吳文柯

摘 要：通過分析和設計整個娛樂系統(tǒng)不同功能區(qū)域的硬件、軟件，提出了一種整艙機載娛樂系統(tǒng)設計方案，摒棄了傳統(tǒng)機載娛樂系統(tǒng)射頻模擬信號與數(shù)字通信信號并存的傳輸模式，使用單一的全數(shù)字化信息傳輸模式構(gòu)建整艙娛樂通信以太網(wǎng)絡，從而為所有旅客提供統(tǒng)一的機載信息交互娛樂項目，包括視頻、音頻和游戲等。這是一種能滿足不同型號民用航空器的通用機載娛樂系統(tǒng)設計方案。

關(guān)鍵詞：機載設備；娛樂系統(tǒng)；數(shù)字信號傳輸；網(wǎng)頁界面

中圖分類號：V245 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.20.013

文章編號：2095-6835（2016）20-0013-03

機載娛樂（IFE，In-flight Entertainment）系統(tǒng)是指航空旅行中在機艙內(nèi)為旅客提供任何可能的娛樂實現(xiàn)手段。它是民用航空飛機客艙系統(tǒng)的重要組成部分，其性能是旅客判斷航空公司服務質(zhì)量的重要標準之一，世界各航空公司為此花費巨額資金采購、修理、維護和升級機載娛樂設備等。機載娛樂系統(tǒng)的主要功能性需求包括用戶界面與操作互動、多媒體播放（視頻播放與音頻播放）、游戲娛樂和實時地圖等幾個方面。

1 機載娛樂系統(tǒng)設計

在設計機載娛樂系統(tǒng)時，要考慮到其復雜的使用環(huán)境，因此，嵌入式設備的功能實現(xiàn)設計會相對復雜。本文主要結(jié)合娛樂系統(tǒng)的機載特性和系統(tǒng)基礎需求，在此基礎上分析了各功能模塊的實現(xiàn)方案和所涉及的軟硬件設計，包括用戶界面與操作互動、多媒體播放（視頻播放和音頻播放）的主要功能。

1.1 用戶界面與操作互動

用戶界面與操作互動包括系統(tǒng)圖形界面和用戶的輸入與輸出。隨著操作系統(tǒng)的圖形化發(fā)展，圖形界面不僅是衡量一個操作系統(tǒng)性能的重要因素，還成為了系統(tǒng)的必要基本功能。在圖形設計上，追求簡潔明快、優(yōu)美絢麗，符合大眾化的審美需求，在界面操作上也強調(diào)便于用戶操作使用、易于實現(xiàn)功能需求。一般情況下，用戶的輸入與輸出有2種模式——按鍵輸入和觸屏輸入。考慮到機載娛樂系統(tǒng)使用目的的相對單一性，兩者的功能設定與圖形系統(tǒng)的設計以及其各個界面的功能定義有緊密的聯(lián)系。

用戶界面的實現(xiàn)一般分為2個部分，即用戶的輸入操作和圖形界面的輸出顯示，具體如圖1所示。

如圖1所示，輸入方式主要依靠娛樂手柄實現(xiàn)，通過按鍵探測電路檢測，并將信號提供給系統(tǒng)處理器，同時，也可以通過點擊LCD屏幕上附著的觸摸板操作系統(tǒng)。觸屏信號是由觸屏控制芯片和相關(guān)驅(qū)動程序處理的，將觸點的坐標信息提供給系統(tǒng)處理器，再將幾何坐標位置對應到當前界面的控件元素，并將觸擊信息翻譯為對應的控件點擊事件。用戶的面板按鍵信息是由按鍵偵控電路檢測的，并提供給系統(tǒng)處理器。系統(tǒng)應用根據(jù)當前界面的設置，處理相對應的按鍵信息。系統(tǒng)圖形的繪制由系統(tǒng)處理器實現(xiàn)，通過LCD控制器即顯示控制器組件，將數(shù)字化的圖形信號通過LCD顯示出來。

另外，還可以從軟件結(jié)構(gòu)的角度入手分析用戶界面功能。如圖2所示，系統(tǒng)功能實現(xiàn)包括以下幾點：①系統(tǒng)操作輸入（UI input），系統(tǒng)操作控制的輸入包括手柄輸入和觸摸屏輸入；②系統(tǒng)服務（system service），提供相應的系統(tǒng)運算處理；③功能應用（application），完成基本功能的邏輯實現(xiàn)、操作輸入信號（touchscreen/handset）的響應處理、系統(tǒng)服務的調(diào)用與反饋輸出，以及界面的顯示與輸出；④HMI框架（HMI framework），通過HMI框架功能應用才能最終實現(xiàn)界面圖形的繪制；⑤顯示驅(qū)動（display driver），用以最終實現(xiàn)完成繪制后的界面圖形在LCD的輸出。

