熊夢(mèng)飛，秦正運(yùn)，徐繼雄，沈軼燁

中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西景德鎮(zhèn)，333001

0 引言

從20世紀(jì)70、80年代開(kāi)始，計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)據(jù)總線(xiàn)技術(shù)開(kāi)始在飛機(jī)上使用，隨之出現(xiàn)了多功能顯示器。多功能顯示器使得飛行員得以更加直觀(guān)地獲取當(dāng)前飛行狀態(tài)相關(guān)的各項(xiàng)信息，是一種更加便利的人機(jī)交互方式。SCADE作為一種嵌入式軟件的開(kāi)發(fā)環(huán)境，它能夠適用于航空系統(tǒng)中座艙顯示軟件所要求的高安全性。在航空航天、交通等安全關(guān)鍵領(lǐng)域的軟件開(kāi)發(fā)中，SCADE通常被用于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)嵌入式自動(dòng)控制系統(tǒng)[1]。其中SCADE Display是SCADE產(chǎn)品系列中的一套靈活的面向高安全性圖形顯示的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)環(huán)境，基于該圖形軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)可以完成原型生成、設(shè)計(jì)仿真、驗(yàn)證和代碼生成等工作。本文探討了一種基于SCADE Display的座艙顯示軟件的人機(jī)交互方式的設(shè)計(jì)方法，結(jié)合座艙顯示軟件中的一個(gè)典型畫(huà)面模塊——燃油畫(huà)面顯示模塊，從需求分析、模型建立、仿真驗(yàn)證、代碼生成等方面探索了整個(gè)基本開(kāi)發(fā)流程和技術(shù)要點(diǎn)。

1 座艙顯示軟件及SCADE Display簡(jiǎn)介

機(jī)載座艙顯示軟件主要實(shí)現(xiàn)以下功能：導(dǎo)航、通信、飛行控制、雷達(dá)等子系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)信息的顯示；與飛行員交互并根據(jù)飛行員操作進(jìn)行畫(huà)面切換、數(shù)據(jù)收發(fā)、設(shè)備控制等行為；與其他航空電子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換等。軟件的應(yīng)用場(chǎng)景一般為多功能顯示器，通過(guò)周邊按鍵與飛行員進(jìn)行人機(jī)交互，或者通過(guò)觸摸屏進(jìn)行交互。

隨著機(jī)載航空電子技術(shù)的不斷發(fā)展，當(dāng)前機(jī)載系統(tǒng)的功能越來(lái)越復(fù)雜，同時(shí)越來(lái)越多的功能需要通過(guò)機(jī)載軟件實(shí)現(xiàn)，需要在座艙顯示軟件中顯示的參數(shù)信息也更加紛繁復(fù)雜，這使得機(jī)載座艙顯示軟件的復(fù)雜度和軟件規(guī)模都急劇增加。而根據(jù)不同型號(hào)的飛機(jī)的需求，座艙顯示軟件有著相似的功能。使用傳統(tǒng)的基于代碼的軟件開(kāi)發(fā)方法使得工作重復(fù)度高、效率低下。因此對(duì)于座艙顯示軟件來(lái)說(shuō)，基于模型的軟件開(kāi)發(fā)方法十分適用，相似的功能和結(jié)構(gòu)能夠極大地節(jié)約成本、縮短開(kāi)發(fā)周期。

本文的座艙顯示軟件的人機(jī)交互方式設(shè)計(jì)方法用到的是SCADE Display。它是一套靈活的面向高安全性圖形顯示的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)環(huán)境，包含針對(duì)多種安全標(biāo)準(zhǔn)的原型構(gòu)建、顯示設(shè)計(jì)、仿真、確認(rèn)和驗(yàn)證以及認(rèn)證代碼生成等功能。SCADE為高安全性應(yīng)用軟件和設(shè)備提供了從需求管理、模型設(shè)計(jì)、模擬仿真、認(rèn)證、有效代碼生成到與其他工具、平臺(tái)協(xié)作開(kāi)發(fā)獨(dú)一無(wú)二的集成設(shè)計(jì)環(huán)境[2]。

