ARINC661标准在直升机座舱显示系统设计的应用研究

陈斌

（中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333000）

0 引言

航空电子系统（Avionics，简称航电系统）是指飞机上所有电子系统的综合，主要包括了通信、导航和显示管理等多个系统[1]，属于当前飞机系统内部较为关键的一部分。自上世纪40年代产生以及应用以来，航电系统的体系结构的发展主要有四个阶段依次为：立式航电体系、联合式航电体系、综合式航电体系和先进的综合航电体。

1 概述

1.1 研究背景及意义

对于座舱显示系统（Cockpit Display System，简称CDS）来讲其通常情况下指的是飞机座舱内部全部的软硬件设备的统称，并且对于现代航电系统的发展与应用具有着重要的影响。近些年来航电系统的发展相对较快，从而使得大量的电子设备有效地应用至了飞机座舱内。然而，现阶段飞机座舱内部接口未能够形成较为统一的标准，不同类型的电子设备间接口方面存在相对较大的差异，未能够实现软件的再次利用以及有效移植，由于该种情况的存在从而造成了座舱显示系统的成本方面相对较高同时对于系统的要求也相应的增加了。通过有效引入接口设计还有模块标准化当面的理念，从而进行了对飞机座舱显示系统设计接口进行了有效地统一并且也对所有的模块功能进行了有效地规范，从而有效处理成本方面的问题以及难度相对较高方面的困难并且针对该方面有效提出了ARINC 661的规范。

ARINC 661规范主要是由ARINC企业在2001年针对座舱显示系统所提出的的新的标准，全程为“座舱显示系统与用户系统规范（Cockpit Display System Interface To User Systems）”。此规范于CDS还有用户应用（User Application，简称UA）间进行了一套接口的有效定义，同时还进行了对其通信方面的相关数据的格式予以有效规范处理[2]。从宏观上定义了整体的结构框架，协调多个子系统组件以创建交互式的显示系统。第一个子系统组件即座舱显示系统，通过绘制引擎来呈现图像信息。另外，显示系统需要与另一个独立系统：用户应用程序之间建立逻辑连接关系。两个系统之间的连接便是ARINC 661的运行协议（ARINC 661 Runtime Protocol）。这个协议用来承载用户与UA系统间的交互事件，并将此需求发送给显示系统以更新显示数据。最终，所显示的内容，包含各个图形元素，将从被叫做窗体库（Widget library）的组件里调用。国内对该规范的研究工作尚处于刚刚起步状态，在国内军用、民用直升机型号设计过程中，还没有采用ARINC 661标准进行座舱显示系统开发的案例。

近年来随着信息科学技术的发展，从而有效地提高了软件开发技术以及促进了电子技术的进一步发展，同时也在有效地促进了座舱显示系统信息化以及智能化深化发展，也朝着高度数字化、综合化和智能化的方向发展，对于新一代的座舱显示向着多功能化以及更为良好的人机交互的方向发展快速。ARINC 661规范的提出还有在实践中的具体应用从而有效实现了新一代座舱显示系统开发，因此表明了 ARINC 661规范能够满足新一代座舱显示系统的实际开发的具体需求。

近些年来航电系统的发展相对较快，从而使得大量的电子设备有效地应用至了飞机座舱内。然而，现阶段飞机座舱内部接口未能够形成较为统一的标准，不同类型的电子设备间接口方面存在相对较大的差异，从而造成了 CDS 的设计方向存在相对较大的难度，以至于实现 CDS 的更新需要投入相对较多的资源。而且，在直升机鉴定、定性阶段，根据软件的重要程度，需要对软件开展不同层级的三方测试。为 CDS 引入标准化接口设计的概念，不但可以大大降低了 CDS系统设计的成本，提高了软件的可移植性和可操作性，还能在后续的三方软件测试阶段，大大降低软件测试的复杂度。因此，基于ARINC 661 标准的直升机座舱显示系统CDS设计开发平台研究与实现对国内直升机座舱设计具有非常重要的意义。

