飞行仿真中基于嵌入式Qt的CDU仿真模块设计

周 旋，顾宏斌

(南京航空航天大学民航学院，江苏 南京 211100)

控制显示组件(Control and Display Unit)是飞行管理系统中人机交互的重要部件，是飞行员在飞行训练中使用最多的模块。飞行员使用CDU完成建立飞行计划、修改航路、输入FMC数据、检索显示页面等飞行管理功能。因此，对CDU的仿真是整个飞行模拟系统不可或缺的部分［1］。

目前为止，在科研领域，对CDU的仿真主要停留在仿真CDU的按键输入和页面显示功能，而CDU显示的难点，其页面的生成，则使用第三方软件生成［2］，或只仿真少部分页面［3］，无法满足实验和仿真的需要。本文在基于嵌入式Linux的ARM平台下，选择Qt作为GUI开发工具。参考737NG系列的CDU，归纳了页面特性，用面向对象的思想封装各级页面，将各级页面的信息和逻辑关系以资源文件的形式的存储在SQLite数据库中，根据可修改的数据库信息生成CDU页面，实现页面显示功能和按键事件响应，简化了CDU页面的开发复杂度。并使用标准键盘，将标准按键映射为CDU按键［4］，为开发1:1 CDU仿真按键做好准备。经测试，该方案可以方便地生成CDU页面，处理按键事件，并与上位机通信。在设计新型号CDU时只需修改数据库和新建页面变量即可生成新的页面，满足对不同种CDU快速开发的需要。

1 飞行仿真中CDU模块的功能

CDU是飞行管理计算机系统(Flight Management Computer System)的人机接口，通过CDU的键盘向FMCS输入飞行计划、性能数据、修改航路、检索各种页面信息(如导航数据、性能数据、咨询信息、故障情况、自检信息等)［1］。

在737NG系列飞机中，CDU负责页面显示与发送按键事件。其页面的切换与数据的处理都是由FMC处理。但是在飞行仿真中，为了使各部分功能模块化，方便分工合作，充分利用处理性能，将页面标题生成和显示，以及对按键事件的处理功能交给CDU仿真模块，而上位机只负责复杂的飞行计划的仿真。上位机与CDU仿真模块通过UDP/IP协议通信，CDU仿真模块将需处理的飞行数据发送给上位机，经上位机处理后发回，并在CDU仿真模块中显示。如图1所示。

图1 CDU仿真模块的构架

2 CDU仿真模块设计方案

在飞行管理计算系统的仿真中，CDU仿真模块负责的是页面显示输出功能。其显示功能，就是根据键盘的输入，改变页面信息或者切换页面，并将页面上的信息传输给上位机的飞行计划处理单元。因此，事实上CDU仿真模块主要处理的任务就是根据外部响应切换页面。实际的问题就转化为，搭建一个实现显示、按键输入、并与上位机通信的嵌入式系统。

本文使用嵌入式Linux操作系统+QtGui来搭建CDU仿真模块，Linux内核具有可裁剪的特性，可以裁剪不用的部分加快启动时间［5］。Qt是主流的GUI解决方案，有面向对象性强，跨平台的特点［6］。由于CDU的页面数量很大，使用SQLite数据库存储页面初始化信息。SQLite是主要面向嵌入式设备，拥有ODBC接口的轻量级数据库。在Qt中使用QtSQL可以方便地使用SQLite数据库功能［7］。

此外由于CDU按键功能的特殊性，可以将CDU功能按钮的使能信息放在数据库中。事实上，除了少部分特殊页面的特殊功能以外，大部分页面的初始化信息全部存储在数据库中，只需要更改数据库信息，就可以改变页面的文字信息。

3 CDU仿真模块的设计

CDU仿真模块主要功能有页面生成、显示，按键事件响应和网络通信的功能。在系统启动后，首先读取数据库，初始化页面，然后接收上位机飞行计划相关信息并显示，根据按键事件做出插入、复制数据等操作，在完成某些操作后将信息传输给上位机。CDU仿真模块流程如图2所示。

图2 CDU仿真模块流程

图3 页面系统

3.1 页面系统

搭建CDU仿真模块的关键在于:如何方便地生成大量的CDU页面;如何处理复杂的页面逻辑关系?使用面向对象的方法，总结归纳CDU页面的特性，归纳的程度越高，就越能简化每个独立页面所需的代码。

