基于ARINC 661的座舱显控系统设计方法分析

王首道,刘 剑,马文静

（中航航空电子有限公司，北京,100086）

基于ARINC 661的座舱显控系统设计方法分析

王首道,刘 剑,马文静

（中航航空电子有限公司，北京,100086）

随着航空电子技术的快速发展，越来越多的飞机座舱显控系统开始依据ARINC661标准进行设计。基于ARINC 661标准开发的座舱显示系统，具有规范的体系结构和标准化的座舱人机交互接口、还具有重用性和可扩展性强、设计成本低等优点。本文首先对ARINC 661标准的核心内容进行概要性介绍；然后阐述了遵循ARINC 661标准的座舱显控系统设计方法，并在此基础上给出了一种采用ARINC 661标准的设计方法，最后对ARINC 661标准的研究和应用现状进行了总结。

ARINC 661；座舱显控系统；CDS；UA

0 引言

座舱显示系统(CDS：Cockpit Display System)先后经历了简单的机械仪表和电气仪表座舱、联邦式座舱、综合玻璃座舱等发展阶段。随着飞机座舱显示系统综合化程度和系统开放性要求不断提高，CDS的开发和维护变得越来越加困难，传统的显示控制软件结构和开发方式正面临严峻的挑战。现代CDS正向高度综合化、智能化方向发展，可靠、安全、高效的人机功效设计是衡量飞机现代化程度的重要标准。ARINC661标准的提出为规范CDS的开发，降低系统的集成、开发和维护成本提供了有效的解决方法。

1 ARINC661标准介绍

ARINC661标准制定目标：规范座舱显示系统的设计开发流程，对座舱显示系统内容进行定义和分类；为显控系统架构设计提供依据和参考；规范人机交互逻辑设计，提高航电系统人机交互效率。相比集中式的综合显示控制系统，ARINC661的体系结构具有更好的重用性和可维护性，可用于不同用途、不同机型，减少了开发验证时间，降低了开发维护成本。

ARINC661标准对CDS内容进行了定义和分类，明确CDS与外部的关系及约束。ARINC661标准定义了用户应用(UA：User Application)与CDS间的接口标准，实现显示和控制的松耦合。

1.1 座舱显示系统（CDS）

CDS定义为面向用户的图形显示系统，也可理解为一个图形渲染器，CDS上最终的显示内容由有限的组件集合中的组件构成，这个组件集合称为Widget库。CDS在座舱环境中向UA提供画面交互服务，与UA的数据结合起来显示图形画面。CDS管理Widget的实时显示，同时监视飞行员通过显示系统输入设备的交互操作控制。

1.2 用户应用（UA）

CDS的所有逻辑处理过程都在UA内进行，主要包括两个方面内容：一是为CDS提供更新数据；二是对操作者的行为进行逻辑判断，并给出相应的响应。UA可以运用任何编程语言和设计

技巧来实现，除了需遵循“层由UA控制”和“通信协议”外，UA的设计没有更多规定。

1.3 CDS与UA之间的通信

为了增加标准的适应性，ARINC661标准并未对具体的物理信道做出限定，仅给出了UA和CDS间通信的应用层协议。应用层协议可以分为定义和运行两个阶段。

1)定义阶段协议

CDS通过在定义阶段解析DF来建立内部实体结构。DF文件包含来自UA的用户应用层定义（UALD：User Application Layer Definition），UALD描述在UA和CDS之间共享的数据。在定义阶段，DF从UA加载到CDS。

2)运行阶段协议

UA通过运行阶段协议来实现对它所拥有的层及内容的控制，并对CDS发送的事件信息进行处理。UA通过[UAID][LayerID] [WidgetID]可以唯一确定CDS中的一个Widget，然后按Widget接口对其进行控制；CDS依据更新后的Widget属性，进行Layer的显示。运行阶段由UA与CDS之间的动态数据传输组成，CDS与UA之间的通信都是事件驱动的，事件包括“请求（Request）”和“通知（Notification）”两种类型。

1.4 ARINC661标准设计方法原理

采用ARINC661标准进行显控系统的开发，与传统的开方法有很大不同。在传统开发方法下，控制部分和显示部分是紧密耦合的，双方通过显示数据帧进行驱动，因为两者之间没有标准的分界面，所以对显控系统的维护、升级都比较困难，不利于系统的扩展。

ARINC661标准体系结构中提出图形显示与逻辑处理分离的理念，如图1 ARINC 661标准的整体原理图所示，用户需求决定DF(DF：Definition File)的内容，DF实质上就是一种图形用户接口(GUI) 文件，描述了界面上显示的所有信息。然后，将DF通过加载器导入到CDS中，CDS根据其中的信息进行显示界面的实例化。此后系统便进入运行阶段，UA与CDS之间将按照通信协议进行通信。

2 座舱显控系统设计方法及验证

座舱显控系统设计分为CDS设计与UA设计两部分组成，但两部分又有着紧密的关系，UA是CDS的重要需求来源，UA设计决定CDS设计的内容；CDS设计的画面要继承参考已有CDS的设计元素和设计风格，同时参考飞行员的建议和要求。

2.1 定义阶段从UA到CDS的设计流程

在定义阶段，座舱显控系统遵循从UA到CDS的设计流程，UA的功能决定了和它关联的DF的内容。

2.2 运行阶段CDS与UA的通讯策略

座舱显控系统设计要求CDS与UA之间的通信机制具有高完整性。因此CDS与UA之间的通信通常通常采用以下两种：

周期通信：UA发送数据通常是周期性的，这些数据是CDS按不同频率接收并周期更新的重要飞行数据。

事件驱动：ARINC661中允许UA自主选择当它的值变化时发送Widget参数值，当UA选择发送重要Widget参数时，它需要选择一种保证数据安全传输的通讯机制，Widget事件、确认和CDS消息等可靠的传输事件驱动方式可以有效保证重要数据传输。