1.2 国内外发展现状

ARINC 661旨在规范化座舱显示系统的定义，使得座舱显示系统和用户之间用于管理航空电子设备通信的标准化，其主要目的是为了规范CDS和UA之间的接口。图形用户界面（Graphical User Interface，GUI）完全由二进制DF文件定义，而座舱显示软件管理实际呈现窗口构建，以及通过显示系统输入设备来监控飞行员与飞机的互动。

ARINC 661规范自2001年问世以来，经过不断发展与修订，目前已经发布了6个版本。随着座舱显示系统的不断程度其功能方面得到有效拓展，从而使得ARINC 661规范逐渐趋于完善。在此规范的所有的后续版本内，Widget的每次增加均表示座舱显示系统功能完善程度的增加。在社会不断发展过程中以及科学技术的进一步发展，ARINC 661规范也逐渐向着更加完善的方向发展。

在ARINC 661规范中主要进行了基本图形用户界面集合的有效引入。结合座舱显示系统实际的设计方面的要求，进行了对一系列的窗体部件库进行了科学合理的定义同时还针对各个窗体部件的组织结构还有其属性方面进行了较为详细的定义。在功能方面与Windows界面开发工具具有一定程度的相似性，对于ARINC 661所定义的窗体部件库来讲其中与Windows开发工具一样具有相应的菜单以及工具条还有相关的按钮等具有较强的交互性的控件，同时还具有几何图形方面的控件与Panel等容器控件。ARINC 661规范同时还进行了对定义文件（Define File，简称DF）的有效引入，并且还针对定义文件的具体格式展开了相对较为详细的规范处理。对于座舱显示系统方面的设计主要是通过定义文件进行了有效地体现，定义文件中涵盖了图形用户界面显示所需要的所有类型的相关数据信息。通过定义文件，能够在各种符合ARINC 661规范的CDS中进行对图形用户界面设计的有效重现。通过定义文件的引入从而有效地将CDS与UA予以有效分离，CDS在功能方面主要承担着图形界面显示的作用，UA起到的是逻辑处理方面的作用。ARINC 661进行了对CDS和UA间的相关数据通信格式的科学合理的定义以及予以了有效地规范，并且通过设计人员的有效设计从而实现具体的UA的设计。通过该种手段从而使得CDS的设计转变成为了开放型的模式，同时令逻辑方面的设计与界面方面的设计进行了有效地分离，一定程度上使得设计效率得到了有效地提升。

因为指定ARINC 661的委员会的相关成员是处于飞机制造领域以及航空电子系统软件开发的领先地位的企业，从而一定程度上令ARINC 661规范的灵活性以及市场化程度得到了有效地提升，在商业化领域中具有良好的发展前景。所以，ARINC 661规范的提出受到了航空领域关注度相对较高，并且随着科技水平的进一步发展，ARINC 661规范已在民用类型以及军用类型的飞机CDS的设计开发得到了有效地应用。其中主要涉及到空客A380、空客A400M和波音787等。国际方面已完成了多款符合ARINC 661规范效果相对良好的座舱显示系统开发工具，如VAPS XT ARINC 661 Module、GLStudio ARINC 661工具包、SCADE ARINC 661软件等。

国内针对ARINC 661的研究在近年来也有较大的发展，在实现方式上进行探索和尝试。上海飞机设计研究院在2015年对ARINC 661机载显示软件中的DF文件的原理和验证机理进行了分析，并提出了一种新型的DF验证方法[3]。该方法基于自动化分析技术，能够提供基于数据的验证结果，为机载显示软件研制人员提供了一种客观、高效的DF验证方法。南京航空航天大学在2015年基于ARINC 661规范，结合显示屏触摸功能，研究设计了一套用于飞机座舱的触控屏显控系统，提出了一种局部画面区域随屏幕出现实时移动的设计与实现方法[4]。利用ARINC 661规范中定义的窗体控件，通过UA和CDS内核间指令交互，在触摸敏感的显示器上实现局部画面区域跟随触摸点实时移动的功能，使飞行员对座舱显示画面的控制更加方便高效。

