嵌入式电子飞行仪表系统的软件结构与实现fmvr.docx
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1、 嵌入式电电子飞行行仪表系系统的软软件结构构与实现现北京航空空航天大大学电子子信息工工程学院院3902208118 徐徐广毅电子飞行行仪表系系统(EElecctroonicc Fllighht IInsttrummentt Syysteem) 以下下简称EEFISS为了实现现基于嵌嵌入式电电子飞行行仪表系系统的数数据综合合显示,我我们选取取了基于于Inttel StrronggARMM 11110的的JinngWeei开发发平台,进进行核心心部分包包括数据据接收,解解码,综综合计算算和综合合显示,以以及黑匣匣子部分分的数据据记录的的软件开开发。为为了缩短短开发时时间,降降低开发发难度,我我们在
2、操操作系统统的选取取上采用用了Miicroosofft公司司优秀的的嵌入式式操作系系统Wiindoows CE 3.00。开发发工具选选用了EEmbeeddeed VVisuual C,结结合JiingWWei的的SDKK与PllatfformmBuiildeer进行行整个硬硬件平台台上软件件部分的的设计和和开发。飞飞机上各各路传感感器的数数据经过过我们所所设计的的综合数数据采集集系统的的采集后后,通过过串口编编帧发送送,JiingWWei通通过串口口1接收收到数据据后进行行解码和和校验,将将正确的的数据后后通过系系列的计计算后,调调用绘图图函数以以图形方方式综合合显示在在彩色LLCD上上。另
3、外外,所接接受到的的数据还还会保存存在我们们所设计计的固定定格式的的二进制制文件中中,保存存在JiingWWei的的SDRRAM中中实现黑黑匣子部部分的数数据记录录,借助助我们所所开发的的基于XX86系系统的黑黑匣子回回放软件件,可以以分析回回放黑匣匣子的保保存数据据。 在软软件上,PPlattforrmBuuildder对对于专有有硬件平平台的操操作系统统的定制制和裁减减,Emmbedddedd Viisuaal CC+对对于系统统平台上上应用软软件的开开发均提提供了极极大的便便利,CCPU的的强大的的数据处处理能力力,彩色色LCDD显示屏屏的综合合图形显显示,也也为整个个以显示示为核心心的
4、系统统提供了了充分的的保证。 对于于EFIIS系统统的扩展展部分,诸诸如VFFR(虚虚拟飞行行法则)与与ILSS(仪表表着陆系系统)和和EFIIS系统统的结合合等,由由于时间间紧迫,任任务繁重重,都只只在理论论上和实实验中实实现,并并没有真真正加入入到系统统中。软件系统统方案论论证1 操作系统统方案一 核心心的操作作系统部部分选用用开放源源码的uuc LLinuux来实实现,我我们可以以直接修修改系统统的源码码,经过过裁减后后直接编编译出自自己的LLinuux内核核,接着着基于这这个系统统来设计计开发应应用程序序部分。这这样的工工作量无无疑是非非常大的的,对于于uc Linnux操操作系统统的
5、陌生生和整个个开发时时间的安安排以及及核心的的EFIIS部分分的工作作量使我我们在这这个平台台上的计计划止步步,Liinuxx下不是是十分便便利的开开发环境境也限制制了我们们的能力力。因此此,本设设计没有有采用这这个方案案。方案二 操作作系统选选用Miicroosofft WWinddowss CEE 3.0。Miccrossoftt Wiindoows CE 3.0 在众众多的嵌嵌入式操操作系统统的平台台中一直直比较优优秀。WWinddowss CEE是支持持多平台台的可定定制的嵌嵌入式操操作系统统,虽然在在图形界界面上和和Winndowws XX86家家族系列列长得很很像,让人们们误以为为
6、是Wiindoows X866平台的的移植产产品。但在实实际上,WWinddowssCE的代代码全部部是重新新设计并并编写的的。它同样样支持多多线程,完全抢抢先执行行和多任任务的操操作系统统。系统统在设计计上采用用完全的的模块化化结构,非常有有利于裁裁减和编编译。另另外,完完备的驱驱动程序序和便利利的开发发环境IIDE也也非常有有利于我我们在限限期内设设计开发发出我们们所制定定的较为为完整的的EFIIS系统统的目标标。图一 MMicrrosooft Winndowws CCE系统统配置及及基本组组织图使用PllatfformmBuiildeer 33.0结结合适用用于JiingWWei的的bs
