基于FPGA的空中交通管理復飛告警系統設計

魏星

摘 要基于FPGA的復飛告警系統可以對大容量的實時數據進行結構化存儲和處理，它具有體積小、結構精簡、執行效率高、擴展性強、可重復編程等特點，很適合在實時性和精度要求嚴格的場合運用。

【關鍵詞】復飛告警 FPGA PCB

FPGA是現場可編程門陣列，擁有較強的時序控制能力，不需要指令周期，速度快，支持多路大數據處理，可以滿足大數據處理電路的需要，同時還可以大大節省硬件電路的開發時間，使功能的增加或性能的改善非常容易。

1 復飛告警系統設計簡介

復飛告警系統主要運用于民用航空空中交通管理局，以用來實現在飛機不能成功降落進行復飛時，塔臺管制員能夠快速的通知周邊單位有飛機進入復飛并采取緊急應對措施。所以要求系統具有體積小、速度快、多路大數據同時處理的能力。

在早期的空管自動化中，當管制發現飛機需要復飛或者飛機自己決定要復飛的時候，都是通過VHF（甚高頻通信）進行告知或者溝通，這樣的通信存在著很大的安全隱患：

（1）及時性，不能快速地告知周邊相關單位。

（2）工作負擔重，既要通知又要處理，處理過程過于復雜。

（3）不能及時反饋，處理結果不能很快地告知周邊相關單位。

隨著技術的發展，復飛告警系統的設計越來越需要集成為一體，它要包含顯示系統、告警系統和警報系統；顯示系統能夠直觀的告知周邊相關單位哪架航班出現復飛和其當前狀態；告警系統只要輕輕按觸能夠快速的把信息發出去；警報系統能夠發出警報聲音提醒管制注意有特殊情況的發生；為了實現復飛告警的這些要求，我們選擇以FPGA為核心來設計。

本文總結了基于FPGA設計的空中交通復飛告警系統，包含了核心芯片的選擇、電路設計和硬件電路設計。

2 電路原理圖設計

復飛告警的三個主要模塊：FPGA模塊、電源模塊、時鐘模塊。

2.1 FPGA模塊

由于復飛告警系統的高要求，系統的核心芯片選擇最為關鍵，合理的選型不僅能夠避免一系列的后期問題，更能夠提高產品的性能，延長使用期。如果FPGA負荷過重，器件發熱嚴重，會嚴重影響器件的性能、工作穩定性和壽命；通過上面的思考，確定選擇ALTERA公司的EP1C3T144C8N芯片。

EP1C3T144C8N芯片中，嵌入了數據處理器。這個處理器對于在實現邏輯與數字信號處理的同時還需要強大處理器的用戶而言的確是不二之選。嵌入式硬件乘加模塊具有更高的靈活性與跟高效的處理能力在功耗得到進一步降低的同時，模塊最大工作頻率得到了有效的提升，可支持大規模并行 DSP 算法。時鐘管理模塊 （CMT） 為 FPGA 提供最靈活、最高性能的時鐘控制。從上面的分析中，可以看出EP1C3T144C8N的性能完全符合我們的需求。

2.2 電源模塊

本次電源模塊需要把5V的交流電轉換為3.3v和1.5v電壓，考慮到電壓的穩定性、功率輸出、芯片兼容性我們所選用的供電芯片是美國德州儀器公司的AMS1117，它是一款高效率電源芯片，能夠提供穩定的電流和相應的電壓。

2.3 時鐘模塊

時鐘模塊采用50MHZ的有源晶振貼片，有4只引腳。一個完整的振蕩器，其中除了石英晶體外，還有晶體管和阻容元件，因此體積較大。但是其抗干擾能力強，信號穩定。

3 硬件電路設計

一塊PCB板的設計分為三個步驟：層數、布局和布線；

層數主要由系統的復雜性決定，本次復飛告警PCB板采用了雙層走線的設計，其中上層走信號線和電源線，底層使用敷銅作為數字地，這樣能夠有更好的屏蔽性；

布局遵循四個原則：

（1）按照電路模數特性布局，把模擬和數字電路分開，并使信號流通盡可能不跨區域，這樣可以減小電路板中模擬和數字之間的干擾。

（2）核心芯片放在中間，其他配置芯片圍繞。

（3）同一個功能模塊的器件盡可能擺放在一起，便于分析和檢查。

（4）盡可能讓元器件排列整齊，美觀。這樣還有利于PCB板焊接和批量生產。

布線的關鍵在于保持信號的完整性，而影響信號完整性的因素主要有傳輸線的長度、電阻匹配以及電磁干擾、串擾等。盡量避免走折線，可以采用45°折線或者弧線代替折線。在有些時候還可以把時鐘信號用一根地線包圍，隔離干擾。

PCB電路圖如下所示：

4 結語

本文通過對原有復飛告警系統的分析和現在管制的需求，并結合新的技術，制作了基于FPGA的復飛告警系統。論文簡要的介紹了復飛告警的電源模塊、FPGA模塊和PCB制作。雖然這次設計結果達到了設計初的目標，但是其中還有許多不足處，如集成度還可以在提高，沒有仿真結果等，希望在以后的制作中能夠解決這些問題。

參考文獻

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作者單位

民航云南空中交通管理局 云南省昆明市 650211