方案。因此，基于ARINC 661标准展开座舱显示系统的研究具有非常重要的意义。

1 ARINC 661标准简介

ARINC 661标准第一版于2001年发布，是以空客公司A380客机座舱显示系统的开发模式为基础进行制定的。标准意在规范化座舱显示系统与用户系统之间的接口设计和通信数据格式，规定的图形用户接口完全用定义文件来描述。为了在规范化的同时保证座舱显示系统设计的开放性，标准中并未涉及对具体的设计工具、界面感官和底层物理通信方式的规定。随着市场需求的不断发展和航电技术的不断进步，ARINC 661标准的第六版已经于2017年发布，该版本新增了滚轮、触控等最新交互接口。

ARINC 661标准将座舱显示系统分为了两个主要功能模块：座舱显示系统（CDS：Cockpit Display System）和用户应用（UA：User Application），规范定义了两者之间的通讯接口，从而实现了画面显示和逻辑处理的松耦合。这一举措使得系统开发过程中画面设计和逻辑设计的过程相互独立、互不影响，不但大大减少了系统的开发成本和维护成本，而且增加了系统的通用性和可移植性。为了在规范化的同时保证座舱显示系统设计的开放性，标准中并未涉及具体的设计工具、界面感官和底层物理通信方式的描述。

ARINC 661标准的制定具有强烈的市场性，其编委会的成员包括如空客、波音等飞机制造商以及Rockwell Collins、Presagis、Esterel等软硬件供应商。随着ARINC 661标准在空客A380客机上的成功运用，空客A400M军用运输机和波音787客机也相继展开了基于ARINC 661标准的座舱显示系统设计，并最终取得了理想的效果。符合ARINC661标准的座舱显示系统开发工具也开始不断涌现，如Vaps XT ARINC 661、GL StudioARINC 661和SCADE Display ARINC 661等。ARINC 661标准已经逐步成为新一代座舱显示系统设计的必要条件。

1.1 座舱显示系统CDS

标准所规定的座舱显示系统（CDS）是系统实现画面显示的功能模块，内含功能模块和基础库两大组成部分，其功能类似于传统的B/S构架中的浏览器，主要有以下四个核心功能：

1.1.1 DF文件解析功能

DF文件是ARINC 661标准下的图形界面描述文件，既定义了CDS端画面显示需要的Widget参数信息，又定义了UA端逻辑控制索引所需的各个层级的ID号，是连接CDS端和UA端的重要桥梁。CDS端的第一步工作就是解析DF文件，从而得到整个图形界面的描述信息。CDS可以通过读取固化在CDS系统中设计好的DF文件启动，也可以动态加载UA传输的DF文件启动。

1.1.2 图形界面绘制功能

CDS的主要功能就是画面显示功能，ARINC 661协议在CDS端引入了基本GUI集合：窗体部件库（Widget Library），对每一种窗体部件都封装好固定的Open GL代码，可以使得使用者在不了解Open GL开发的情况下，对解析DF文件得到的图形描述信息进行界面绘制，从而完成画面显示的功能。

1.1.3 通讯功能

实现画面显示与逻辑控制相互分离的前提是CDS和UA两者之间的通讯机制，CDS端可以通过通讯模块将用户交互信息传递给UA端，从而对飞行员的指令进行反馈，UA端也可以通过通讯模块向CDS端发送画面刷新指令，实时的更新画面，实现画面的动态效果。

1.1.4 用戶交互功能

CDS端可以通过按键、触摸等信息输入方式完成与飞行员之间的交互，获取飞行员的指令。

1.2 显示层级

标准对显示界面采取层次性的划分和管理，将显示器划分多个显示单元（DisplayUnit，DU），单个DU细分成多个独立的显示窗口（Windows），每一个窗口由多个图层（Layer）叠加，各个图层由结构化的窗体部件（widget）组成。图1所示为座舱显示系统的显示层级结构图。

按照标准的规定，在某一显示单元的区域内，所有的窗体、图层和窗体部件都拥有其唯一独立的ID号，CDS可以通过对应的ID号[WindowID]-[LayerID]-[WidgetID]对特定的一个窗体部件进行管理，从而实现系统画面的灵活控制。

1.3 定义文件DF文件

DF文件是本标准中规定的图形界面描述文件，按照存储内容可将其划分为五个部分：DF文件头、Picture块、Symbol块、Layer块和DF文件尾。图2所示为DF文件的结构图

1.4 用户应用UA

标准所规定的用户应用UA是系统的逻辑处理中心。系统外部传感器检测的信息以及系统内部CDS接收的用户交互信息都会通过通信协议传输给UA，UA通过层级式的ID号[WindowID]-[LayerID]-[WidgetID]与CDS显示画面中的窗体部件——对应，从而实现对Widget状态的精确控制，命令CDS进行画面刷新或者是画面改变。其主要功能模块有：

（1）通信模块：用以实现和CDS的通信，完成信息传输;

（2）DF文件管理模块：用以实现对DF文件的加载和管理;

（3）窗体部件库模块：对每一种部件都封装好固定的程序代码，并将CDS部件参数对应的接口在程序中对用户进行开放，对部件进行控制时只需要调用该部件的函数，修改相关接口输入;

（4）外部信息输入模块：接收系统外部传感器检测的数据;