7、pp包,外外加模块块的裁减减编译后后导出适适合开发发应用程程序的SSDK,使使用Emmbedddedd Viisuaal CC便便可以开开发编译译出在这这个平台台上运行行的软件件。将我我们所开开发的软软件和操操作系统统直接编编译成为为一个镜镜像文件件,通过过JTAAG口烧烧写进JJinggWeii的fllashhromm便实现现嵌入式式系统的的软件硬硬件化。2 开发环境境选择好了了操作系系统平台台之后,所所要做的的便是如如何选择择应用软软件的开开发环境境,摆在在我们面面前有两两个方案案:方案一 采用用Embbeddded Vissuall Baasicc。使用用Plaatfoormbbuill
8、derr可以输输出EVVB使用用的SDDK,EEVB的的开发环环境相对对直观简简洁,开开发难度度相对较较小,但但是编译译生成的的目标代代码过于于繁琐,编译效效率相对对较低,程序运运行速度度较慢。对于EFFIS实实时显示示各项数数据的要要求完成成的并不不是非常常好,在在熟悉过过Embbeddded Vissuall C之后后,我们们放弃了了这个方方案。方案二 应用用程序开开发使用用Embbeddded Vissuall C结合合SDKK使用AAPI函函数直接接编写WWIN332程序序的方式式进行编编码,这这点不仅仅大大提提高了编编译效率率,减小小了目标标程序的的大小, C同时也具备强大的开发底层
9、设备驱动的能力,程序执行速度更快,更加符合嵌入式系统实时性的高水平要求。当我们自行裁减Windows CE模块到处SDK后,很多的MFC类库所封装的函数将不会被包含在SDK中,因此我们放弃了MFC直接使用API编写。另外,使用API方式编码所编译出的代码会更加的精简。设计与论论证1系统统镜像档档的设计计EFISS系统中中对于图图形的要要求很高高,GDDI函数数支持这这部分必必不可少少。对于于黑匣子子功能的的实现在在JinngWeei平台台上是依依赖于可可靠的文文件系统统。对于于通讯部部分又是是整个系系统数据据传输的的主干。所所以综合合了以上上的模块块后,我我们在PPlattforrm BBui
10、llderr中选择择了MAAXALLL的最最小配置置,包含含了用户户图形接接口GUUI和文文件系统统。在基基于JiingWWei的的BSPP包上,选选取了CCom11,Diispllay和和Touuchppad的的驱动模模块,结结合我们们的应用用程序部部分作为为用户模模块,将将整个系系统编译译为了一一个单独独的镜像像档。我我们修改改了这个个系统的的文件结结构和程程序的分分布位置置,构造造出了应应用于这这个平台台固化代代码的应应用程序序。实现现了系统统复位或或者重新新加电后后能够迅迅速进入入EFIIS系统统的目的的,无需需任何人人工干涉涉。实现现了简单单的固化化和专有有。另外外,在不不断的试试验
11、中,我我们发现现导致JJinggWeii死机的的很大一一部分因因素便是是Expplorrer.exee,为了了突出图图形的显显示部分分,我们们在初始始注册表表中将这这部分去去掉没有有编译进进镜像。死死机状况况大大的的减少了了。最终终生成的的镜像文文档为NNK.bbin图2 NNK.bbin镜镜像组成成图2EFFIS系系统软件件框架设计计 系系统的主主干部分分为数据据的通讯讯和显示示。在飞飞行员的的反映时时间内要要比较好好的解决决实时数数据流的的通讯和和以一定定精度的的显示问问题。在在人眼可可察觉的的范围内内尽量做做到快速速的刷新新屏幕,保保持当前前显示数数据最新新,实现现实时准准确的形形象显示
12、示。 在系统统资源非非常有限限的状况况下,我我们要解决在保证数数据通讯讯的精度度和速度度的基础础上,尽尽量提高高显示刷刷新速度度这样一一个问题题。刷新新速度制约约了整个个系统的的数据的的采集频频率和显显示效果果:刷新新的速度度过于缓缓慢,不不仅在视视觉上产产生了明明显的停停滞感,而而且大大大的制约约了数据据显示的的实时性性。在显显示速度度和整个个系统的的通讯速速度之间间找到一一个比较较合适的的分割点点,是我我们在设设计EFFIS所所追求的的实际目标标,也是是整个系系统能否否使用的的关键所所在!在我们的的系统中中,包括括GPSS(Gllobaal PPosiitiooninng SSysttem
13、)卫星所提供的定位信息(包含友机在内)以及本机近19路飞行参数等在内的所有资料的综合显示必须将整个系统的综合报警系统完美的结合进来。作为飞行员,他们所关注的往往直接的视觉信息,所以使用综合的仪表显示始终要作为主导,因此在飞行员以飞行经验来判断当前飞行参数是否处在警戒范围并由此做出判断之前,我们的警报系统就必须对这些参数加以判断并将判断结果直接的在第一时间内显示出来。鉴于飞行任务的多样性,我们不能将整个警报系统的判断参数固化进程序,必须实现给飞行员的不同设定预留出统一的动态接口,使飞行员能够随时设置而不必重新编译系统。整个系统统的软件件功能模模块框图图如下:图3 EEFISS软件部部分功能能和作
