某型机电显示装置任务可靠性提升和双机切换机制研究

卢小军 徐锦顺 胡亮

（苏州长风航空电子有限公司 江苏省苏州市 215151）

随着航空机载显示器数字化和集成化的快速发展，机电控制显示装置在传统设计基础上集成控制接口和触摸功能。飞行员可直接通过机电控制显示装置获取机电参数、故障信息，同时能通过触摸功能对机电系统中的其他设备进行控制及人机交互。机电控制显示装置重要度越来越高，因此对可靠性要求也越来越高，在机电系统中通常采用前后舱各布置一台的设计，两台机电控制显示装置互为备份，可根据工作状态自动切换控制权限，也可由飞行员手动切换控制权限，以提高机电系统的任务可靠性。

本文旨在根据机电控制显示装置的实际使用需求和操作方式进行分析，结合我厂多年的机载座舱显示产品的工程实践经验，探讨影响任务可靠性的重要因素，针对性制定解决措施，提高显示装置任务可靠性。同时探讨双机交互机制，进一步提升产品交互工作中的可靠性。

1 任务可靠性提升

机电控制显示装置是飞行员获知驾驶舱控制面板和开关、电源系统、液压系统、传动系统、操纵系统、旋翼防除冰装置、发动机防砂装置、燃油系统、空速管加温系统、灭火系统告警系统、舱门系统、轮载、辅助动力装置、发动机电子控制器、分子筛供氧装置等工作状态的重要人机界面，同时也是机内外照明、防冰、环控、雨刷等系统控制中心。机电控制显示装置完好性对整机任务遂行具有较大影响。机电控制显示装置一旦出现故障，可能导致部分控制功能丧失，影响任务的有效完成。

本文对机电控制显示装置典型故障模式进行分析，其中主要可能影响任务完成的故障模式有：电源故障、背光故障、触摸失效、接口故障。下文将对典型故障进行分析，制定提高任务可靠性的措施。

1.1 电源故障

1.1.1 故障产生的影响

电源转换模块由滤波电路、电源选择电路、防反接电路、过压欠压保护电路、电压转换电路、BIT 电路等功能电路组成。电源转换模块是机电参数显示装置重要组成模块之一。电源转换模块故障主要表现为机电显示装置黑屏（有背光）或黑屏（无背光），黑屏故障一旦发生，飞行员将无法获取机上机电参数且无法进行人机交互。

1.1.2 优化分析

优化后的电源转换模块采用余度设计技术，产品内部设计采用2 套电源转换模块同时为产品内部其余模块进行供电，单套供电电路故障时另外一套供电电路也可正常工作，不影响产品功能、性能，电源转换模块双余度可以有效降低机电控制显示装置黑屏故障概率。提升机电控制显示器装置的任务可靠性和安全性。电源转换模块双余度信号流向图如图1 所示。

图1：电源转换模块信号流向图

1.1.3 采取的措施

采用两套独立的电源转换模块，单个模块故障不影响产品供电功能。

1.2 背光故障

1.2.1 故障产生的影响

背光故障主要原因为背光驱动电路故障和LED灯故障，主要表现为机电控制显示装置黑屏或者亮度下降。黑屏将导致飞行员无法判断机上部分系统的状态，且无法进行机上系统的控制。亮度下降会增加飞行员判读难度。

1.2.2 优化分析

理想化的背光余度需要建立两套LED 阵列，每一组阵列可以完全实现全部功能。受限于背光LED 灯板尺寸，无法将两套完整功能的LED 灯阵列放入背光LED 灯板上。为了保证LED 灯阵列的余度，将完整功能的LED 灯阵分成两组，并设计独立的背光控制电路。当其中一组白色LED 灯阵列不能正常工作，显示装置不会黑屏，显示亮度下降一半。背光故障主要机电控制显示装置黑屏或者亮度下降。背光分组余度可以有效降低机电控制显示装置黑屏故障概率。背光双余度信号流向图如图2 所示。

图2：背光控制信号流向图

1.2.3 采取的措施

主要措施如下：

（1）背光设计将完整功能的LED 灯阵分成两组LED阵列，并设计独立的控制电路。

（2）除液晶显示模块内部控制外，采用图形产生部分CPU 进行备份控制。

1.3 触摸失效

1.3.1 故障产生的影响

触摸失效故障主要表现为机电控制显示装置触摸功能全部或者部分失效。触摸全部失效将导致飞行员无法进行机上系统的控制。部分失效将可能导致飞行员无法进行机上部分系统的控制。