2 座艙顯示軟件燃油畫(huà)面功能模塊軟件開(kāi)發(fā)實(shí)踐

本文將座艙顯示系統(tǒng)中的燃油畫(huà)面顯示功能模塊作為實(shí)踐，使用SCADE Display進(jìn)行基于模型的軟件開(kāi)發(fā)工作，探索基于SCADE Display的座艙顯示軟件的人機(jī)交互方式設(shè)計(jì)方法。

2.1 燃油畫(huà)面功能模塊需求分析

對(duì)于座艙顯示軟件的燃油畫(huà)面顯示部分，經(jīng)過(guò)需求分析主要有以下功能需求。

（1）數(shù)據(jù)采集功能：接收各個(gè)子系統(tǒng)數(shù)據(jù)，根據(jù)各子系統(tǒng)相應(yīng)需求將相關(guān)參數(shù)顯示在多功能顯示器上。

（2）數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)監(jiān)控功能：處理接收的各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，將不同子系統(tǒng)來(lái)源的數(shù)據(jù)區(qū)分開(kāi)，并監(jiān)控收到的數(shù)據(jù)，記錄數(shù)據(jù)異常情況并顯示相關(guān)故障。本文所使用的燃油畫(huà)面數(shù)據(jù)異常顯示方法為：當(dāng)未收到相關(guān)數(shù)據(jù)時(shí)，原先顯示數(shù)據(jù)位置顯示為“--”；當(dāng)子系統(tǒng)不在線(xiàn)時(shí)，畫(huà)面上對(duì)應(yīng)子系統(tǒng)顯示位置繪制紅色交叉線(xiàn)。

（3）數(shù)據(jù)發(fā)送功能：發(fā)送數(shù)據(jù)給各個(gè)子系統(tǒng)，對(duì)收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行回復(fù)，并根據(jù)飛行員的操作發(fā)送相關(guān)按鍵事件信息和控制信息給各子系統(tǒng)，使各子系統(tǒng)能夠得知數(shù)據(jù)發(fā)送成功以及根據(jù)飛行員交互對(duì)子系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行操作。

2.2 模型建立

SCADE Display是一種基于模型的圖形界面設(shè)計(jì)工具，可自動(dòng)適配對(duì)應(yīng)版本的OpenGL標(biāo)準(zhǔn)，能夠?qū)⒐こ處煆臒┈嵰族e(cuò)的手寫(xiě)編碼方式中解脫出來(lái)，將軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程的工作重點(diǎn)從程序源碼提高到了模型[3]。使用SCADE Display建立模型能夠以“所見(jiàn)即所得”的方式精準(zhǔn)地設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面，便于工程師之間的交流和改進(jìn)。本文以座艙顯示軟件的燃油畫(huà)面中某圖符為例，探討模型建立的圖符繪制、圖符邏輯設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)傳遞等具體過(guò)程和細(xì)節(jié)。

2.2.1 圖符繪制

以圖1中的油量圖符為例，該圖形對(duì)象與同一畫(huà)面其他圖符位于同一個(gè)圖形設(shè)計(jì)文件的同一層上。使用環(huán)形圖元和線(xiàn)段圖元并填充顏色來(lái)繪制刻度帶和刻度線(xiàn)；使用扇形圖元繪制圖符背景；使用文本圖元顯示油量的文字標(biāo)識(shí)和實(shí)時(shí)數(shù)值；使用自定義多邊形圖元來(lái)控制指針的旋轉(zhuǎn)角度和位置。此外，可以通過(guò)修改或?qū)胭Y源表來(lái)管理工程中可用的顏色、線(xiàn)寬、線(xiàn)型、字體和紋理。

