机载多功能显示器的半实物仿真实现

陈鸿，刘开元，盛颖章

（海军航空工程学院青岛校区，山东青岛266041）

随着航空技术的发展，以往座舱中繁多的仪表仪器现在均被多个多功能显示器（Multi-Function Display，MFD）所替代。多功能显示器作为目前座舱中主要的人机交互接口，其功能十分强大，它能通过字符图形把各类复杂的飞机信息、作战状况直观表现出来，使飞行员能快速获取信息，更加高效地管理和操纵整个飞行系统。因此在现代军机各类训练模拟器和训练系统中，对多功能显示器的仿真是座舱显示控制仿真中十分重要的一部分[1-5]。

多功能显示器有别于一般的通用显示器，因为多功能显示器既是一个输出设备又是一个输入设备，其输出是各种关键飞行信息、态势感知、系统管理、作战任务等画面；输入是画面四周的多功能按键，按键的作用跟随画面变化，在不同画面下被不断重新定义。可见，对多功能显示器的仿真包括了按键输入和显示输出两大部分。

文中以单片机为核心实现对多功能显示器按键的输入实时监听和响应，以工控机为核心实现对多功能显示器的画面更新和显示输出，较好的实现了对多功能显示器的半实物仿真，并具有逼真度高，可靠性强，实时性好等优点。

1 硬件构成

半实物仿真多功能显示器的外形如图1所示。中间为主显示画面，四周还有T1～T5、R1～R5、B1～B5、R1～R5共20个周边按键。

图1 多功能显示器外形

该半实物仿真多功能显示器的硬件实现上以嵌入式单片机为核心，结合译码器和开关矩阵设计实现多功能显示器的按键识别，然后将按键码通过串口发送到上位工控机中，由工控机响应按键改变多功能显示器的画面。其硬件组成包括：1台工业控制计算机、1块以单片机为核心的按键识别电路、1块液晶显示屏、RS-232通讯电缆和VGA显示电缆各1条组成，如图2所示。

图2 半实物仿真实现硬件结构

1）按键识别电路：以STC12C5A60S2单片机为核心，以主频振荡器、EEPROM存储器、RS232接口为外围电路，将 T1～T5、R1～R5、B1～B5、R1～R5的多功能显示器周边按键形成4×5开关矩阵，单片机在周期性扫描该开关矩阵行、列的同时，读回扫描信号线结果，判断是否有键按下，并计算按键的位置以映射到具体某一按键上，最终形成按键码，通过RS-232总线上报工控机。

2）工业控制计算机：作为训练模拟器的控制主机，通过COM口（RS-232）与51单片机通信，能实时获取多功能显示器周边键的触发状态，从而及时响应训练人员的操作，实时改变液晶显示器上的显示画面。

3）液晶显示器：采用通用的计算机液晶显示屏，通过VGA数据线与工控机的显卡VGA口连接，用于显示具体画面。

2 软件实现

在整个半实物仿真多功能显示器中，共需设计两个软件，一个是运行在嵌入式单片机上的按键识别软件，另一个是运行在工控机上的显示控制软件。采用这种双层软件结构的好处是，可由单片机来专门监控多功能显示器的按键，避免了工控机进行按键监控这种实时性要求高的重复性工作，从而释放大量的珍贵的工控机CPU时间，运行时工控机只需响应单片机上报的按键码，来实时更新显示画面。

2.1 单片机按键识别软件

该软件采用标准C语言来编程思想，软件主要完成对多功能显示器周边按键形成的4×5开关矩阵的周期性行、列扫描，从而实时感应用户对周边键的按压，得出正确的按键码。

单片机在周期性扫描的为4×5开关矩阵，分四行（T-上方、B-下方、L-左侧、R-右侧）扫描，每行各有五列对应与五个按键。下面以多功能显示器上方这一行的扫描为例，代码如下：

2.2 工控机显示软件

显示软件使用C#来编程实现，软件采用模块化设计，包括：串口通信模块、按键响应模块、显示绘制模块以及底层的显示接口。软件模块组成如图3所示。

图3 软件模块组成图

软件的运行流程如图4所示。当配置多功能显示器的仿真系统上电后，程序开始运行，绘制上电初始化画面，初始化完成后，进入显示主菜单；当用户触发多功能显示器周边键时，工控机的显控软件通过串口接收事件，获得单片机上报的按键码，并依据当前画面判断该按键对应的命令（在多功能显示器不同画面触发同一按键所代表的含义不同）；进而调用对应函数响应该命令，来更新显示画面；若系统还需控制仿真座舱或仿真装备时，更新画面的同时将发出对应的控制指令，驱动仿真座舱或仿真装备进行相关动作。

图4 航空电子显控画面绘制流程图

3 结束语

该多功能显示器的半实物仿真技术已应用于某型机载电子设备维护训练模拟器中，并取得了良好的应用效果。本文所提出的仿真实现通过单片机构建独立运行的按键扫描识别系统，大大简化了工控机的工作，提高了系统响应的实时性；基于C#开发的显示软件，具有模块化结构，有很强的通用性和扩展性，只需要在该模块化结构下添加所需要绘制脚本，就可灵活地适应各型航空电子设备座舱显示控制的需求。整个半实物多功能显示器的软硬件实现成本低、可靠性高，可满足各型航空训练模拟器的应用需求，具有较好的推广应用价值。

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