民用飛機座艙顯示與控制系統(tǒng)接口設計

摘要：文章著眼于民用飛機座艙顯示與控制系統(tǒng)的接口設計，介紹了座艙顯示與控制系統(tǒng)中常用的幾種接口，結(jié)合各接口的特性，以配備了正副駕駛側(cè)平視顯示系統(tǒng)、視景增強系統(tǒng)及四個座艙顯示器的民用飛機為例，給出了一種較為通用的座艙顯示與控制系統(tǒng)架構(gòu)。

關鍵詞：民用飛機；接口設計；正副駕駛側(cè)平視顯示系統(tǒng)；座艙顯示與控制系統(tǒng) 文獻標識碼：A

中圖分類號：V221 文章編號：1009-2374（2016）13-0018-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.13.009

飛機座艙顯示與控制系統(tǒng)是飛行員與飛機交互的核心。座艙顯示與控制系統(tǒng)為機組提供時間、飛行和導航數(shù)據(jù)、發(fā)動機參數(shù)、飛機系統(tǒng)狀態(tài)等信息顯示，尤其在起飛、著陸等飛行階段，顯示系統(tǒng)必須保證飛行員能在極短的時間內(nèi)準確獲取所需要的信息，以便對飛機進行及時、安全的操縱。為加快數(shù)據(jù)傳輸速率，保證信息傳輸?shù)目煽啃院蛯崟r性，座艙顯示與控制系統(tǒng)內(nèi)部及與飛機其他系統(tǒng)的接口使用了功能強大的各類總線。

1 座艙顯示與控制系統(tǒng)概述

大部分民用飛機座艙顯示與控制系統(tǒng)由顯示裝置、輸入裝置組成，有些機型在此基礎上還可配備平視顯示系統(tǒng)（HUD）、視景增強系統(tǒng)（EVS）及合成視景系統(tǒng)（SVS）。

隨著航空電子新技術的飛速發(fā)展，具有供電模塊、I/O接口模塊、圖像生成模塊、視頻轉(zhuǎn)換等模塊可分屏的綜合顯示器已應用在民用飛機中。經(jīng)過綜合處理的空速、姿態(tài)、高度、發(fā)動機信息分類顯示在綜合顯示器上，內(nèi)容直觀，減輕了飛行員的工作負荷。當前民用飛機主流機型根據(jù)顯示器的功能，將顯示器分為主飛行顯示器（PFD）、導航數(shù)據(jù)顯示（ND）、發(fā)動機指示與機組告警系統(tǒng)顯示（EICAS）及根據(jù)實際需求可配置的多功能顯示器（MFD）。

輸入裝置，用于將飛行員的指令、操作及要輸入的字符傳遞至綜合顯示器乃至飛機系統(tǒng)。達索公司的EASy駕駛艙及“灣流”的“Plane View”駕駛艙中，采用了一種類似于鼠標的跟蹤球指示控制裝置（CCD），該裝置具有指尖可觸擊的按鍵，用于顯示轉(zhuǎn)換和菜單選擇，飛行員可借助該裝置方便的選擇所需顯示的信息，同時還有鍵盤用于輔助控制。

平視顯示系統(tǒng)通過飛行員頭頂?shù)囊徊客队皟x，將經(jīng)過篩選處理的重要飛行數(shù)據(jù)投影在風擋前的一塊特殊光學透明玻璃上，使飛行員無需低頭就可從該玻璃上獲取重要的飛行數(shù)據(jù)，同時可透過該玻璃觀察駕駛艙外，獲取目視參考。平視顯示系統(tǒng)由平顯投影裝置（HPU）和組合儀（HCU）組成。

視景增強系統(tǒng)是一種利用圖像傳感器（如前視紅外或毫米波探測器）為飛行員提供飛行前方外部場景顯示的電子系統(tǒng)，該系統(tǒng)能有效增強飛行員的情境意識、增強飛行員的操作信心。

合成視景系統(tǒng)通過地形數(shù)據(jù)、飛機位置、航向和姿態(tài)等，對飛行航跡、趨勢矢量和周圍環(huán)境進行描繪，改變飛行員的情境意識，從而降低可控飛行撞地的可能性，且減少了飛行員的工作量。合成視景系統(tǒng)可顯示地形、地面障礙物、空中交通情況，飛機著陸進場圖等

信息。

2 座艙顯示與控制系統(tǒng)常用接口

民用飛機座艙顯示與控制系統(tǒng)常用的接口類型有ARINC429、ARINC664、ARINC818、ARINC825及離散

接口。

2.1 ARINC429總線

ARINC429總線協(xié)議規(guī)定了航空電子設備及有關系統(tǒng)間的數(shù)字信息傳輸要求，在民用飛機如B737、B767中應用廣泛。

ARINC429總線為串行總線，傳輸速率可達100kbps，采用32位字節(jié)為傳輸單元，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為差分信號，傳輸距離遠。ARINC429總線的數(shù)據(jù)格式如圖1所示：

ARINC429在座艙顯示與控制系統(tǒng)中的應用主要體現(xiàn)在顯示器與大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)、慣性導航系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換中，通信速率可根據(jù)需要設置為低速12.5kbps或高速100kbps。

