基于IDATA及天脈1操作系統(tǒng)的座艙顯示技術(shù)研究

鄭悅 黃子碩 陳康 張孟

摘要：座艙顯示系統(tǒng)受限于國外操作系統(tǒng)的限制，已不能滿足當(dāng)前國內(nèi)航空機載設(shè)備的發(fā)展要求。本文提供了一種基于IDATA人機界面開發(fā)工具及國產(chǎn)天脈1操作系統(tǒng)嵌入式開發(fā)平臺的簡單、通用、標(biāo)準(zhǔn)、自主可控的座艙圖形顯示軟件開發(fā)方式，重點介紹了該方法的開發(fā)流程及解決的問題，并運用該方法開發(fā)了飛行顯示器顯示畫面。結(jié)果顯示，該方法開發(fā)的座艙圖形畫面顯示清晰、流暢，性能穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：座艙顯示;IDATA;天脈1操作系統(tǒng);自主可控;人機交互

中圖分類號：TN873 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）03-0121-02

0 引言

隨著航空技術(shù)的發(fā)展，座艙圖形顯示軟件的開發(fā)周期短，平臺也多樣化，傳統(tǒng)的開發(fā)方式靈活性差，對不同平臺的移植性及繼承性差，這就急需一種簡單、通用、標(biāo)準(zhǔn)、移植性好的座艙圖形顯示軟件開發(fā)方式。此外，當(dāng)前國內(nèi)外的座艙圖形顯示開發(fā)大多基于Vxworks嵌入式操作系統(tǒng)[1]，VxWorks以其良好的可靠性和卓越的實時性在國內(nèi)被廣泛應(yīng)用，但是由于VxWords操作系統(tǒng)沒有提供完備的漢字顯示解決方案，在中文顯示方面需要借助于各種工具和方法實現(xiàn)，增加了開發(fā)難度，延長了運行時間，當(dāng)前國際關(guān)系的復(fù)雜化和不確定性使得沿用VxWorks操作系統(tǒng)開發(fā)具有一定的風(fēng)險，難以實現(xiàn)座艙顯示研發(fā)過程真正自主可控的目標(biāo)。鑒于上述幾點，本文引入了一種基于IDATA人機界面開發(fā)工具及天脈1操作系統(tǒng)的座艙圖形顯示軟件開發(fā)方式，可以實現(xiàn)當(dāng)前國內(nèi)座艙顯示開發(fā)所需的簡單、通用、標(biāo)準(zhǔn)、移植性好和自主可控。

1 天脈1操作系統(tǒng)

1.1 天脈1操作系統(tǒng)簡介

天脈1操作系統(tǒng)是中航工業(yè)六三一所牽頭研發(fā)的一款面向機載嵌入式設(shè)備的實時操作系統(tǒng)，為國內(nèi)自主研發(fā)[2]，為程序員提供高效的實時多任務(wù)調(diào)度、中斷/異常管理以及實時的任務(wù)間通信等功能。

天脈1操作系統(tǒng)作為一個針對航空應(yīng)用需求設(shè)計的操作系統(tǒng)，具有內(nèi)核小、可剪裁、穩(wěn)定性高等特點[3]，能夠完全滿足機載環(huán)境所提出的高可靠、強實時、高安全、可升級性等特殊要求。借助于與之配套的集成開發(fā)環(huán)境LambdaAE，用戶可以快速完成嵌入式應(yīng)用的開發(fā)、調(diào)試和部署。

針對航空電子系統(tǒng)的應(yīng)用需求，該產(chǎn)品還提供VxWorks兼容包、OpenGL圖形支持等諸多功能組件。

1.2 天脈1操作系統(tǒng)特點

強實時性：內(nèi)核可搶占、中斷可嵌套、優(yōu)先級搶占、防止優(yōu)先級反轉(zhuǎn)、中斷響應(yīng)快速;

可剪裁、可配置：面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法、功能組件可剪裁、系統(tǒng)功能可配置;

適用性：支持三代機使用處理器，支持常用功能組件，支持系統(tǒng)級調(diào)試;

升級性：模塊化、層次化結(jié)構(gòu);接口符合標(biāo)準(zhǔn);

可靠性：提供錯誤接管機制，基于MMU存儲保護;

兼容性：支持C/C++語音，提供符合POSIX接口的運行時庫，提供VxWorks兼容包。

2 座艙圖形顯示軟件開發(fā)流程

座艙圖形顯示軟件的開發(fā)流程為：首先依據(jù)顯示需求及功能文檔基于IDATA人機界面交互軟件生成所需的顯示畫面模型，其次通過代碼生成器將顯示畫面模型生成符合OpenGL ES標(biāo)準(zhǔn)的代碼，在將上述代碼集成到與天脈1操作系統(tǒng)配套的集成開發(fā)環(huán)境LambdaAE中調(diào)試成功后運行生成目標(biāo)代碼，最后將目標(biāo)代碼加載到具備天脈1操作系統(tǒng)的產(chǎn)品中。開發(fā)流程如圖1所示。