1.3.2 优化分析

目前机载的成熟应用为红外触控，红外设计整体布局于有效显示外围，属于光学触控，同时红外光线人员不可见，不影响显示区域的光学低反射设计，不影响液晶显示模块的本身的强光可视性能；红外触控为光学触控，不易收到电场、磁场的干扰，整体抗电磁干扰能力较强。红外触控需要进行光路的对准设计，对整个加工、装配的整体要求较高，高强度振动条件下可能会出现触控不灵敏情况（加固方式解决）；同时红外触控对触控的介质要求为不透光即可，通常不能识别灰尘、异物等产生的误触控操作，整个触控光路路径上需要保持清洁状态，防止出现误识别。红外光路整体为一一对应设计，目前单点触控性能优良，实现两点触控采用的斜扫描的方式，总体多点触控的精度偏低。红外触控采用的触控波段为红外波段，与夜视仪的响应波段有一定程度的重叠，目前已通过优选光谱、控制光路等手段减低红外辐射，仍难以达到完全消除的水平。

电容触摸控制人机交互良好，已广泛应用于地面装备，且克服电磁干扰等困难，逐步应用于机载产品。电容设计采用的感应电容原理，容易实现多点触控，触控的精度相对较高；设计原理依靠的是静电感应，需要携带静电的物体进行触控，可以有效规避灰尘等误触控。电容触摸屏不产生红外波段光线，整体夜视兼容性能优良。

单一红外触控存在的多点识别能力弱、强光干扰、夜视兼容等缺点，虽通过优化设计进行改善，降低风险，但并未彻底解决，为保证触摸可靠性，增加并独立设计电容触控。电容触控多点触控性能优良，但自身的抗电磁干扰能力不强。红外触控和电容触摸均有各自优缺点，将电容触摸和红外触摸采用集成式设计，可以有效降低触摸功能失效概率，红外触控和电容触摸功能互为备份，将两者优点集成，同时可提高触摸功能的可靠性。触摸控制信号流向图如图3 所示。

图3：触摸控制信号流向图

1.3.3 采取的措施

主要措施如下：

（1）开展软件功能复用设计；

（2）红外触摸和电容触摸功能相互备份。

1.4 接口故障

1.4.1 故障产生的影响

接口故障主要表现为机电控制显示装置RS422A、离散量输入、离散量输出功能失效。接口故障失效会引起机电控制显示装置无法与部分系统设备进行信息交互，或者导致飞行员无法对机上部分系统的控制及机电参数获取。

1.4.2 优化分析

接口电路用于本机与它机之间的信息交互与控制，两者的交互与控制在时间上不是连续的。因此，接口故障确认需要本机与它机配合完成，也造成了接口故障判定确认困难。接口电路的多余度设计多用在关键功能的控制输出接口，以保证关键功能的成功实现。

关键功能的接口电路在硬件设计上均增加1 路自检电路（通过光MOS 继电器实现）。发送端信号同时给到机电控制显示装置外部设备以及自检电路上，自检电路接收到的数据与实际发送的数据进行比对，用于判断自身工作是否正常。优点在于设备初始上电或开展维护时，断开与它机连接，本机完成激励和检测，确定接口电路工作状态。接口电路回环自检测功能全部由本机完成，可以有效隔离产品已发生的故障，避免将故障带入后续任务，从而提高机电控制显示装置的任务可靠性。原理框图如图4 所示。

图4：RS-422A 回环测试原理框图

离散量优化设计增加1路自检电路利用光MOS继电器，在上电时首先切断外部输入的离散量，接入FPGA 发出的自测试离散量，以此来实现输入离散量的自检测，判断自身工作是否正常。待自检测完成后，再接入外部输入的离散量，断开FPGA 发出的自测试离散量，电路恢复正常工作状态。输入/输出离散量自检原理框图如图5 所示。

图5：输入/输出离散量自检原理框图

1.4.3 采取的措施

主要措施如下：

（1）增加关键功能控制电路余度设计；

（2）接口电路回环自检测设计，有效剔除产品故障。

2 双机切换机制分析

机电控制显示装置除了采用背光电路余度备份、触摸功能备份、接口电路自回环测试等设计，还在飞机座舱内需实现前后舱的机电控制显示装置的互为备份设计用于提高显示装置的任务可靠性。此设计需要充分考虑率两台互为备份显示装置的信号接收方式和控制指令传递形式，并对前后舱的切换方式进行评估。

