1 引 言

当前，飞机作战任务的日趋复杂和机载电子设备数量的增加，座舱显示画面提供给飞行员的信息呈爆炸式增长，飞行员从传统的飞机驾驶员演变为飞机信息的“管理员”。这种“信息爆炸”必然使显示系统的显示装置数量增加，显示系统各功能单元互连通路、画面的组织生成以及显示处理方式，均面临严峻的挑战[1]。如何在优化机载显示系统体积、质量和功耗的前提下，设计出高效的座舱显示控制系统，解决信息猛增与信息显示空间有限的矛盾、大量信息处理和网络传输有限的矛盾、规范系统的任务和显示处理方式、提高人机信息的交互效率、减轻驾驶员的操纵负担和心理负担，是座舱显示系统高度综合化过程中急需解决的问题[2]。

2）经过试配确定本次试验混凝土最优配合比参数以及计算出每立方米水工混凝土配合比，成型基础混凝土与聚丙烯短纤维混凝土多组试件，进行力学性能试验，对数据分析。

对添加8%硼砂后液相渣中各相的含量进行分析，如图4所示。在900 ℃时，MgO的百分含量达到100%，在1 200 ℃时，CaO的百分含量达到100%，SiO2的含量在1 000 ℃后急剧上升，在1 100 ℃后达到90%以上。Al2O3的百分含量则一直持续上升。各相含量在1 100 ℃时趋于稳定。

国外的科研机构在解决上述问题时，一般采用的是增加座舱显示器的个数，以提高画面的显示数量，比较典型的F-22战机座舱显示系统采用的是“一平六下”显示结构，各个显示器均集成了信息处理、图形发生以及视频混合等多种功能和多种显示格式，各种显示格式也可以按优先级顺序互换，以达到显示器之间资源共享、互为余度的目的，体现了综合化、智能化的研制特点。随着综合化模块化航空电子系统向着更广、更深方向发展，面向分布式综合化模块化航空电子的座舱显示子系统在其发展过程中也逐渐体现出高度综合化的特点，代表产品F-35战机座舱显示控制系统，不仅继承和发展了F-22的优点，还首次采用了高集成度的一体化大屏幕显示器，支持触摸、光标和语音控制，能够在不同的飞行时段和飞行任务为飞行员提供最需要的信息，使得飞行员无需从多个信息源综合信息判断当前态势，大大降低了飞行员的负担[3]。

同航空发达国家相比，我国在座舱大屏幕显示方面的研究相对滞后，特别是在全景座舱显示、三维立体显示等方面急需加大研究开发投入，突破关键技术，优化系统设计，进一步提高显示系统的集成化、综合化、智能化程度，缩小与国外发达国家在机载座舱大屏幕显示技术领域的差距[4]。

战斗机在执行飞行任务时姿态变化频繁，环境光也随机身姿态变化而改变，IMFD红外触控组件具有相应的检测电路，能够定时检测因环境光强变化而造成的接收管响应电压值的变化量，自动优化红外发射接收管组合控制方式，在扫描控制中严格按照时序控制红外发射管、红外接收管和信号采集同步工作，从而提高触摸反馈的可靠性和精度。

2 IMFD体系架构及工作原理

高度集成的IMFD体系结构如图1所示，包含所有与显示相关的功能部件，在物理上降低了设备的数量和体积，涵盖多功能显示器(触摸输入、图像显示)、显示控制计算机(图像处理、图形生成、显示控制)、任务处理计算机(任务管理及解算)的全部功能。支持高性能任务处理、强实时高带宽网络通信、低功耗高分辨率显示处理和高效率的人机交互。

图1 IMFD体系架构示意图 Fig.1System architecture of IMFD

IMFD的主要功能包括任务处理、网络通信、图像生成、数字地图处理、视频处理、图像显示、红外触控、测试维护等几大部分。通过对系统功能之间的耦合度分析，任务处理、网络通信、测试维护等功能之间联系紧密，可合并为任务处理单元；图像生成、数字地图处理可合并为图像处理单元；图像显示、红外触控可合并为人机接口单元。这样，IMFD上述各主要功能单元又可以被重新规约为任务处理、图像处理、视频处理、人机接口等单元。各功能单元通过高速总线相互通信、协调工作，共同完成任务数据、图形数据、地图数据、视频数据的解算以及各种操作指令的实时响应。各功能单元之间架构与协作关系如图2所示。从数据流角度来看，IMFD的工作原理可分解为以下几个方面：

