基于Android平台的多功能显示模拟器设计*

2018-04-19谢晓方刘建超

火力与指挥控制 2018年3期

杨健，谢晓方，王彦，刘建超

（海军航空大学，山东烟台 264001）

0 引言

飞机的训练模拟器是训练飞行员、空地勤人员的基本地面训练设备，是经济、高效并且安全的训练方式。多功能显示器作为某型飞机综合航电系统的主要分系统，对其进行仿真模拟对于整个飞机训练模拟器来说具有重要意义。

近年来，由于军事需求不断增长，促进军用仿真技术的研究和发展非常迅速，以美国为代表的发达国家建成了以红外成像制导、毫米波寻的制导和红外、毫米波双模制导为代表的高性能武器型号研制半实物仿真系统，如美军的KVV红外半实物仿真系统（KHILS），陆军的MSS-2毫米波寻的制导仿真系统和共孔径毫米波和红外双模制导的半实物系统；发展了基于高层体系结构HLA，用于大规模综合战区演练的先进分布式仿真计划局（DARPA）和美国大西洋司令部（USACOM）联合开展的STOW97联合演练系统；以及向武器装备全寿命管理应用方向发展的，如美国国防部近年来提出的“基于仿真的采办SBA”、美国陆军的“SMART”等新概念。而我国的军用模拟器仿真技术发展也很快，建成了含有VR技术的基于DIS和HLA体系结构的多武器平台综合仿真示范系统等，我校在模拟器仿真领域也有所建树，2013年研制成功了集教学科研于一体的“歼击轰炸机教学实验综合仿真系统”，如下页图1所示，摆脱了依赖实装开展教学和训练的困难与制约。

然而上面这些研制的模拟器一般都采用总线结构的方式，比较昂贵，而且设备大都比较笨重巨大，难以移动；随着训练、教学向着信息化、开放化发展，已经越来越难以满足需求。而现今，移动设备，包括手机和平板电脑，正成为非常强大的通用计算平台；Wi-Fi等无线互联技术也越来越普及。因此，研制基于Android平台的多功能模拟器不仅可以大大节约成本，并且克服了以往训练模拟器笨重巨大、难以移动的缺点，为训练和教学提供了良好条件。

1 Android平台和多功能显示器简介

1.1 Android平台简介

如今的智能手机和平板电脑，功能越来越强大。CPU主频2.5 G、四核甚至八核已经成为主流，智能手机已然成为一个“小型PC”。在PC上能够完成的应用功能，手机上基本都可以完成。智能手机和平板最核心的部分当然是操作系统，目前使用最多、应用最为广泛的就是Android操作系统。

Android是一种以Linux为基础的开放源代码操作系统。自从2008年10月Android完整发布以来，已推出了超过20个平台和SDK版本，截至目前最新的版本为Android 6.0。Android通过一系列API库，所有应用程序都可以访问硬件，并且在严格受控的条件下完全支持应用程序之间的交互。

概括地讲，Android由3个组件构成：一个针对嵌入式设备的免费开源操作系统、一个用于创建应用程序的开源开发平台及运行Android操作系统和应用程序的设备。详细的内容包括Linux内核、Dalvik虚拟机、应用程序框架及SQLite、OpenGL、Webkit等开源库可参考Google官方文档［1］。

1.2 多功能显示器简介

多功能显示器（MFD，MultipleFunction Display）是飞机各系统信息的综合显示终端设备［2］，由于受当时研制条件所限，现役机型的显示屏幕多为CRT（阴极射线管）显示器。

如图2所示，MFD由3部分组成：面板组件、CRT组件和内部组件。面板组件包括周边键、控制旋钮和电源开关；CRT组件包括：CRT、偏转线圈、调谐组件；内部组件包括偏转放大板、视频放大板、电源组件及通讯控制板。

