某直升机综合航电显控仿真系统的开发与实现

关键词：综合航电仿真系统，实时性，模块化，1553B总线，ARINC429总线

随着计算机、通信、网络技术的进步，现代飞机的航电系统正朝着综合化、数字化、网络化的方向发展。航电全双工交换式以太网（简称AFDX）是承载航空电子系统各分系统通信的主干网络，已广泛应用于当前最先进民用飞机设计。当飞机内部某端系统报故时，很难判断是该终端系统出现了故障，还是该终端系统与AFDX总线之间没有实现正确的信息交换，排故难度较大。故研制了能实时采集、分析处理飞机总线动态信息的监控器，以实现故障的准确隔离，避免机载设备的无故障拆装。

随着大规模集成电路和计算机技术的发展，直升机上出现越来越多的航空电子系统。它们都具有从传感器、信号采集、信号处理到显示的一整套完整功能。比如雷达、惯导、大气机等向直升机平台及综显提供飞机姿态、空中及地面目标信息、地表地形及防撞导航信息等，需要通过联网技术进行综合显示及控制。本文所论述的航电显控仿真系统是根据某型直升机改装大型综合航电系统的总线拓扑结构而研制的数字仿真系统。采用模块化的设计，模拟直升机上各种航空电子系统的真实数据及接口，对改装某直升机综合航电系统的设计论证、性能验证具有重要的意义。

本综合航电显控仿真系统模拟某直升机改装综合航空电子系统的总线结构（如下页图1所示），用先进计算机和总线技术模拟改进后的直升机的人机接口、状态监控能力、飞行导引能力。以达到实现：

①应用1553B总线实现系统综合及信息资源共享；

②模拟多功能显示器，提高直升机的人-机接口操作；③模拟惯导系统和大气机系统数据，供导航使用；④模拟雷达系统探测到的目标和障碍物信息，输出雷达视频；⑤模拟环境场景等。

本综合航电显控仿真系统根据其功能需求及实时性等性能需求，进行了系统设计，包括硬件设计和软件设计。

由于本综合航电显控仿真系统必要时，需要在机上与实际传感器进行联试，需要性能稳定可靠，故选择工控机或加固计算机，1553B总线通讯、429总线通讯采用货架产品的通讯板卡；雷达视频通过VGA视频采集卡采集后显示到综显模拟器上。按照设计方案的要求，构建相应的系统综合仿真试验平台，以满足系统联试的需要。为满足逻辑和接口验证需要，采用软件仿真技术，在保证接口真实的基础上，验证系统的功能、逻辑是否能满足系统需要。仿真系统包括综合处理接口计算机、接口任务处理计算机、雷达仿真器、惯导仿真器、大气机仿真器、非航电接口仿真模块、语音告警模块和数字视频记录仪，构建的仿真系统结构图如图2所示，各子系统和模块说明如下。

2.1.1 综合处理接口计算机

①控制整个综合航电系统的数据流，通过获取雷达、惯导、大气机等模拟器数据，综合当前的状态和数据处理结果，组织显示画面数据发送到综显模拟器上；②根据对综显模拟器周边键的操作信息，组织相应的控制命令，实现系统数据流、信息流以及人-机接口的控制与操作；③综合处理接口计算机作为系统总线控制器（BC），接口处理任务计算机作为备用总线控制器（SBC）和RT，实现综合航电系统数据传输的余度管理。

2.1.2 接口处理任务计算机

接口处理任务计算机同时接收雷达、惯导、大气机等模拟器的信息，主要完成导航计算、目标参数计算等功能；同时具有的备份功能，实现航电系统的余度管理。

2.1.3 雷达仿真器（RD）

某直升机雷达的主要作用是探测空中或地面目标及防撞告警。提醒飞行员对特殊气象如：强雷雨区进行回避。当能见度不高的情况下对危险物给出告警，提醒飞行员躲避。

雷达仿真器模拟雷达与综显的接口，将处理后的数字信息，通过1553B总线传送给综合处理接口计算机和接口处理任务计算机，将雷达视频信息通过视频线送综显模拟器显示；同时接收发给雷达的命令，转换不同的工作方式。

2.1.4 惯导仿真器和大气机仿真器

惯导仿真器模拟机上惯导的作用，为综合航电系统提供位置、速度、姿态等飞行参数。

大气机仿真器主要提供直升机实时的空速、旋翼诱导空速、高度、升降速度、大气密度比等大气数据。

2.1.5 非航电接口仿真模块（NAID）和语音告警模块

非航电接口仿真模块（NAID）模拟系统中发动机参数显示部件，它嵌入到综合处理接口计算机中。

语音告警模块用来在雷达的防撞方式时产生相应的告警语音，提醒飞行员前方有障碍物等。

2.1.6 数字视频记录仪（DVR）

数字视频记录仪在飞行过程中完成综显的视频记录和音频记录，音频信息包括飞行员语音、音响信息、语音报警信息。飞行任务结束后，用于飞行任务的重放和分析。

软件开发环境是基于面向对象的编程工具VC＋＋，在MFC应用程序框架下进行开发，并应用PhotoShop作必要的画面渲染，达到更加逼真的画面效果。软件模块分为显示模块、控制模块、数据处理模块、通讯模块。各软件模块之间的逻辑关系如图3所示。