(1)任务处理单元通过FC-AE-ASM网络接收外部综合核心处理系统的航电任务数据，经数据解析、融合计算等处理，提取飞行以及任务数据，组织信息和画面显示、建立画面逻辑，生成设计定义文件(Definition File，DF)，通过符合ARINC661标准的协议接口与图像处理单元通信。

教育信息化的新时代，对高校教师将信息技术运用于教学的能力提出了新要求，TPACK作为一项重要的衡量指标需更多研究者加入到研究队伍。本文主要运用共词分析法，总结出当前我国高校教师TPACK研究的三大主题，并总结了当前主题研究存在的困境，最后给出参考建议，以期助力我国高校教师TPACK的发展，提升教学质量。

IMFD采用一体化设计，内部集成了12个功能模块和1个大尺寸显示组件，为了提高环境适应性和人机功效，必须在外部机箱及内部模块的结构设计上进行体积、重量、热设计、抗振等系统性的优化设计，确保各功能模块能够在恶劣环境下正常工作。

(3)在任务处理单元的控制下，视频处理单元完成图像增强、视频叠加、窗口移动、窗口缩放等视频处理功能，将主飞行画面、3D数字地图画面和外视频输入进行叠加处理，将合成后的图像输出至显示组件。

为了提高IMFD图形绘制效率，还采用了高性能的图形绘制引擎APU，主处理性能高达3.3 GHz，支持2 560 pixel×1 600 pixel分辨率图形加速绘制。通过“DSP+FPGA”架构实现的专用视频处理部件，具有多路视频处理与叠加、缩放显示以及常规图像处理功能，能够实现高清、高分辨率的画面显示，并采用带宽高达10 Gbit/s的新一代可远距离传输的视频传输开放标准协议Display Port(DP)传输高质量视频信号。

为解决座舱显示系统信息猛增与信息显示空间有限的矛盾，提高人机信息的交换效率，IMFD设计为左右两个显示部分，均由2个任务处理模块(MPM)、1个图形图像处理模块(GPM)、1个视频处理模块(VPM)、1个电源模块(PSM)和1个FC-AE-ASM子卡组成，既可独立显示战术信息、状态数据、提示与告警等信息，又互为备份，增强了系统的可靠性。

图2 IMFD系统架构示意图 Fig.2 System architecture of IMFD

3 IMFD关键技术及实现

3.1 高性能数据处理、实时网络通信和访问控制

IMFD向飞行员提供起飞、导航、搜索、跟踪、着陆、武器投放等过程的关键信息和交联设备自检状态报告，需要具备实时更新、显示交联设备传输的各种状态信息，采用传统联合式航电网络或低速总线实现IMFD与航电设备之间、IMFD内部各功能单元之间的互连访问控制，均难以满足IMFD对大量融合数据(例如高达600 MByte/s的图像数据)实时显示处理和传输的需要。IMFD显示屏分辨率将达到3 200 pixel×1 200 pixel@60 Hz，没有高性能的图形引擎，也无法实现高品质图形的产生、处理与显示，必须采用异于传统架构的新型高速网络通信和访问控制技术，以加速图形处理和视频传输，适应一体化显示系统的需要。

IMFD的软件架构如图8所示，在MPM模块中，采用“应用软件+操作系统+驱动软件”的实现模式，操作系统选用的是具有自主知识产权的嵌入式天脉操作系统，主要完成与航电设备(如综合核心处理机)的通信管理，处理具体的显示任务。GPM模块主要调用基本图形和3D图形绘制引擎，完成飞行指引、载机状态、导航数据等二维画面的生成，能够对地图数据和导航数据进行综合处理生成三维数字地图，并在地图背景上生成飞机的实时位置、航线图和导航参数等信息。VPM模块的可编程逻辑主要实现的是视频加速、叠加和缩放处理。DSP软件主要完成系统的控制、任务调度以及图像处理算法的软实现[10]。