圖1 油量圖符

2.2.2 圖符邏輯

圖形對(duì)象在每個(gè)畫(huà)面描畫(huà)周期都會(huì)被擦除和重新繪制。在每個(gè)周期中，圖形對(duì)象中需要被移動(dòng)或變化的部分與變量相關(guān)聯(lián)，在SCADE Display里這些變量被稱(chēng)作plugs。這些變量被關(guān)聯(lián)到一個(gè)或多個(gè)屬性參數(shù)上，當(dāng)變量的值發(fā)生變化，屬性參數(shù)也會(huì)相應(yīng)更新。用plugs給圖符的控制參數(shù)賦值時(shí)，可使用四則運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、類(lèi)型轉(zhuǎn)換等簡(jiǎn)單的表達(dá)式。復(fù)雜的邏輯運(yùn)算可以在與SCADE Display對(duì)接的外部工程代碼中實(shí)現(xiàn)?？梢詫lugs作為外部工程的變量接口，傳輸經(jīng)過(guò)運(yùn)算的值到plugs中來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)圖符邏輯的控制。如圖2，在油量圖符中，使用變量Fuel經(jīng)過(guò)一定的邏輯運(yùn)算得出的終點(diǎn)角度End Angle，能夠控制刻度帶的邊界角度；使用變量Filled Color來(lái)控制填充顏色的變化。

圖2 油量圖符plugs 窗口

2.2.3 數(shù)據(jù)傳遞

如圖3，在數(shù)據(jù)字典的Scope一列中可設(shè)置變量的作用范圍：Input、Output、Local、Constant、Local Constant。通過(guò)設(shè)置變量的作用域來(lái)確定常量、局部變量、局部常量等。Representations表示變量關(guān)聯(lián)的圖形屬性，Memory屬性為true時(shí)表示記住上一次的值，當(dāng)前周期未收到數(shù)值時(shí)則使用上一個(gè)周期收到的數(shù)據(jù)值。

圖3 油量圖符數(shù)據(jù)字典

2.3 動(dòng)畫(huà)仿真

圖符繪制完成并設(shè)計(jì)邏輯后，可進(jìn)行動(dòng)畫(huà)仿真來(lái)模擬plugs變量。動(dòng)畫(huà)模擬中共有兩種場(chǎng)景：連續(xù)場(chǎng)景和離散場(chǎng)景。如int、float、double等類(lèi)型的變量的值可在一定區(qū)間內(nèi)連續(xù)變化，即連續(xù)場(chǎng)景；例如char、line width、color等類(lèi)型的變量就是離散場(chǎng)景。連續(xù)場(chǎng)景中可通過(guò)設(shè)置仿真步長(zhǎng)、最小值、最大值和輸入值變化規(guī)則來(lái)直觀(guān)地觀(guān)察因變量變化而產(chǎn)生的圖符變化。離散場(chǎng)景中可設(shè)置不同的離散值、持續(xù)步長(zhǎng)以及增加模式來(lái)進(jìn)行動(dòng)畫(huà)模擬。兩種場(chǎng)景都能進(jìn)行動(dòng)畫(huà)的激活和暫停操作來(lái)獲取當(dāng)前值和當(dāng)前圖符狀態(tài)。以油量圖符為例，動(dòng)畫(huà)模擬時(shí)油量數(shù)值設(shè)置為63.1時(shí)，圖符狀態(tài)和當(dāng)前動(dòng)畫(huà)仿真的Animation窗口如圖4、圖5所示。

