基于FPGA的空中交通管理复飞告警系统设计

魏星

摘 要基于FPGA的复飞告警系统可以对大容量的实时数据进行结构化存储和处理，它具有体积小、结构精简、执行效率高、扩展性强、可重复编程等特点，很适合在实时性和精度要求严格的场合运用。

【关键词】复飞告警 FPGA PCB

FPGA是现场可编程门阵列，拥有较强的时序控制能力，不需要指令周期，速度快，支持多路大数据处理，可以满足大数据处理电路的需要，同时还可以大大节省硬件电路的开发时间，使功能的增加或性能的改善非常容易。

1 复飞告警系统设计简介

复飞告警系统主要运用于民用航空空中交通管理局，以用来实现在飞机不能成功降落进行复飞时，塔台管制员能够快速的通知周边单位有飞机进入复飞并采取紧急应对措施。所以要求系统具有体积小、速度快、多路大数据同时处理的能力。

在早期的空管自动化中，当管制发现飞机需要复飞或者飞机自己决定要复飞的时候，都是通过VHF（甚高频通信）进行告知或者沟通，这样的通信存在着很大的安全隐患：

（1）及时性，不能快速地告知周边相关单位。

（2）工作负担重，既要通知又要处理，处理过程过于复杂。

（3）不能及时反馈，处理结果不能很快地告知周边相关单位。

随着技术的发展，复飞告警系统的设计越来越需要集成为一体，它要包含显示系统、告警系统和警报系统；显示系统能够直观的告知周边相关单位哪架航班出现复飞和其当前状态；告警系统只要轻轻按触能够快速的把信息发出去；警报系统能够发出警报声音提醒管制注意有特殊情况的发生；为了实现复飞告警的这些要求，我们选择以FPGA为核心来设计。

本文总结了基于FPGA设计的空中交通复飞告警系统，包含了核心芯片的选择、电路设计和硬件电路设计。

2 电路原理图设计

复飞告警的三个主要模块：FPGA模块、电源模块、时钟模块。

2.1 FPGA模块

由于复飞告警系统的高要求，系统的核心芯片选择最为关键，合理的选型不仅能够避免一系列的后期问题，更能够提高产品的性能，延长使用期。如果FPGA负荷过重，器件发热严重，会严重影响器件的性能、工作稳定性和寿命；通过上面的思考，确定选择ALTERA公司的EP1C3T144C8N芯片。

EP1C3T144C8N芯片中，嵌入了数据处理器。这个处理器对于在实现逻辑与数字信号处理的同时还需要强大处理器的用户而言的确是不二之选。嵌入式硬件乘加模块具有更高的灵活性与跟高效的处理能力在功耗得到进一步降低的同时，模块最大工作频率得到了有效的提升，可支持大规模并行 DSP 算法。时钟管理模块 （CMT） 为 FPGA 提供最灵活、最高性能的时钟控制。从上面的分析中，可以看出EP1C3T144C8N的性能完全符合我们的需求。

2.2 电源模块

本次电源模块需要把5V的交流电转换为3.3v和1.5v电压，考虑到电压的稳定性、功率输出、芯片兼容性我们所选用的供电芯片是美国德州仪器公司的AMS1117，它是一款高效率电源芯片，能够提供稳定的电流和相应的电压。

2.3 时钟模块

时钟模块采用50MHZ的有源晶振贴片，有4只引脚。一个完整的振荡器，其中除了石英晶体外，还有晶体管和阻容元件，因此体积较大。但是其抗干扰能力强，信号稳定。

3 硬件电路设计

一块PCB板的设计分为三个步骤：层数、布局和布线；

层数主要由系统的复杂性决定，本次复飞告警PCB板采用了双层走线的设计，其中上层走信号线和电源线，底层使用敷铜作为数字地，这样能够有更好的屏蔽性；

布局遵循四个原则：

（1）按照电路模数特性布局，把模拟和数字电路分开，并使信号流通尽可能不跨区域，这样可以减小电路板中模拟和数字之间的干扰。

（2）核心芯片放在中间，其他配置芯片围绕。

（3）同一个功能模块的器件尽可能摆放在一起，便于分析和检查。

（4）尽可能让元器件排列整齐，美观。这样还有利于PCB板焊接和批量生产。

布线的关键在于保持信号的完整性，而影响信号完整性的因素主要有传输线的长度、电阻匹配以及电磁干扰、串扰等。尽量避免走折线，可以采用45°折线或者弧线代替折线。在有些时候还可以把时钟信号用一根地线包围，隔离干扰。

PCB电路图如下所示：

4 结语

本文通过对原有复飞告警系统的分析和现在管制的需求，并结合新的技术，制作了基于FPGA的复飞告警系统。论文简要的介绍了复飞告警的电源模块、FPGA模块和PCB制作。虽然这次设计结果达到了设计初的目标，但是其中还有许多不足处，如集成度还可以在提高，没有仿真结果等，希望在以后的制作中能够解决这些问题。

参考文献

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作者单位

民航云南空中交通管理局 云南省昆明市 650211