本综合航电显控仿真系统要求是一个实时系统，显示、控制与通讯功能是整个系统中最重要的功能。为满足实时性的要求，本仿真系统采用多线程编程方法实现：显示与控制在主线程中实现，其他数据处理、1553B通讯、429通讯、总线数据记录及视频记录分别单独在1个子线程中实现，另外还有一个辅助线程（设置多媒体时钟和创建同步事件）和一个关机线程。

显示主线程、数据处理子线程及1553B和429通讯线程都访问同一个系统数据内存区，可保证各子线程访问的数据是最新更新的数据，但同时带来可能数据共享冲突的问题，这里通过使用同步对象和等待函数来解决多线程同步问题，使用CEvent类、CriticalSection类和WaitForSingleObject函数实现。仿真系统启动初始化后，显示和控制线程立即启动，设定显示的更新周期，然后依次启动辅助线程、数据处理线程，1553B通讯线程和429通讯线程。当辅助线程启动同步时钟后，由同步时钟触发同步事件1，接收到此同步事件后，数据处理线程进行接口数据处理后，触发同步事件2或3，并循环等待同步事件1；这时一直等待同步事件的1553B通讯线程或429通讯线程在等待条件满足后开始进行总线通讯处理，处理结束后循环等待各自同步事件。同时，对系统共享的资源，使用临界段CCriticalSection对象解决共享冲突。当一个线程访问临界段时，CCriticalSection对象将共享资源锁定，其他线程要访问此被锁定资源时，则将自身挂起，直到前一个线程停止使用时为止。总线纪录线程和视频记录线程由用户启动和停止。关机线程也由用户启动，在等待其他子线程退出后关闭整个仿真系统。时序关系如图4所示。

2.2.1 显示模块

显示模块对综合航电显控仿真系统的界面进行设计和布局，如字符、周边键、光标等。同时也生成绘图对象，如飞机、坦克目标等，同时将视频采集卡采集到的雷达视频图像叠加在画面上；在防撞工作方式时，构建三维视图，并显示大气机和惯导的仿真数据。雷达返回的状态数据显示在右下方。仿真系统界面如图5和图6所示。

2.2.2 控制模块

控制模块是联系用户和雷达仿真器、大气机仿真器和惯导仿真器通讯并控制整个仿真系统时序的关键模块。用户通过对界面的操作可改变对雷达的控制参数，通过周边键的切换，可实现POP（PilotOperationProcedure）的逻辑管理，通过功能按键，可以启动记录、惯导数据设置等功能界面。首先，仿真系统启动，初始化界面，自动创建共享数据区，然后启动辅助线程，接着启动通讯线程和记录线程，然后等待接收系统消息，根据不同的消息进行相应的处理，当收到系统关闭消息时，则仿真系统退出。控制流程如图7所示。

2.2.3 数据处理模块

对雷达的控制数据需由综显截获周边键的控制信息后，由429总线送到综合处理接口计算机后转换成1553B总线的数据格式后进行通讯；而接收时需要把雷达、惯导和大气机的状态数据和目标数据从1553B总线取出再转换成429总线数据进行显示或处理。这些都由数据处理模块进行数据的拆分和组合。惯导仿真数据界面如图8所示，波浪线的按键，可产生连续变化的参数。

2.2.4 通讯模块

通讯模块负责通讯板卡的管理，比如板卡的打开、设置、启动、读取数据、保存数据、写入数据等，主要依靠板卡自带的函数进行编程实现。通讯模块中非常重要的功能是，判断通讯板卡的故障情况，当发现综合处理接口计算机不能完成任务时，及时向接口处理任务计算机发出“valid信号”，从而启动备份计算机，使得综显及控制继续进行，保证任务的顺利完成。

本综合航电显控仿真系统针对某型直升机改装航电设备的需求，按照机上航电设备的拓扑结构，仿真综显的POP操作逻辑，控制雷达工作方式及参数，显示雷达视频画面及目标信息；同时仿真惯导、大气机数据供机上设备使用。应用当前成熟的面向对象编程技术，并结合雷达等机上设备工作实时性特点合理安排时序关系，满足了某直升机模拟改装航电设备的可行性验证的需要，并为后续雷达等航电系统的研制及试飞打下良好基础。