其中笔划和光栅视频信号通过视频放大板处理后传送给CRT显示组件进行显示，既可以单独显示笔划也可单独显示光栅视频，或者叠加显示两者，现在最新一代的战斗机已基本采用纯光栅显示方式，然而大部分仍在服役的机型还是采用光栅笔划叠加画面显示器［3］。

在实飞或平时的训练中，飞行员通过按压多功能周边键查看不同的子画面，周边键的功能和显示内容具体由系统操作逻辑决定。

2 系统总体结构

实现飞机座舱前座舱显示面板模拟的由3台多功能显示模拟器来实现，中间的显控模拟主界面采用信号处理机加22 in触摸液晶显示器的方式，两侧显控模拟辅界面采用基于Android系统的10.1 in平板电脑，它们之间采用WLAN（无线局域网）进行通讯，如图3所示。

2.1 显控模拟主面板设计

显控模拟主界面由于要实现的功能较复杂，且与其他分系统的硬件接口大部分平板电脑不支持，因此，采用信号处理机和触摸液晶显示器的方式。信号处理机装载有用于采集光栅和笔划信号的视频采集卡、转换笔划偏转信号和光栅笔划切换信号的A/D转换卡以及负责处理机和触摸屏通信的RS-422通讯控制卡。在这些硬件上层还有对应的驱动软件，顶层则是实现显控模拟的应用程序，整体框架如图4所示。

2.2 基于Android的显控模拟辅面板设计

实现显控模拟辅界面的多功能显示模拟器采用基于Android平台的10.1 in平板电脑，用于显示油量、发动机、液压及SMS（外挂管理系统）等辅助信息。其总体结构如图5所示。

3 系统软件设计

前面介绍了多功能显示模拟器的总体设计和硬件结构，然而在现代仿真系统中，软件是核心。为了实现经济高效的显控系统仿真，使得显控仿真在飞机训练模拟器上发挥其作用，本文根据系统仿真的理论和面向对象的方法，设计了多功能显示模拟器的软件结构并给出了程序流程图和时序图。

显控主面板在Windows系统下，采用VS2010编程环境，辅面板基于Android平板采用eclipse编程环境。

3.1 显控仿真总体设计

显控仿真系统显示流程图如图6所示，主要完成如下工作：

1）硬件初始化模块

按照显控系统配置文件，对加载显示设备进行串口及显示机器设置的初始化，并将初始化结果返回至显控计算机；

2）接收主控计算机的显示数据

显示仿真计算机只需接收控制计算机的命令字即可，并将显示仿真计算机的按键及显示信息反馈给控制计算机；

3）消息处理函数

根据接受到显控主程序的显示和控制命令，和按键消息确定显示设备的工作状态，从而驱动显示器和正前方控制板完成对应画面和字符的显示。

3.2 显控模拟辅面板程序流程图

辅助面板采用基于Android系统的10.1 in平板电脑，其时序图如图7所示。

当按下周边键的时候，触发相应动作，Button对象的ButtonListen（）函数监听到消息后向WifiManager发送连接wi-fi申请传送数据，显控处理机收到请求后发送相应数据，通过wi-fi传输后在显控辅面板上显示，以显示发动机的状态为例，如图8所示。

4 关键技术

4.1 无线通讯及通讯协议

4.1.1 无线通讯

基于Android的MFD实现的一个关键是通过无线网络接收和发送各种信息［4］。Android系统中提供有封装好的API接口，直接调用即可，工作流程如下：

首先配置Wifi网络，使显控处理机与显控模拟辅设备组成无线局域网；然后就可以通过Socket在局域网中进行通信。Socket通常也称为“套接字”，采用“客户端/服务器”（Client/Server）的工作方式。对于Android而言，包含两个类：Socket和ServerSocket。首先ServerSocket在服务端监听某个端口，当显控辅设备Socket发来连接请求后，显控处理机Accept该请求，同时在显控处理机端建立一个Socket与之通讯。即采用的是基于TCP/IP的面向连接的可靠通讯，两个Socket之间双向连通，因此，还需要设计完整的通讯协议以保证数据传输的可靠性和高效性。