1.2 音頻功能設計

在傳統(tǒng)機載娛樂系統(tǒng)中，音頻功能的設計基本離不開信號源的輸入，通過對不同音頻信號源的不同處理、放大后，最終輸出到旅客耳機中，完成音頻娛樂系統(tǒng)的實現(xiàn)。目前的輸入信號源有以下2種：①外部廣播信號，播放安全須知等，由上位機發(fā)送面向所有用戶的廣播時發(fā)送的相關(guān)音頻數(shù)據(jù)信號；②軟件音頻解碼輸出，即系統(tǒng)處理器產(chǎn)生的音頻數(shù)據(jù)，主要有存儲于本地的視頻和音頻媒體文件播放。音頻功能輸入與輸出的實現(xiàn)如圖3所示。

要想實現(xiàn)音頻功能，需要使用高性能音頻處理芯片（Audio DSP）。這一類芯片一般會支持多路音頻（數(shù)字或模擬信號）的輸入，音頻輸入通路的選擇與控制，音頻信號的處理以及數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換。

如圖3所示，對應不同的音頻輸入信號源，音頻處理芯片會自動給予不同的處理模式。例如，安全須知和所有通過娛樂系統(tǒng)控制中樞——視頻控制面板發(fā)送出的音頻信號，這些都屬于外部信號，通過用戶終端附帶的音頻處理芯片轉(zhuǎn)換至基帶模擬信號后，通過放大器放大信號，并由耳機輸出。而另一種通過對本地多媒體文件解碼后產(chǎn)生的音頻信號同樣在傳輸進音頻處理芯片后需要經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換，并經(jīng)過放大器放大處理后傳入到旅客耳機中。

1.3 視頻功能設計

對于機載娛樂系統(tǒng)的視頻功能，其視頻信號源全部是數(shù)字視頻信號，可分為2種，即外部廣播視頻信號和本地多媒體信號，具體如圖4所示。

外部廣播視頻信號是由頭端的數(shù)字存儲服務組件，通過系統(tǒng)中的上位機——娛樂系統(tǒng)控制中樞（ICMT）操作后發(fā)送的各類多媒體文件視頻數(shù)據(jù)流。它發(fā)送的主要是安全須知類演示廣播視頻。這類信號經(jīng)編碼并壓縮后，通過以太網(wǎng)局域網(wǎng)絡分配并傳輸至各個旅客座椅終端接收，并解碼處理后顯示出來。

本地多媒體信號源自終端內(nèi)部的存儲設備，比如安全數(shù)碼卡（SD卡），它們的被處理方式與解調(diào)后的外部廣播視頻信號完全相同，都是通過顯示處理器解碼后顯示輸出給用戶。

2 終端系統(tǒng)平臺軟件設計

終端系統(tǒng)在軟件上分為操作系統(tǒng)軟件和應用軟件。操作系統(tǒng)的設計更多針對的是現(xiàn)有的開源系統(tǒng)，基本上是基于Unix或Linux開發(fā)的后續(xù)開源系統(tǒng)。比如Andriod系統(tǒng)，其優(yōu)點在于兼容性好，便于模塊化設計。考慮到記載娛樂系統(tǒng)對于飛機信息存儲的安全性，目前的策略是不將開源系統(tǒng)的底層操作界面開放給用戶，而是在此基礎上覆蓋一層應用軟件制作的界面，如圖5所示。因此，在此次設計中，將界面HMI設計歸類于應用軟件內(nèi)。應用軟件分為娛樂與播放軟件和HMI界面設計。

機載娛樂系統(tǒng)應當避免用戶終端對整個機載網(wǎng)絡有意或無意造成的威脅，所以，在為終端用戶提供信息服務時，一定會對終端的部分功能進行信息限制。因此，這里使用的是一種以網(wǎng)頁頁面為用戶界面，通過瀏覽器的全屏化功能，在原有操作系統(tǒng)界面上另行覆蓋一層全新的界面層，實現(xiàn)系統(tǒng)與網(wǎng)絡信息的安全保護的界面設計。如此一來，即保證了系統(tǒng)的安全性，也節(jié)省了開發(fā)界面所需要的時間，所有的界面都可以通過網(wǎng)頁制作完成，開發(fā)人員只需有網(wǎng)頁開發(fā)經(jīng)驗而無需積累Andriod系統(tǒng)界面開發(fā)經(jīng)驗。通過Eclipse+ADT+SDK最終將開發(fā)完成的網(wǎng)頁與系統(tǒng)設置打包成為一個應用APP，再在Andriod系統(tǒng)中安裝即可完成。要想實現(xiàn)以上設計，就需要使用到目前瀏覽器的一個功能——KIOSK，即全屏界面化模式。