2 ARINC 661标准解析及开发过程研究

2.1 ARINC 661标准解析

传统上的座舱显示软件都是由厂家自己进行编写，包含基于内部规则及逻辑的，能将信息呈现的可执行程序。而ARINC 661则将图形绘制代码及逻辑管理代码区分开，定位及描述所有的虚拟元素。这个两个组件即座舱显示系统（CDS）和用户应用程序（UA）。在按照功能将这两个应用组件划分后，下一步是定义消息交换的标准，即ARINC 661的实时运行协议。在用户进行交互操作时，通过使用ARINC 661的实时运行协议。消息在CDS及一个或多个UA间被交换。一旦操作被处理，UA端将发回信息给CDS以更新显示。

ARINC661规范主要从两方面对CDS接口进行规范化定义：首先为CDS的显示界面定义格式，引入图形定义文件的概念来为座舱显示系统定义界面；其次为CDS和UA之间通信定义规范化的通信协议，包括各类交互事件、传输消息格式等。

图1 基于ARINC 661的飞行器显示系统结构关系

定义文件（DF）是处于CDS内的的可装入标准格式文件，从根本上来讲其属于图形用户接口方面的文件[17]。由定义的角度进行分析，定义文件主要是进行了对CDS界面的总体布局还有初始化CDS需要的相关信息进行了相对较为详细的描述，通常情况下进行对座舱显示系统初始化设置，从而把初始的界面窗口部件放置于CDS内部，此类型的文件仅仅只需CDS启动时加载一次。ARINC 661通过将定义文件方面的相关概念进行了有效引入，从而为CDS还有UA建立良好的联系，科学合理地将CDS设计还有UA逻辑设计相予以了合理分离，从而一定程度上提高了设计效率，大幅度降低了系统开发的时间同时也提高了CDS设计的可移植性。如图2所示。

图2 DF文件功能示意图

ARINC 661规范规定，完成新的座舱显示系统的有效开发，不仅需要展开对窗体部件方面的合理设计，还应当进行对相关图片还有符号方面的有效设计。在进行对符号与图片的设计过程中需要结合飞机的具体情况展开科学合理地设计，提前进行对图片库还有符号库进行合理地定义，并且同界面定义的窗体部件共同在CDS中进行存储，图片和符号主要是通过特定的窗体部件结合设计图片或者符号时的ID号予以有效地调用以及进行实例化显示。在具体实践过程中，因为不同机型CDS的设计关于图片库还有符号库方面的要求存在一定程度的差异，提前所定义的图片库还有符号库存在一定的局限性经常无法满足实践需求。所以，ARINC 661规范规定定义文件内需要具有针对性的图片定义块还有符号定义块[5]。

因为图片还有符号显示需要通过特定的窗体部件根据ID标识进行实例化调用，所以在进行对窗体部件块的定义之前需要进行对图片块和符号块的定义。如上图所示为定义文件结构示意图，由图2.3能够了解到，ARINC 661规范的定义文件主要涉及到五部分数据块。各个定义文件涵盖了来自一个应用程序（UA）的多个应用程序层（UALD）定义，零个或者若干个符号定义，零个或者若干个图片定义。因为定义文件涵盖了许多CDS设计描述方面的相关信息，所以其结构化的设计能过实现信息存取方面的速度得以有效提高。

图3 DF文件结构示意图

对于定义文件的引入来讲其主要三个优势[18]：第一，ARINC661通过定义文件对CDS的显示接口进行了科学合理的定义规范，所有符合ARINC661技术规范的CDS均可以进行对符合ARINC661规范的图形界面定义文件的加载并显示，从而使得CDS设计具有较高的移植性，第二，采用定义文件，能够令系统的界面设计还有实践应用进行有效地分离，同一CDS内核，能够展开对不同图形界面定义文件的有效设计，从而实现其功能与显示效果的有效提升，使得座舱显示系统的开发效率得到极大程度的提升。第三，定义文件的应用从而有效提高了CDS和UA间的通信的便捷性。可以将UA到CDS间的指令简单视为窗体部件属性值的设置和更新。UA到CDS间的指令传递能够简化成窗体部件属性值的传输，CDS画面的动态显示能够简化为窗体部件结构和属性值的改变。