(1)页面的生成

真实CDU的任何页面系统都包含三个部分:页面的标题信息，页面数据，页面切换标识。其中，标题信息为小字显示，页面数据和页面逻辑为大字显示，如图3所示。

飞行仿真中，CDU仿真模块初始化页面标题信息和页面逻辑，页面数据由上位机处理生成并使用UDP传输给CDU仿真模块。在初始化过程中，把页面数据初始化为空字符，把它视作页面切换标识的子集。实际所有的页面数据都由CDU仿真模块初始化，在生成页面时可以忽略其区别，在之后在处理页面数据。

根据真实CDU显示特性，页面文字分为2类:小字体字符，包含页面标题信息［1］;大字体字符，包括页面数据、页面标题和页面逻辑。

总结所有CDU页面的特点，可以发现小字体字符的位置不会变化，大字体字符有2种变化:左右分布或者左中右分布［1］。左右分布其实是左中右分布的特殊形式，即中间没有文字。把每组字符串视为单独的对象，创建继承QLabel类的QWord类，大字符为 QWordBig，小字体字符为 QWordS-mall。创建继承QWidget的QCDU类，作为CDU页面功能的基类，包含22个QWordBig类和12个QWordSmall类。参考真实CDU的显示特性，使用Qt的Layout排版，设置QwordBig分别左右对齐，中间对齐，并根据字符的长度自动调节QWordBig的长度，在填入初始化字符串后，该方案可以模拟所有的CDU页面。大字体字符串抽象图如图4所示。

图4 大字体字符串抽象图

(2)页面的切换

页面的存储使用Qt的堆栈功能，页面的切换则是使用了SQLite的查询功能。

虽然CDU的页面数量较大，但主要存储的是文字信息，实际占用的空间并不大。在CDU模块初始过程中，实际是初始化所有的QCDU对象。将所有的QCDU对象存储在QStackWidget堆栈中，每个对象获取唯一的堆栈号，并存储到数据库中，通过选择堆栈号，切换相应页面到前台。

真实CDU中，有3种方式切换页面:按下具有标准选择功能并对应行含有“＜”或“＞”字符的按键;按下功能按键;上下翻页键［1］。页面切换功能的实质是将行选键对应的字符与页面一一对应起来。为此，在后页的QCDU类中增加一组标识字符串，其表示标识为唯一，使之与前页字符串一一对应。当按下按键是，程序根据行选键对应的内容，搜索数据库，找到对应的堆栈号，使用QStack-Widget功能切换到指定页面。

如:真实CDU中，在位置起始页(POS INIT)中“ROUTE＞”对应航路页(RTE)。因此，设置航路页的QCDU类的标识符为“ROUTE”。CDU仿真模块中，按下“ROUTE＞”对应的行选键后，系统自动除去“＞”符号，并在数据库中搜索“ROUTE”页面，搜索到RTE序号为5，使用QStackWidget类，切换显示到堆栈号为5的QCDU页面，即RTE，同时把便签栏数据复制到RTE中。

3.2 按键事件的处理

真实CDU一共有包括行选键、功能键、数字字母键在内的78个按键，仿真与实物的移植，提高仿真效果，订制与对应机型CDU在键盘大小，按键布局与按键功能一致的键盘。在程序中将键盘的输入映射为CDU按键，重新定义标准键盘的按键事件，如将F1～F6定义为左功能键。

功能键主要有12个快捷键，2个翻页键，1个执行键组成［1］。按下快捷键时调用QStackWidget，直接跳转到对应的页面。翻页键功能与之类似，配置QCDU加入堆栈时按页面排列，按下下一页按键时候当前页面序号+1，即转到下一页。按下执行键时检测上位机发送的使能变量，判断是否能够执行。

行选键是逻辑相对复杂的一种，每个功能键总计有5个功能，包括3个标准功能，2个非标准功能，其中非标准功能不常用［1］。将QCDU类作为基类，实现3个标准功能的处理函数，使用虚函数描述2个非标准功能，在子类中重写非标准功能处理函数。3个标准功能包括标准选择功能，标准输入功能，删除功能。标准输入功能和删除功能实际是QCDU类中22个QWord数据的交换。对于标准选择功能，需要对QWord中的字符串进行判断，在包含“＞”或“＜”进行页面切换，不含则与另两个标准功能类似，只进行页面内数据的交换。

虽然每个行选键在程序初始化时都有5个功能，但真实CDU系统中每个行选键都只拥有固定的几项功能，如起始位置检索页，该页中行选键都具有标准输入功能，而没有标准选择功能［1］。CDU仿真模块根据数据库中存储的信息使能行选键的功能，只需要修改数据库中的数据设置就能设置行选键的功能。