图3 IMFD高速传输网络架构 Fig.3 High-speed transmission network architecture of IMFD

(4)飞行员直接触摸液晶屏输入控制命令，红外触控单元识别出控制命令后生成指令编码，发给任务处理单元；任务处理单元根据指令编码和当前工作场景重新组织画面，生成DF文件发送给图像处理单元，同时生成视频处理指令发送给视频处理单元。

3.2 基于红外触摸的人机交互控制

相对于传统的小屏幕显示器，IMFD的显示面积和信息量均成倍增加，传统的周边物理按键的控制方式难以满足飞行员操作使用的需求。IMFD采用红外触摸控制技术实现人机交互控制，具有抗干扰、抗污染、可佩戴手套操作、维护成本低、适宜恶劣环境等优点[7]。

如图4所示，IMFD红外触摸控制包括红外发射接收装置、预处理电路和数据采集处理电路三部分。在一体化显示屏四周安装数对红外发射管和红外接收管，通过显示屏内红外触控组件控制红外发射管分别在横、竖两个方向上不断扫描，发出的红外光线形成栅格状矩阵，同时红外触控组件控制相对的红外接收管不断探测。当飞行员触摸大屏幕显示器某一位置时，红外触摸采集电路检测到横向和纵向的红外光线被阻隔，在数据处理电路的FPGA中，根据单点或多点扫描算法，识别触摸方式并计算出触摸坐标，通过高速串行接口传递给IMFD的任务处理单元。任务处理单元接收触控信息，将响应指令传递给图形图像处理单元，完成相应画面重组，最终完成飞行员触摸控制的完整响应。

图4 IMFD红外触控原理 Fig.4 Infrared touch system principle of IMFD

本文根据下一代战斗机座舱显示对于“集成化、综合化、智能化”的新需求，采用多功能显示器、显示控制计算机、任务处理计算机一体化设计思想，论述了一种大屏幕显示的智能化多功能显示器(Intelligent Multi-function Display，IMFD)的实现方案，探索了多架构平台下信息显示、处理和传输的实现方法。

3.3 基于ARINC661标准的显示设计

传统的座舱显示系统采用的是“软硬结合设计以适应需求”的开发模式，软件与硬件之间并没有明确的界限和标准的接口定义规范，通常利用软件功能去弥补硬件的缺点，座舱人机接口模糊杂乱。随着座舱显示系统复杂程度和开放性要求的不断提高，开发成本、集成成本和维护成本越来越高，必须采用规范的开发模式解决这些问题。IMFD采用的是ARINC661数字航空仪表设计标准，严格定义了飞机驾驶员座舱显示系统与用户应用程序之间的通信和设计要求[8]。在开发阶段，软件人员仅需根据飞行员操作手册或POP，定义标准的显示画面UA(User Applications)，硬件人员仅专注于设计符合接口标准的CDS即可，通过软硬接口的定义文件DF，在图形处理单元组织并生成画面，两者之间的关系如图5所示。采用该标准设计，能够大幅缩短IMFD的开发周期，节约开发成本，具有十分重要的意义[9]。

图5 基于ARINC661的座舱显示系统结构图[9] Fig.5 The cockpit display system structure based on ARINC661[9]

在IMFD中，一个符合ARINC661标准的响应红外触屏操作指令的设计流程是：图形处理单元中的CDS核心库负责实现座舱显示画面的生成，通过PCIe总线接收由飞行员触屏操作产生、任务处理单元解算形成的UA指令，并通过定义文件DF，为CDS提供响应源数据和用户交互操作的逻辑处理，生成响应画面，最终传递给显示组件，完成画面显示。IMFD上电工作时，CDS加载并解析DF文件，之后通过UA完成显示画面的逻辑处理和画面信息的实时更新工作。任务处理单元只组织生成UA指令，而图形图像处理单元仅负责事先约定的画面如何生成，相互间均遵循符合ARINC661的DF定义文件，软硬件界面划分清晰，有效提高了指令响应速度和画面生成质量。