14、业业框图EFISS系统的的软件功功能实现现框图方方案如上上图所示示,作为为中心部部分的图图形显示示始终占占据在主主导地位位,围绕绕着这点点,将所所有的功功能划分分为四大大模块:1.数据据通讯接接口。2.预警警规则和和图形警警报。3.实时时综合显显示模块块。4.黑匣匣子数据据采集记记录模块块。 作作为外部部数据源源和驱动动图形动动态显示示的通讯讯接口部部分,在在系统的的软硬件件衔接部部分中起起着关键键的桥接接作用。虽虽然数据据以比较较快的速速度27730 Bpss(共110帧数数据)的的速率实实现实时时的将飞飞行参数数传递进进中央处处理计算算机的功功能,但但图形的的刷新往往往只能能显示其其中的6
15、6帧到77帧,虽虽然飞行行员能够够忍受这这种速度度,勉强强能够满满足实时时显示的的要求,但但是这给给航空黑黑匣子的的数据记录录带来了了一点点点的麻烦烦,因为航航空事故故的整个个过程关关键部分分只有几几秒钟,所以将将飞行数数据以等等同于接接口通讯讯速率的的速度记记录下来来是作为为黑匣子子所必须须要实现现的。也就是是说我们们在图形形显示中中忽略掉掉的那部部分数据据在黑匣匣子中将将会完整整的保留留下来。数据通讯讯和接口口部分实实现了由由通讯接接口读入入编码数数据,将将数据译译码为我我们所规规定的有有效的通通讯格式式后,转转换成可可供计算算机程序序直接调调用的变变量值等等功能。作作为原始始的数据据格式
16、,我我们将读读入的数数据通过过程序直直接控制制为有效效格式后后,存储储入文件件中。将将帧格式式数据做做有效的的转换,存存储在全全局对象象中为其其它的模模块调用用实现了了飞行数数据显示示的通用用接口。一一旦成功功的实现现了软件件和硬件件通讯部部分,飞飞机的飞飞行参数数就已经经成功的的采集到到了计算算机,有有了这些些飞行资资料,便便有了实实现图形形显示的的最根本本的基础础。对于于数据通通讯的详详细介绍绍请参看看嵌入入式电子子飞行仪仪表系统统的通讯讯接口一一文。数据被被分为116种,包包含在GGPS定定位和群群体飞行行的导航航数据在在内的所所有有效效数据,在实时时显示的的同时,还要经过过警报模模块来
17、检测其其是否处处于危险险范围来来将不同同的警报报位置位位,在综综合显示示中不仅仅实现了了飞行参参数的综综合显示示实时更更新,另另外还要要将警报报位中不不同等级级不同内内容的警警报以一一种直观观的图形形形式显显示出来来,在第第一时间间内向飞行行员报警警。发动动机参数数在达到到最低警警戒范围围内的时时候就已已经极有有可能引引起一定定程度的的飞行故故障,但但其在前前几分钟钟内的参参数往往往呈现某某种走势势,因此此有必要要提供在在近几分分钟内的的发动机机参数趋趋势图。将将数据作作为队列列形式存存储后显显示出来来。由于经过过接口的的转换后后的数据据是符合合整形或或者浮点点的形式式的结构构,所以在在封装单
18、单帧数据据后, 在图图形模块块直接调调用数据据对象的的指针,便可以以将当前前的飞行行参数实实时的加加以显示示,警报系系统加以以实时的的判断。对于n分钟内内的采样样模块来来讲,也可以以通过这这点实现现数据的的队列存存储。整个系统统中的几几大关键键模块:数据通通讯模块块,数据据滤波模模块,警警报检测测模块,图图形显示示模块等等,彼此此之间都都是透明明的,每每种模块块通过消消息循环环处理函函数联系系在一起起。这就为为软件部部分的分分工合作作,调试试检错带带来了方方便。因因此,前期的的模块划划分和需需求分析析,对于于加快系系统的开开发速度度,减少错错误查找找的时间间和难度度等众多多方面起起着比较较明显
19、的的作用。整个应用用程序是是建立在在消息映映射和消消息传递递的基础础上的。各类不不同的系系统消息息我们可可以选择择不同的的处理方方式:可以忽忽略,或者编编写处理理函数进进行处理理。我们所所设计的的EFIIS系统统是建立立在对于于数据的的不断采采样,不断显显示的功功能之上上。因此,设置定定时器向向系统不不断的发发送定时时消息便便可以做做到每隔隔一段时时间做一一件事情情。这便是是不断刷刷新的原原理所在在。下图为为整个程程序运作作的原理理示意。图4程序序运行原原理示意意: 消息息的循环环与映像像对于处理理不同的的消息,我们使使用不同同的函数数,各类不不同的消消息的传传递中还还会包含含了WPPARAA
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- 嵌入式 电子 飞行 仪表 系统 软件 结构 实现 fmvr
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