界面設計是基于網(wǎng)頁制作，通過javascript語言嵌入web網(wǎng)頁中，以完成某些特定的事件，達到界面效果。因此，只需要明白網(wǎng)頁編寫的格式，即使是記事本也可以成為網(wǎng)頁編譯的軟件。通常來說，如果一些固定格式的語句能通過首字母庫來選擇，那么，無疑會給我們的編寫工作帶來極大的便利。所以，在界面程序編譯軟件方面，選擇使用JetBrains WebStorm 9.0.3，編譯界面如圖6所示。

瀏覽器是此次娛樂系統(tǒng)界面設計的重點之一，它是實現(xiàn)界面功能的平臺和基礎。鑒于此次設計是基于Andriod平臺而實現(xiàn)的功能界面，所以，在移動客戶端被廣泛使用的瀏覽器軟件是google chrome。

終端界面的設計是從用戶對產(chǎn)品的使用要求和功能要求出發(fā)，針對用戶在使用娛樂系統(tǒng)時希望得到的功能體驗設計簡潔明了的人機交互界面。

3 終端系統(tǒng)平臺硬件設計

用戶娛樂終端的設計是等效于一個高性能的平板電腦，其內(nèi)部功能和結(jié)構(gòu)設計也與平板電腦大致相同。它整合了網(wǎng)卡、視頻顯示模塊、觸摸屏操作模塊、音頻輸出模塊和數(shù)據(jù)存儲功能，負責接收并處理局域網(wǎng)傳輸來的信息，例如點播電影的更新、安全須知、入境須知等視頻信息都需要用戶娛樂終端來負責接收、解壓并解碼信息，從而完成視頻的播放。同時，它還能完成音頻數(shù)字信息的接收，并將其轉(zhuǎn)換成模擬信號傳送至耳機中，實現(xiàn)音頻點播功能。

4 網(wǎng)絡傳輸設計

網(wǎng)絡傳輸設計被分為頭端網(wǎng)絡設計、傳輸端網(wǎng)絡設計和座椅端網(wǎng)絡設計三部分。

4.1 頭端網(wǎng)絡設計

頭端硬件主要包括數(shù)字服務組件（Digital Server Unit）、集線器（Configuration Plug）、機載下行接口控制器（Legacy Aircraft Interface Controller）和交互式客艙管理終端（Interactive Management Terminal）。

從功能需求的角度來看，頭端網(wǎng)絡主要由文件服務器、娛樂系統(tǒng)控制中樞和娛樂系統(tǒng)對飛機的接口服務器組成，功能是存儲大量的視頻、音頻備份文件。它是更新娛樂系統(tǒng)座椅端本地信息的服務器，也是整個網(wǎng)絡信息交互的總節(jié)點，因此，對頭端網(wǎng)絡設計提出的要求是足夠大的傳輸帶寬和較快的傳輸速度，以滿足整個網(wǎng)絡巨大的數(shù)據(jù)吞吐量。

圖7為頭端設備網(wǎng)絡連接情況，其中，ICMT作為局域網(wǎng)維護管理和機組互動界面計算機，被分配至唯一的特定網(wǎng)絡地址，4臺DSU通過光纖與集線器實現(xiàn)物理連接。LAIC的作用是混音與信息優(yōu)先權(quán)判斷，通過千兆網(wǎng)與之實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，它們使用的都是IEEE802.3z標準，所不同的是前者使用的是62.5 um多模光纖（1000Base-LX）傳輸，其工作波長范圍為1 270～1 355 nm。而后者通過150 Ω屏蔽雙絞線（1000Base-CX）連接集線器。

由于頭端設備都被整合在電子艙一個固定的設備架上，相互之間通信距離很短，無論是光纖還是屏蔽雙絞線都無需增設增益設備，同時，固定的布線也在一定程度上保證了光纖的安全性和物理性。通過集線器，這四者能以平均傳輸速率1.25 Gbit/s的速度傳輸數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)4臺DSU的相互訪問。

4.2 傳輸端網(wǎng)絡設計

整套娛樂系統(tǒng)從設計初起就定位為全數(shù)字化傳輸?shù)臋C載設備，傳統(tǒng)的傳輸射頻信號的同軸電纜會被更廉價、傳輸帶寬更高的屏蔽雙絞線和光纖代替。網(wǎng)絡傳輸端設備主要是網(wǎng)絡交換機和冗余硬件，考慮到整個局域網(wǎng)可能會使用到不同的傳輸協(xié)議，作為主要數(shù)據(jù)交換設備的區(qū)域分配盒（Area Distribution Box）必須擁有網(wǎng)橋的功能。同時，為了保證系統(tǒng)的冗余性，通過網(wǎng)絡中繼設備（FDB）連接相鄰局域網(wǎng)，在物理層形成備用鏈路。