2.3 HSI实例设计验证

通过一个简化的航空罗盘实例的设计过程来具体阐述本文提出的座舱显控系统设计方法：设计过程可分为两个阶段工作。

1)Widget分析与DF生成

分析航空罗盘所有的UA的具体功能，参照已有航空罗盘画面进行画面设计分析，将与UA对应的Widget全部分解出来，该罗盘可以指示当前磁航向、飞机图标、航道指针、航道偏离值、水平偏差等信息，因此需要设计可旋转罗盘卡，飞机标识，当前航向指示标，航道指针，航道偏离指针，水平偏差刻度等画面元素，根据初步分解的画面元素组成一个航空罗盘画面图如图2所示。

根据UA功能分析画面对象控制逻辑关系，罗盘和航道指针需要使用RotationContainer来实现旋转，航道偏离指针需要使用BasicContainer实现横向滑动。

图2 航空罗盘画面图

将画面元素进一步分解：可旋转罗盘分解成GpTriangle、GpLine、GpArcCircle和Label等Widget来实现，飞机标识使用Picture，航道指针使用GpRectangle和GpTriangle，航道偏离指针使用GpRectangle，水平偏差刻度使用GpArcCircle，然后为各个Widget分配ID，默认顶层的三个widget的ParentID均

为0，其中WidgetID和ParentID表明了Widget间的包含关系。最后，根据ARINC661规定为罗盘分配一个LayerID(1)和一个UAID(1)。此时，DF文件的内容逐渐明晰。

使用加拿大Presagis公司的VAPS XT软件，创建一个HSI页面，通过简单的拖拽或通过输入Widget精确坐标定位，将设计所需Widget添加到HSI层编辑页面中，并按罗盘画面样式进行布局，对每个Widget的属性：如大小、位置、颜色、半径等进行设置，VAPS XT自动将画面和Widget设置自动生成XML格式的DF文件，VAPS XT软件完成画面设计同时完成DF文件加载到CDS。

2)CDS与UA通讯实现过程

本文分别实现了PC仿真环境下和嵌入式环境下CDS与UA通讯的过程，在PC仿真环境里，一台PC机模拟CDS，另一台通过VC程序仿真飞行测量系统，实现UA功能，两台PC机通过以太网连接，由于罗盘显示的当前航向、当前航道、航道偏离值等是重要的连续的飞行数据，因此通讯策略采用基于UDP协议的周期发送方法。VAPS XT程序所在PC通过配置连接方式并为每个飞行参数建立数据连接，建立页面数据驱动。然后生成HSI画面可执行程序，执行这个CDS实例，等待与UA的通讯。另一台电脑设置IP信息和网络协议，通过数据包周期发送飞行参数，实现与CDS的通讯，驱动HSI画面。

在嵌入式环境里，采用PPC7448硬件平台作为CDS运行目标机，运行VxWorks5.5操作系统，一台PC机模拟UA，仍然采用以太网连接两台机器，使用VAPS XT软件生成嵌入式环境下CDS目标文件并通过以太网加载到嵌入式目标机上，然后PC机运行UA模拟程序，通过UDP协议周期发送飞行数据包，成功实现与嵌入式目标机下的CDS通讯，驱动HSI画面。

3)实现分析

从HSI的设计过程可以看出，相比于传统的座舱显示控制系统实现方式，基于ARINC 66l的开发具有更高的开发效率和更低的开发成本

在通讯可靠性方面，CDS与UA之间的通讯可根据传送数据类型的不同选择不同的通讯策略，保证通讯的高可靠性和高完整性。

3 结束语

ARINC 661标准已经在全球范围内普遍应用于各种飞机的座舱显控系统的开发，如空客A380、波音787等。遵循ARINC661标准的座舱显控系统设计方法是一种准确高效、开放式的设计方法，能够大大降低座舱显控系统设计开发成本，在发展迅速又注重控制成本的通用航空飞机系统设计中更加得到重视。

[1] ARINC.ARINC SPECIFICATION 661-5:Cockpit Display System Interfaces To User Systems[S].AERONAUTICAL RADIO,INC.2013

[2] 基于ARINC661的通用图符显示管理软件性能优化[J].高忠杰，胡萧.航空电子技术，2012（150）：31-33.

[3] ARINC 661规范及其应用开发研究[J].刘建，刘勤，孙永荣.计算机与现代化，2010，(176)：188-191．

A Design Method Research for Cockpit Display and Control System Based on ARINC 661

Wang Shoudao,Liu Jian,Ma Wenjing
（AVIC Avionics Company Limited,Beijing,100086,China）

With the rapid development of avionics technology,more and more cockpit display systems are designed according to ARINC 661 standard.Cockpit display systems based on ARINC 661 have canonical architecture,standard cockpit HMI,lower design cost,good reusability and can be easily extended.ARINC 661 is introduced briefly at first in this paper,then expound the design method based on ARINC 661 are analyzed. And an example based on ARINC 661 is given as illustration．In the end,the ARINC 661 research and development status are summarized．

ARINC 661;Cockpit Display and Control System;CDS;UA

图1 ARINC 661标准的整体原理图

国家863计划：通航高集成度航电总体设计、集成测试与验证技术(2011AA110101)

王首道、1983年生、男、工程师、硕士研究生、主要研究方向为航空电子系统座舱显控系统。