（5）CDS信息输入模块：接收系统内部CDS传输的反馈信息、用户交互信息等;

（6）逻辑处理模块：对外部信息输入模块和CDS信息输入模块接收到的信息进行处理后再反馈给CDS。

为了保证符合标准的座舱显示系统具有更好的通用性，UA可以运用任何编程语言和设计技巧来实现，除了需要遵循“显示图层受UA控制”的控制逻辑和标准规定的软件“通信协议”接口定义外，标准并没有对UA的设计有更多的规定。

1.5 通信机制

根据消息的传递方向，ARINC 661标准下的通信模式可以分为两类：一类是从UA端发送到CDS端的控制请求信息，主要包括实时画面刷新请求、Widget参数改变所导致的画而更新请求以及Layer和Window的状态改变所导致的画面切换请求;另一类是从CDS端发送到UA端的反馈信息，主要包括Widget参数改变完成信息反馈、交互信息反馈、Layer和Window状态改变完成信息以及系统异常信息反馈。图3所示为CDS与UA之间的通信关系。

2 基于ARINC 661标准的开发过程

ARINC 661标准将座舱显示系统的开发过程规范为3个阶段：需求分析阶段、定义阶段、运行阶段。图4所示为基于ARINC 661标准进行座舱显示系统开发过程的示意图。

需求分析阶段：该阶段需要通过对需要显示的画面进行用户需求分析，按照ARINC661标准，构建画面的层级关系并将画面进行分解，按照标准中Window、Layer、Widget的显示功能对画面中的元素进行分类对应，再按照对应好的Window、Layer、Widget的层级关系对画面中的元素进行编号，从而制定出符合ARINC 661标准的设计需求文档。

定义阶段：定义阶段是DF文件的生成和CDS加载解析DF文件的过程。首先利用符合本标准设计规范的可视化开发工具进行画面开发，按照设计需求文档中定义好的Window、Layer、Widget的参数以及相应的层级关系完成图形界面描述文件DF文件的编辑，DF文件是定义阶段的产物。之后，在CDS端完成DF文件的加载和解析工作，实现窗体部件的创建（实例化并对窗体部件的参数初始化）的过程。

运行阶段：运行阶段是显示系统实现数据交换，显示画面实现实时动态显示的过程在定义阶段CDS端完成对DF文件的加载解析，得到需要显示的画面之后，进入运行阶段，CDS端与UA端通信，处理外部输入信息以及CDS端交互信息，最终完成显示画面的实时更新。

3 座舱显示系统设计实例

本文基于ARINC 661标准座舱显示系统开发流程，使用VAPS XT A661开发工具设计了一个可以进行动态更新的飞行仪表显示系统，显示内容包括了天地球、罗盘、航行参数等相关数据，如图5所示。

以画面中的天地球的设计过程为例，首先需要分析构成天地球所需要的部件，由于ARINC 661标准规定的是点、线、圆这样一些最基础的窗体部件，包含的窗体部件非常多，大体上我们可以把天地球分成4个部分：天地球主体，主体部分由一个开窗部件构成，开窗部件内部包含了一个可以进行旋转和平移的天地标尺部件集合、罗盘标尺、水平标尺、旋转指示标志。在需求分析的基础上，我们按照天地球的组成要素和层级关系对天地球进行设计，如图6所示。

AD工基础部件为天地球的总体，包含ADIMask背景开窗部件（含俯仰角平移和横滚角旋转属性）、ADICompass横滚刻度部件、ADI ROLLFLAG旋转指针和ADIP1aneFlag飞机基准部件。构建好天地球后，我们需要修改天地球中各个部件的相应属性，和图5中的显示需求匹配，例如表示天空的矩形框的颜色属性需要修改成蓝色，表示大地的矩形框的颜色需要修改成棕色等。在设定好天地球的画而描述信息之后，得到所需的DF文件。

接下来确定CDS端与UA端通讯的接口，对于天地球而言，我们设定的接口有旋转部件ADI ROLL的旋转角度、平移部件ADI PITCH的平移数值以及旋转部件ADIROLLFLAG的旋转角度，为此我们需要映射相关部件的WidgetIdent信息，如图7所示。在编写UA端控制程序时，通过分层配置的ID号[UAID]-[LayerID]-[WidgetID]与CDS端显示画面中的Widget一一对应，对Widget的属性进行控制。

基于上述步骤，可以简要展示基于ARINC 661标准的座舱显示系统设计过程。本文完成了在PC环境下基于ARINC 661标准的座舱显示系统模拟开发：使用两台PC机进行系统仿真：PC1存放CDS和设计生成的DF文件，DF文件规定了CDS和UA之间的通讯接口;PC2使用VS2010编写了UA端的控制程序;两台PC机之间采用UDP通讯。PC2可以通过LTA程序控制PC1的CDS显示画而。图8为PC机环境下基于标准的座舱显示画面模拟运行效果。

4 结束语

本文在简述了ARINC 661标准核心内容以及PC环境下座舱显示系统设计的设计与开发过程，验证了设计的可行性。目前，为了适应新一代座舱显示系统的要求，ARINC661标准仍然在不断的完善与发展。国内对于ARINC 661标准的研究及工程应用并未普及，但随着航空电子技术和航空产业的不断进步，对于ARINC 661标准下座舱显示系统的研究应用必将会不断的深入。

参考文献

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