2.1 遮擋問題

OpenGL ES中的實現(xiàn)遮擋有兩種實現(xiàn)方式，模板遮擋方式及深度調(diào)節(jié)實現(xiàn)遮擋方式。IDATA工具有模板遮擋的功能，通過設(shè)置模板緩沖區(qū)的方式實現(xiàn)遮擋。模板遮擋的關(guān)鍵技術(shù)在于遮擋畫面在樹狀結(jié)構(gòu)中的先后順序，處于樹狀結(jié)構(gòu)下層的遮擋模板會覆蓋上層的遮擋模板[4]。模板遮擋應(yīng)用時，需對模板屬性進行設(shè)置，即通過Visibility窗口下的Stencil屬性對模板區(qū)域內(nèi)及區(qū)域外顯示的問題進行設(shè)置。深度遮擋方式即通過將繪制遮擋外框及遮擋內(nèi)框，繪圖區(qū)域分別放置于三個深度畫面層，最外層為遮擋外框，通過將外框上的內(nèi)框區(qū)域的深度設(shè)置為最底層，將畫面繪制于內(nèi)層和外層中間，啟動深度測試后，外層畫面顯示，則在內(nèi)框區(qū)域內(nèi)顯示繪制畫面，其余部分被外框所覆蓋，類似于在外框上通過一個視窗看圖形畫面，遮擋原理如圖2所示。

2.2 中文顯示問題

目前，在IDATA中無法直接實現(xiàn)中文的顯示，本研究方法在LambdaAE開發(fā)環(huán)境中進行中文的設(shè)置，并將字庫文件依托于目標(biāo)機的文件系統(tǒng)，通過IDE的目標(biāo)連接進行。顯示所需中文字庫可使用Windows系統(tǒng)中現(xiàn)成的默認字庫文件，無需額外創(chuàng)建中文字庫文件，節(jié)約資源和時間成本。

先要在LambdaAE的遠程系統(tǒng)中新建目標(biāo)機連接，配置與目標(biāo)機體系結(jié)構(gòu)并設(shè)置好IP地址，配置好后上電啟動就可以連接至目標(biāo)機。

以拷貝軟件字庫文為例，如果向?qū)⒖截惖紽LASH文件系統(tǒng)中，首先從PC端“C：＼Windows＼Fonts＼”路徑下找到后綴為.ttf的文件，右鍵選擇復(fù)制然后直接粘貼到“目標(biāo)機→文件系統(tǒng)→驅(qū)動器→C：＼”下即可。而在IDATA繪制中文字符時，采用英文字符，目的在于設(shè)置中文字符的位置并生成相應(yīng)代碼。如果板卡上的應(yīng)用程序需要訪問FLASH文件系統(tǒng)上的文件系統(tǒng)上的字庫文件，可采用字庫文件標(biāo)準(zhǔn)I/O操作，類似fopen（“c：/***.ttf”，“rb”）。

此種方式可解決實際工程中中文顯示的問題，并且字庫文件為PC端自帶的文件系統(tǒng)，不需要重復(fù)制作所需字庫文件，易于操作，適用性強。

3 應(yīng)用結(jié)果

應(yīng)用本研究方法在實際的產(chǎn)品上做了應(yīng)用驗證，硬件方面，采用飛思卡爾P1013為控制CPU、景嘉微電子JM5400為圖形處理器，運行1天脈操作系統(tǒng)。

軟件方面首先基于IDATA完成所需畫面的繪制工作，然后在集成開發(fā)環(huán)境LambdaAE中完善軟件并生成目標(biāo)代碼，最后將目標(biāo)代碼加載到本產(chǎn)品中，具體的仿真結(jié)果圖如圖3所示。

應(yīng)用結(jié)果顯示，產(chǎn)品顯示畫面中線條、圖形、圖片、字符顯示無走樣，無色差，且產(chǎn)品可正確天地球、速度帶、高度帶等畫面邏輯信息，畫面整體顯示流暢，刷新及時。

4 結(jié)語

本文提供了一種通過IDATA人機界面開發(fā)工具及天脈1操作系統(tǒng)嵌入式開發(fā)平臺的座艙圖形顯示軟件開發(fā)方式，對開發(fā)過程及關(guān)鍵技術(shù)進行了研究，并針對具體型號產(chǎn)品進行了仿真。結(jié)果表明，該方法靈活性、繼承性、移植性好、并具有跨平臺的優(yōu)勢、簡單通用、開發(fā)周期短，對人員要求相對較低，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的編程開發(fā)方式，更適用于未來產(chǎn)品畫面復(fù)雜程度增加、顯示信息量增大的座艙圖形顯示軟件開發(fā)。

此外，本文提供的方法可打破國外對同類產(chǎn)品的操作系統(tǒng)技術(shù)封鎖，提升了航空武器裝備的自主保障能力，為國防武器裝備的信息安全提供了有力保證，為基礎(chǔ)軟件的自主發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻

[1] 胡靖宇.基于IData和VxWorks的飛機座艙顯示系統(tǒng)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2014.

[2] 李向東，徐寧，郝玉鍇，等.基于國產(chǎn)天脈1型操作系統(tǒng)的嵌入式軟件開發(fā)配置[J].信息通信，2016（12）：162-164.

[3] 梅濤，王宏偉，麥先根.天脈1下龍芯1B網(wǎng)卡驅(qū)動設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子科技，2016（10）：60-63.

[4] 趙雙雙，孫旭東.基于IData的先進座艙多功能顯示器的仿真研究[J].飛機設(shè)計，2011（03）：57-59+72.

Abstract：Currently， the development of domestic airborne equipment are limited by foreign operating system， because of the little selectivity for operating system. This paper proposes a method of software development based on IDATA and ACoreOS1， which is simple， general， standard and self-controlled. The paper introduces the development process and some key problems， and applies the method to develop the cockpit display system for a flight multi-function display. Test results show that the application of the research above on cockpit display delivers detailed visuals while keeping the framerate smooth and stable.

Key words：cockpit display; IDATA; ACoreOS1; self control; human-computer interaction