傳輸端網(wǎng)絡的功能是保證從用戶子網(wǎng)絡到頭端或者從頭端到用戶子網(wǎng)絡的信息能完整而快速的傳達，因此，在傳輸速度和帶寬上與頭端網(wǎng)絡有著基本相同的要求。

網(wǎng)絡傳輸端的設計其實就是構(gòu)建一個用戶數(shù)量為306個的局域網(wǎng)的設計，它主要是由區(qū)域分配盒（ADB）、網(wǎng)絡中繼盒（FDB）和四端口座椅控制盒（QSEB）組成物理層分配和傳輸網(wǎng)絡，每臺ADB與系統(tǒng)的集線器使用62.5 um多模光纖連接，而ADB與其下連接的各個FDB和QSEB則使用150 Ω的屏蔽雙絞線連接。在傳輸協(xié)議標準和傳輸導線的材質(zhì)上，與頭端傳輸設備所用的相同。

從整個娛樂系統(tǒng)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)上來說，系統(tǒng)的用戶網(wǎng)絡是由6個存在互為冗余的獨立局域網(wǎng)組成，而組成每個局域網(wǎng)的核心設備就是ADB。

ADB是整個娛樂系統(tǒng)中最主要的網(wǎng)絡交換設備，是支撐起單獨區(qū)域的用戶局域網(wǎng)。同樣的ADB在系統(tǒng)中有6個，它們被安置在客艙天花板的裝飾板內(nèi)，如圖8所示。左起第一個、第二個ADB負責頭等艙的2個局域網(wǎng)，其余的負責經(jīng)濟艙局域網(wǎng)，以此構(gòu)建起6個兩兩相互連接、互為冗余的獨立局域網(wǎng)，而他們所有的通信信號源和訪問信號源都位于頭端設備中的4臺文件服務器DSU中?？紤]到文件服務器的負載問題，對目標服務器地址進行了交錯設置。

盡管與集線器相連接的光纖總纜在物理上確實是通過串聯(lián)的方式逐次連接每一個ADB，但在網(wǎng)絡的信號傳輸過程中，通過光纖傳輸?shù)膹陀眉夹g(shù)，每一個ADB使用相鄰固定波段的光信號傳遞信息，因而上游ADB失效并不會影響下游ADB的通信。另外，無論是不同還是相同局域網(wǎng)區(qū)域的用戶與用戶之間也無法相互訪問。換言之，當所有ADB都正常工作時，它們中的任何一臺ADB是無法分配任何信息給位于除它之外其他ADB區(qū)域下的用戶，反之亦然。

4.3 座椅端網(wǎng)絡設計

座椅端網(wǎng)絡需要完成從用戶本地（即座椅娛樂終端）到主干網(wǎng)絡（傳輸端網(wǎng)絡）的數(shù)據(jù)傳輸。相對于傳輸端網(wǎng)絡，座椅端網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸吞吐量會小得多，因此，百兆的傳輸速度完全夠用。同時，考慮到布線情況更加復雜，對傳輸材質(zhì)的性能也有了相應的變化。

如圖9所示，用戶娛樂終端的信號來源于四端口座椅控制盒（QSEB），它們之間通過IEEE802.3u標準的100Base-T百兆以太網(wǎng)連接。盡管QSEB屬于網(wǎng)絡連接設備，但是，QSEB與座椅終端的關(guān)系十分緊密，每一個QSEB能至多為4套用戶終端提供數(shù)據(jù)鏈路。在實際設計中，并不是完全連接至最大允許連接數(shù)，這取決于QSEB所在座位行的實際座位數(shù)。

5 結(jié)論

本文提出了一種提供整艙信息交互的娛樂系統(tǒng)設計方案，并且摒棄了傳統(tǒng)的2種通信模式并存的數(shù)據(jù)傳輸方式（射頻模擬信號傳輸和數(shù)字傳輸并存），使用全數(shù)字信息傳輸模式，并以此構(gòu)建整艙以太網(wǎng)絡，為所有乘客提供一致的交互式娛樂服務。該系統(tǒng)能夠承擔起面向所有乘客的點播、娛樂等交互需求。針對不同艙位的乘客，僅會在用戶感知方面（比如顯示屏尺寸、手柄按鍵排布和座椅舒適度等）有所不同，在功能上，不同艙位的用戶都提供同樣的服務內(nèi)容。全數(shù)字化機載娛樂系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)的雙模式傳輸娛樂系統(tǒng)（數(shù)字和模擬傳輸并存），有著結(jié)構(gòu)簡單、組件耐用性強、響應時間短等優(yōu)點，是機載娛樂系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。

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