3.4 IMFD结构及工程化优化设计

(2)图像处理单元(图像生成部分)接收并解析DF文件，实时调用符合ARINC661接口标准的座舱显示系统(Cockpit Display System，CDS)核心图形库，生成主飞行画面、武器系统及态势信息等图像，输出至视频处理单元；图像处理单元的数字地图处理部分实时接收任务处理单元发来的飞机经纬度、高度、空速等参数，从存储介质中读取相应的地图数据，生成3D数字地图并通过DVI输出至视频处理单元。

在系统级设计方面，将IMFD设计为前框、液晶显示组件、中框、各功能模块以及后框，组成架构如图6所示。机箱主要由强度高、重量轻的铝合金材料加工，采用螺接方式，除进、出风口外机箱为全封闭结构。采用了一体化背板设计，将全部功能模块通过XMC标准插座集成一体。为了减少对外交联接口的复杂性，降低IMFD连接器占用的空间，背板上仅使用了一个符合ARINC600标准的S6系列连接器，集成了普通低频、电源、高速差分、高频、光接触件混装，有效实现了IMFD的视频、光纤、模拟、离散和高速差分信号集成化传输。

图6 机箱结构三维图 Fig.6 Three-dimensional map about chassis structure of IMFD

在机箱结构设计方面，采用流体传热仿真分析软件FloEFD对机体内的各个流道组件进行分析优化，对各功能模块进行了合理布局，在关键发热点处进行了结构优化，并对高功耗组件在结构上增加和优化散热翅片，优化后的热流场仿真结果如图7所示。IMFD设计了符合具体需求的散热通道，并在显示器下方增加风机设计，使流经发热元器件的风量与元器件功耗匹配，解决高集成度状况下各功能模块的散热问题。将风机置于机架上，使显示器与机架分离的设计方法，便于人员操作和维护，也在一定程度上减少了显示器部分体积与重量。

图7 机箱热流场仿真结果 Fig.7 Heat flow simulation results of chassis structure

在内部模块结构设计方面，各功能模块采用标准化、模块化、小型化设计。任务处理单元，外形采用的是COM Expresscore标准，尺寸仅为64 mm×84 mm；图形处理单元，外形采用的是COM Extended标准，尺寸仅为95 mm×95 mm；FC子卡外形仅为128 mm×75 mm。小型化设计能够缩小各功能单元所占体积，为IMFD散热提供更多的空间和散热通道，也能减小整机的尺寸和重量。

Y^=-330.882+0.013X1+0.016X2+8.46X3 t=(-1.54)(1.88)(2.06)(0.16) R2=0.857 0，修正R2=0.841 1，F=53.94

3.5 IMFD软件设计

IMFD采用的是多架构的平台实现方式，例如MPM模块的PowerPC+FPGA架构、GPM模块的高性能X86架构、VPM模块的DSP+FPGA架构，对应的软件架构也有较大的差异，各型软件通过硬件平台的网络互连，共同完成任务调度、图形图像生成和显示的功能。

课后交流，同事总结说：“杨老师，你的这堂课，有朗读、静思、讨论、争鸣、共识、多元评价，充满学科特点、人文元素且智慧启迪。你说的话少，却又画龙点睛。满堂课没有花样，却有氛围。让人感觉意犹未尽，听了还想听。”

IMFD高速访问控制的实现方法如图3所示，采用“PowerPC+FPGA”架构实现任务处理单元的访问控制，通过高性能处理器集成的SERDES接口，设计基于包交换、交叉开关互连技术的RapidIO高速串行总线网络[5]，实现了任务处理单元之间的高速互连、互为备份的功能;通过PCIe高速串行总线与前端的FC子卡交联，FC子卡则采用高性能FPGA芯片，利用协处理器与逻辑结合的方式，实现了FC-AE-ASM协议和基于逻辑桥交换的PCIe协议[6]；搭建新一代航电系统主干网络FC-AE-ASM和PCIe网络的Gbit/s级高速访问通路，实时获取航电设备数据，解决各功能单元之间尤其是高频率处理器与其他接口之间的访问瓶颈问题，以提高系统的数据吞吐性能。