2.2 ARINC664總線

為了適應機載電子設備的安全性、可靠性和維護性要求，針對AFDX（Avionics Full DupleX Switched Ethernet，航空電子全雙工分組交換以太網(wǎng)），國際上制定了ARINC664航空電子數(shù)據(jù)網(wǎng)絡規(guī)范和標準。AFDX為航空電子設備之間的數(shù)據(jù)交換提供了電氣和協(xié)議的規(guī)范，在A380、B787等飛機上已成功應用，這表明AFDX代表了機載數(shù)據(jù)總線發(fā)展趨勢。AFDX網(wǎng)絡的構(gòu)成如圖2

所示：

AFDX在座艙顯示與控制系統(tǒng)中的應用主要體現(xiàn)在顯示器與飛機其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換中，通信速率可根據(jù)需要設置為10Mbps或100Mbps。

2.3 ARINC818總線

ARINC818又名航空電子數(shù)字視頻總線，是一個點對點地采用8B/10B編碼，主要用于開發(fā)高帶寬、低延遲和非壓縮數(shù)字視頻傳輸?shù)囊曨l接口和協(xié)議。

ARINC818的應用領域包括商用航空項目、軍事航空項目、商業(yè)和軍事飛船、指揮中心、仿真平臺、軍用地面車輛等，它能夠應用到紅外和光學傳感器、雷達、地圖和圖表系統(tǒng)、圖像合成、平視顯示、多功能顯示設備、視頻連接器和其他類型的子系統(tǒng)。

ARINC818在座艙顯示與控制系統(tǒng)中的應用主要體現(xiàn)在視景增強系統(tǒng)與顯示器之間的視頻傳輸及平視顯示系統(tǒng)與顯示器之間的視頻傳輸。

2.4 ARINC825總線

ARINC825即CAN總線，是Controller Area Network的縮寫，因其對電磁干擾的免疫性、良好的錯誤檢測機制、低延時等特性，被廣泛應用在工業(yè)自動化、船舶、醫(yī)療設備、工業(yè)設備等方面。

當CAN總線空閑時，總線上的所有單元都可以發(fā)送消息，即多主控制，最先訪問總線的單元可獲得發(fā)送權，多個單元同時開始發(fā)送時，發(fā)送高優(yōu)先級ID消息的單元可獲得發(fā)送權，所有的消息都以固定的格式發(fā)送。與總線相連的單元沒有類似“地址”的信息，因此在總線上增加單元時，連接在總線上的其他單元的軟硬件及應用層不需要做任何改變。可根據(jù)整個網(wǎng)絡的規(guī)模，設定適合的通信速率，同一網(wǎng)絡中，所有單元的通信速率必須一致，即使有一個單元的通信速率和其他不一樣，該單元也會輸出錯誤信號，妨礙整個網(wǎng)絡的通信，不同網(wǎng)絡間可以有不同的通信速率。

CAN總線可以同時連接多個單元，理論上來說，可連接的單元總數(shù)沒有限制，但實際上，可連接的單元數(shù)受總線上的時間延遲及電氣負載限制。降低通信速率，可連接的單元數(shù)增加；提高通信速率，可連接的單元數(shù)則減少。CAN總線的拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中的端接電阻必須位于CAN總線的物理終端，物理終端是CAN總線拓撲結(jié)構(gòu)中相距最遠的點。

ARINC825在座艙顯示與控制系統(tǒng)中的應用主要體現(xiàn)在調(diào)光及控制信號的傳輸，通信速率可根據(jù)需要設置為250kbps或500kbps。

2.5 離散接口

座艙顯示與控制系統(tǒng)中的各設備除了使用總線通信，還具有離散接口，用來傳輸警告、警戒信號或者用于顯示器與輸入裝置的直連，傳輸控制信號或輸入飛行員指令。

3 座艙顯示與控制系統(tǒng)架構(gòu)

考慮到各總線及接口的特性，一般來說，座艙顯示與控制系統(tǒng)與飛機其他系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸主要通過ARINC664總線實現(xiàn)。此外，為提高關鍵飛行數(shù)據(jù)的可用性，大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)及慣性基準系統(tǒng)的數(shù)據(jù)還由飛控系統(tǒng)通過ARINC429總線直連到座艙顯示與控制系統(tǒng)。ARINC825總線用于平顯系統(tǒng)、顯示器和各輸入裝置之間的通信。當飛機上配備平視顯示系統(tǒng)及視景增強系統(tǒng)時，ARINC818視頻總線用于平顯圖像和視景增強圖像的傳輸。離散接口用于顯示器與輸入裝置的直連。

以配備了正副駕駛側(cè)平視顯示系統(tǒng)、視景增強系統(tǒng)及四個座艙顯示器的民用飛機為例，較為通用的座艙顯示與控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

4 結(jié)語

座艙顯示與控制系統(tǒng)是保證飛機飛行安全的重要系統(tǒng)之一，該系統(tǒng)的設計是否合理，是飛機先進性的一個標志，也關系著飛機能否完全發(fā)揮其優(yōu)越性能，因此，座艙顯示與控制系統(tǒng)的設計要緊跟科技發(fā)展的步伐，不斷優(yōu)化。

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作者簡介：張文靜（1991-），女，甘肅慶陽人，中國商飛上海飛機設計研究院航電部助理工程師，碩士，研究方向：民用飛機顯示與控制系統(tǒng)設計。

（責任編輯：黃銀芳）