圖4 動(dòng)畫(huà)仿真中的油量圖符

圖5 油量圖符Animation 窗口

2.4 代碼生成

生成代碼之前，可用SCADE Display設(shè)計(jì)檢查器檢查模型設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，檢查模型無(wú)誤后生成C代碼。SCADE Display仿真器和檢查器提供交互式仿真和自動(dòng)設(shè)計(jì)檢查功能，可以對(duì)建立的模型進(jìn)行仿真和檢查，規(guī)避一些語(yǔ)法和語(yǔ)義錯(cuò)誤。使用SCADE Display能夠?qū)υO(shè)計(jì)完畢的模型進(jìn)行簡(jiǎn)單的驗(yàn)證工作，包括定制規(guī)則的模型檢查、模擬仿真和橋接其他工具的聯(lián)合仿真。之后使用SCADE的代碼生成工具KCG，從工具級(jí)別保證自動(dòng)生成的工程代碼與模型設(shè)計(jì)的一致性要求，可以滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)與代碼實(shí)現(xiàn)的高度同步要求，能夠省略代碼的單元測(cè)試工作[4]。并且用KCG生成的代碼具有良好的可讀性和外部接口，在后期開(kāi)發(fā)時(shí)能夠與其他工程代碼更好地適配，例如使用VS2013開(kāi)發(fā)工具與SCADE聯(lián)合開(kāi)發(fā)。

3 控件復(fù)用

部分圖符之間有著相似的功能和顯示，使用SCADE Display能夠開(kāi)發(fā)可復(fù)用的控件。在繪制圖符時(shí)引用這些控件可減少軟件開(kāi)發(fā)重復(fù)性工作量，提升開(kāi)發(fā)效率。并且可視化的模型相比于傳統(tǒng)的代碼開(kāi)發(fā)，對(duì)于人機(jī)交互界面的控件有著更好的可復(fù)用性。

圖6中的燃油壓力圖符與圖1的油量圖符顯示和功能相似：兩個(gè)圖符都有刻度帶和刻度線(xiàn)，需要顯示符號(hào)的英文標(biāo)識(shí)和實(shí)時(shí)數(shù)值，并且都需要在某個(gè)特定區(qū)間內(nèi)指針?biāo)甘痉秶兩?。此時(shí)可開(kāi)發(fā)一個(gè)指針儀表控件，此控件可在數(shù)據(jù)字典留出變量接口用于引用控件的圖符，控制符號(hào)文字、刻度帶顏色區(qū)域、指針指示范圍、數(shù)值顯示邏輯等，如圖7所示。引用控件時(shí)，將控制變量賦值后傳遞給控件即可實(shí)現(xiàn)不同的圖符顯示功能。

圖6 燃油壓力圖符

圖7 復(fù)用控件的數(shù)據(jù)字典

4 結(jié)論

本文在座艙顯示軟件的燃油畫(huà)面顯示模塊中使用SCADE Display探索了人機(jī)交互方式的設(shè)計(jì)和軟件開(kāi)發(fā)流程。對(duì)燃油畫(huà)面顯示功能模塊進(jìn)行需求分析，使用SCADE Display建立模型、動(dòng)畫(huà)仿真、代碼生成。其中模型建立包括繪制圖符、設(shè)計(jì)邏輯、傳遞數(shù)據(jù)。通過(guò)以上工作實(shí)現(xiàn)了對(duì)燃油畫(huà)面顯示功能模塊的模型化設(shè)計(jì)，完成了該模塊的人機(jī)交互界面開(kāi)發(fā)。并且開(kāi)發(fā)了可復(fù)用的控件，通過(guò)復(fù)用控件來(lái)快速開(kāi)發(fā)具有相似結(jié)構(gòu)和功能的圖符和實(shí)現(xiàn)顯示控制邏輯，增強(qiáng)了模型的可復(fù)用性。相比于傳統(tǒng)的基于代碼的開(kāi)發(fā)方式，本文所探討的基于SCADE Display的座艙顯示軟件的人機(jī)交互方式設(shè)計(jì)方法開(kāi)發(fā)效率更高，時(shí)間和人力成本更低，并且模型可復(fù)用性強(qiáng)。使用該圖形化模型開(kāi)發(fā)方法能夠更直觀(guān)地設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面，便于界面的簡(jiǎn)化和維護(hù)。在未來(lái)的座艙顯示軟件的人機(jī)交互界面開(kāi)發(fā)中有廣闊的應(yīng)用前景。