图8 IMFD软件系统架构图 Fig.8 Software system architecture of IMFD

4 测试与验证

通过对比分析和测试验证，该样机在以下功能、性能方面具有显著优势：

李闺女又呸了一口：李六如，真是越来越不知道羞耻了。原先拆迁时，你想当个先进也就算了。如今，又勾结佟金鑫占了那点口粮田。你说，老少爷们今后怎么活？

图9 IMFD原理样机 Fig.9 Principle prototype of IMFD

对IMFD关键技术和原理样机进行了设计与实现，原理样机外形如图9所示。

将贵铅样品加工成最大边长不超过3mm的样屑，用0.45mm标准筛过筛，样品分为筛上、筛下两部分，分别称量筛上和筛下部分的质量，然后根据筛上和筛下部分的质量计算得到筛上和筛下部分各占样品总量的比例[11]。注意：为保证样品的颗粒大小和均匀性，样品在制备时应得到充分破碎和混匀，同时应防止过热氧化。

(1)对外支持FC网络通信，内部采用RapidIO和PCIe总线互连，能够高速接收和实时处理、解算核心处理机发来的显示任务，并能够正确处理和显示二维/三维数字地图。

现阶段，我们对于学生的知识情感教育还是要依靠课堂教学来完成。正因为如此，小学语文教师还是要注意在课堂教学的过程中注重对学生情感方面的培育，通过创设相宜的情境来使得课堂教学更具情景性，注意诱导学生的合理强烈的情感，为深入理解文本奠定坚实的基础。

(2)支持XVGA、PAL、DVI等外视频处理，并能通过DP高速传输视频信号，高分辨率、高质量完成视频显示。

(3)在软硬件接口设计上，遵循ARINC661标准，能够完成基于红外触摸的人机交互控制。

(4)采用嵌入式实时操作系统，合理调度处理任务和显示资源，实现了视频的叠加、缩放、图像增强等处理，优化了PAL视频显示。

(5)采用一体化、低功耗设计，满足机载抗恶劣环境的要求。

(6)相对于传统显示器，在硬件层面，IMFD增加了任务处理单元和红外触摸组件；在软件层面，增加了嵌入式实时操作系统，支持多任务的调度及图形图像的处理与显示；在应用层面，具备了红外触摸式人机交互功能，提高了座舱显示器的智能化水平。传统飞行显示器与IMFD对比情况如表1所示。

表1 功能性能对比表 Tab.1 Functional performance comparison between traditional display and IMFD

项目传统显示器IMFD备注架构仅完成显示功能，或带有少量的显示控制任务处理+显示控制+显示器一体化设计，采用嵌入式实时操作系统，符合ARINC661接口标准人机交互接口周边物理按键红外触摸对外接口XVGA、PAL、DVI一种或多种，RS422/232、ARINC429或MILSTD1553B系统交联多通道XVGA、PAL、DVI输入，FC-AE-ASM网络系统交联任务处理能力不支持支持多任务实时处理图形图像处理能力二维，少量三维处理二维、三维处理数据传输能力MByte/s级数据传输GByte/s级数据传输内、外部传输对角线长度/mm254、152．4(常规)609．6分辨率/pixel1024×768(常规)3200×1200体积/mm3280×202×250667×306×125质量/kg21(总和)11功耗/W180(总和)100常温常压

5 结束语

本文探讨了新一代IMFD在原理架构、组成和软硬件实现方面的一些关键技术，论述了IMFD的系统架构和软硬件设计实现方法，设计实现了一种高度集成化、模块化、一体化的IMFD原理样机，完成了IMFD基于FC-AE-ASM网络传输和嵌入式实时操作系统的任务调度处理、视频叠加及缩放显示处理和红外触摸等功能验证。该样机关键技术和整体性能相对于传统飞行显示器具有显著提升，是座舱显示器综合化、智能化发展的有力探索。该原理样机在大屏幕显示器环境适应性、可靠性和显示信息人机工效等工程化应用方面需要进一步优化处理，这也是后续工作的重点。

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