基于ARINC 661标准的座舱显示系统的设计原理是将“画面显示与业务逻辑”两部分进行分离，分别对应与座舱显示系统内核还有用户系统两大块。CDS内核的主要作用是画面显示，而UA主要作用是逻辑处理，二者之间的关系如图4所示。

图4 ARINC 661标准CDS工作原理图

座舱显示系统的整个设计流程需要经过开发、定义和运行等三个阶段[19]，如图5所示。

图5 ARINC 661标准CDS设计流程

一旦CDS结束加载DF步骤，所有窗体属性的改变将由用户应用程序进行控制，控制通过ARINC 661的实时指令完成，在执行过程中，CDS响应来自于鼠标、触摸屏、键盘或其他输入设备的用户操作事件。这些交互操作将对窗体显示产生作用（如：当鼠标停留在按键上时，按键将会高亮显示），或者生成新的事件。而UA只接受这些事件消息，不用知道用户交互的具体细节。

这样的实时交互机制具备很多好处。首先是仅仅需要编写CDS代码，然后编译、测试、验证一次。在注释完成后，CDS将加载一个新创建的定义文件来更新及改变显示。同样的好处在于改变应用逻辑流程的时候，仅仅需要修改UA的设置。

独立的组件设计将任务划分为图形显示和逻辑管理，使得开发工作更加简便。

2.2 CDS开发过程解析

ARINC 661定义了一个可用于所有类型的飞机驾驶舱显示的标准界面。ARINC 661正常化了座舱显示系统（CDS）的定义；显示和管理航空电子功能的用户应用程序（UA）之间的沟通。

VAPS XT ARINC 661 Module是VAPS XT的一个插件模块，可以方便快速地创建任何符合ARINC 661标准的CDS系统。VAPS XT ARINC 661 Module提供了以下的功能：①具有高度的灵活性和可扩展性，可用于开发用户定制的对象或控件；②具有一个简单易用的图形化编辑界面，加快ARICN 661显示设计与开发；③强大的基于对象模型的架构；④显示布局文件可以存储为可读的XML文件；⑤提供大量ARINC 661控件。

2.3 UA开发过程解析

就像在之前所提到的，ARINC 661结构将逻辑与图形分隔开。用户应用程序（UA）是负责提供更新座舱显示系统（CDS）显示内容的数据，这些数据基于飞行数据及用户交互显示的数据。

ARINC 661标准并没有对用户应用程序的结构进行过多细节描述。第一份声明中定义用户应用程序能够连接到一个或多个座舱显示系统加载的层级。这个标准也规范了保持座舱显示系统和用户应用程序之间通信的ARINC 661运行协议。按照这两点声明，可以使用任意语言或设计方法来创建用户应用程序。

将图形及逻辑分隔开的好处是修改逻辑将不会影响到座舱显示系统的定义。这样的方法也有利于采取多团队分布式创建座舱显示及仿真和测试显示。

通过商用软件UA Emulator和UA Squared等提供UA显示逻辑运行时仿真功能，对应用场景进行建模、测试；使得在项目论证前期即可通过软件对UA的行为进行建模，提高软件的开发效率。

3 结论

随着航电设备的应用要求不断发展和提高，对座舱显示系统的要求显示也越来越综合化。ARINC 661规范作为座舱显示系统画面显示的设计规范，对其主要画面构建窗体部件进行定义。静态定义文件对所有窗体部件进行预定义设计，CDS显示设备负责各类部件的显示管理，用户UA发送动态指令信息更改窗体部件显示效果，实现画面动态显示控制。在本文研究内容的基础上，后续的工作可从进一步完善窗体部件库和如何提高设计效率两个方面开展研究。