3.3 数据库的使用

如果将页面数据及页面逻辑信息都存储在程序中，不仅会使程序结构复杂，且扩大了程序的体积。并且由于CDU页面较多，当需要建立新页面时，要将页面标题数据全部输入，对于不熟悉程序源代码的人来说维护较为麻烦。因此，参照程序本体/资源文件模型，将页面中的标题数据和逻辑信息存储在资源文件中，在程序本体启动时读取资源文件，根据资源文件初始化。

资源文件是一种存储在硬盘中的文件，其中可以包含文字、位图、音频等信息。资源文件不需要经过编译，程序在初始化时通过特定的方式读取资源文件，并存储在内存中。使用资源文件可以减少主程序体积，在替换资源时不用重新编译程序，且不影响程序运行速度。为了方便资源文件的维护和扩展，使用SQLite数据库文件格式存储资源文件。

资源文件中存储的数据包括4个部分:

(1)页面标识名称(title)。对于每一个页面，使用一个唯一的字符型常量与其对应，称为页面标识。程序中使用该名称区分每个页面，确保页面变量能从资源文件中正确读取对应的信息。

(2)换页信息(pagename)，该条目与页面逻辑有关。存储的文本用作检索名称，用于搜索

(3)行选键使能信息。决定了行选键的功能，为了方便维护，每个使能功能以可用位置的形式存储。如在位置起始页中，L2，L3，L5，L6，R4，R5 按键拥有标准输入功能，R1，R2，R3，R6拥有标准选择功能。在数据库存储方式为:fselect值为7，8，9，12。fenter值为 2，3，4，5，10，11。

(4)页面显示信息。即CDU页面显示的信息，参照实际CDU系统输入。

3.4 网络通信

由于嵌入式系统的处理能力较弱，CDU仿真模块主要处理的是页面的生成和按键事件的处理，负责较复杂运算的FMC的功能由上位机处理。由于传输距离很近，选择使用UDP/IP通信协议进行数据的传输。在CDU仿真模块页面初始化完成后，发送页面名称，请求上位机发送相应页面数据，根据机发送的信息显示页面数据。每当进行切换页面操作时，CDU仿真模块将页面标题、页面数据按顺序发送给上位机。

4 实验与验证

4.1 功能验证

打开CDU仿真模块，运行上位机，并填入页面数据。CDU进入IDENT(识别检索)页，页面的数据能完整显示。按下字母按键，便签栏数据改变。按下行选键6R，页面切换，进入POS INIT(位置初始化)页，所有数据正常显示。按下PageDown，进入POS REF页。按下行选键1L，数据被复制到便签栏中，如图5所示。

图5 实物展示

4.2 增加新页面测试

在已有页面基础上增加NAV DATA(导航数据页面)。由于NAV DATA没有非标准按键功能，直接使用QCdu类建立对象，插入堆栈。

QCdu*CduNavdata=new Cdu("NAV DATA");

insertcdu(CduNavdata);

数据库中新建NAV DATA元素见表1。

表1

5 结论

通过对真实CDU页面逻辑的分析，基于嵌入式Qt开发环境建立了可与上位机交互的CDU仿真模块。使用面向对象仿真技术和数据库抽象出页面显示特性和页面逻辑，简化了完整CDU模块的设计，为完全模拟CDU模块打下基础。使用标准键盘模拟按键输入，方便调试，并具有扩展性。实验结果表明，该方法能较好地模拟真实CDU的运行，并能减少CDU页面开发的开发量，适应于各种飞行仿真环境。

［1］钦庆生.飞行管理计算机系统［M］.北京:国防工业出版社，1991.

［2］向明，马存宝.基于VAPS的FMS CDU实时仿真系统开发［J］.计算机仿真，2006，(8).

［3］廖蜂，郑书朋，侯伟钦，等.一种高逼真度的控制显示组件仿真方法［J］.计算机工程，2011，(4).

［4］陈又军.基于仿真硬件CDU的飞行管理系统训练器扩展研究［J］.航空维修与工程，2009，(4).

［5］孙天泽.嵌入式Linux开发技术［M］.北京:航空航天大学出版社，2011.

［6］蔡志明，卢传富，李立夏.精通Qt4编程［M］.北京:电子工业出版社，2008.

［7］孙磊.基于ARM Linux的嵌入式数据库SQLite的移植开发［D］.昆明:昆明理工大学，2008.