2.1 双控制显示装置主辅控制方式

由于互为备份的控制显示装置需同时连接至同一路控制链路上，因此控制驱动信号的有效性显得尤为重要，控制信号应在两台控制显示装置同时上电过程中不产生冲突，主要由以下设计保证：

（1）权限控制当前的独一控制，任意时刻只能有一台主机。处于主控状态的控制显示拥有绝对的驱动权限，备份控制显示装置在该状态下自动丢失控制权，控制信号不应输出；

（2）处于备份状态的控制显示装置的驱动控制链路应输出高阻态信号，避免输出电平的高低变化引起误操作，避免了双控制显示装置相互影响。

（3）通过两台控制显示装置之间的离散信号“本机有效”实现指示该控制显示装置是工作在主状态或从状态；

（4）根据安装位置确定双控制显示装置初始控制权。双控制显示装置同时上电时，如果指定位置控制显示装置正常工作，则自动作为主控显示装置；

（5）工作在主控状态下的控制显示装置完成所有工作任务；

（6）工作在从状态下的显示装置处于热备份状态，仅保持与系统和主机的数据通信。

2.2 双控制显示装置权限切换方式

为了保证双控制显示装置能够在单台故障的情况下可实现切换，保证机电控制功能的完成，可采用自动切换和手动切换等方法或者上述几种方法相结合的方式。

自动切换方式可采用心跳检测、互相传递的方式进行。两台控制显示装置周期自检，同时周期性向对方发送“心跳”脉冲信号，其中一台控制显示装置故障时，“心跳”信号异常，备份控制显示装置在接收到异常信号时，完成控制权的切换工作。

主要有以下方式：

（1）主控显示装置放权：从控显示装置通过总线实时向主控显示装置发送本机工作状态码；主控显示装置自检到自身严重故障，且故障级别高于从控显示装置时，主控显示装置输出的“本机有效”状态信号报故，从而主动交出控制权；

（2）从控显示装置请求主控：从控显示装置检测到总线在规定的时间内无通信，应向主控显示装置发送请求主控信息。在确认主控显示装置放弃控制权后，转为主控显示装置。

手动切换方式可结合上述两种方式使用，在座舱内设置手动切换按键，在其中一台控制显示装置故障时，认为切换至备份控制显示装置，手动切换方式应拥有最高控制权限。

2.3 双控制显示装置同一信号接收和驱动控制方式

为了确保控制信息的准确性，对输入信号和驱动输出信号应进行适当控制，主要措施如下：

（1）保证双控制显示装置同时接受参数信息，因此对传输路径和阻抗应严格要求；

（2）输入状态比对互传，在对参数进行处理后，应将处理信息实现双控制显示装置互传和比对，避免输入路径导致的误差引起控制输出的异常；

（3）保证输入信号准确性后输出驱动信号，主控显示装置信号有效。

2.4 双控制显示装置状态比对控制方式

双控制显示装置进行状态比对，有利于系统的健康管理。主要采取措施如下：

（1）采用双控制显示装置总线交联的方式，实现双控制显示装置状态实时互传；

（2）采用状态互比机制，要求双控制显示装置状态可比对，并对比对结果异常选型进行显示提示；

（3）采用权限约束的机制，保障双控制显示装置状态可根据约束进行权限交换，相互影响。

3 结语

本探讨了影响机电控制显示装置任务完成的典型故障模式，分析故障产生的原因，制定优化改进措施，主要通过余度设计技术，提高电源转换电路、背光电路和触摸电路的任务可靠性；通过回环自测技术，提高接口故障检测的准确性。此外，在机电系统方面，针对座舱两台控制显示装置进行交互提升系统任务可靠性的实际使用情况，对两装置之间的主辅控制方式、切换机制、同一信号接收和驱动控制方式及状态比对控制方式进行了分析论证，明确了具体操作措施，可用于后续产品开发，进一步提升系统交联之间的任务可靠性。后续将推进其工程化应用工作，以丰富机载座舱产品谱系，从而产生比较显著的经济和军事效益。