摘? 要: 介紹了以EDA技術(shù)作為開發(fā)手段的智能撥號(hào)報(bào)警系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn),。本系統(tǒng)基于VHDL語言,，采用FPGA作為控制核心，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程防盜報(bào)警,。該報(bào)警器具有體積小,、可靠性高,、靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞: VHDL語言? FPGA? ASIC? DTMF
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目前,，智能撥號(hào)報(bào)警器大多采用單片機(jī)作為控制核心,，這種傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的特點(diǎn)是硬件和軟件截然不同，設(shè)計(jì)中不可相互替代;而且硬件連線復(fù)雜,，可靠性較差,。
硬件描述語言(VHDL)和可編程ASIC器件的廣泛應(yīng)用第一次打破了硬件和軟件的屏障?；赩HDL語言,、以EDA技術(shù)作為開發(fā)手段、采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA(Field Programmable Gate Array)作為控制核心實(shí)現(xiàn)的與電話線連接的智能撥號(hào)遠(yuǎn)程報(bào)警器,，與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比較,，不僅簡(jiǎn)化了接口和控制，提高了系統(tǒng)的整體性能和工作可靠性,，也為進(jìn)一步提高系統(tǒng)集成創(chuàng)造了條件,。
1 系統(tǒng)原理及組成
系統(tǒng)組成原理框圖如圖1所示。系統(tǒng)的控制核心是一片F(xiàn)PGA芯片,， 它由3個(gè)功能模塊構(gòu)成:電話信號(hào)音識(shí)別模塊,，DTMF收發(fā)時(shí)序仿真模塊和摘機(jī)/掛機(jī)控制模塊。3個(gè)模塊的功能分別為識(shí)別電話系統(tǒng)送來的信號(hào)音,、控制DTMF撥號(hào)電路自動(dòng)撥號(hào),、控制摘掛機(jī)電路完成摘掛機(jī)操作。
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系統(tǒng)工作原理:當(dāng)有人進(jìn)入室內(nèi)時(shí),，人體檢測(cè)傳感器便采集盜竊信號(hào),，盜竊信號(hào)啟動(dòng)摘機(jī)/掛機(jī)控制模塊控制摘掛機(jī)電路，實(shí)現(xiàn)電話摘機(jī),。電話信號(hào)音識(shí)別模塊識(shí)別摘機(jī)后電話系統(tǒng)的狀態(tài)是否處于可撥號(hào)狀態(tài)。若為可撥號(hào)狀態(tài),，DTMF收發(fā)時(shí)序仿真模塊控制DTMF撥號(hào)電路以雙音頻DTMF方式撥預(yù)定的電話(或傳呼機(jī))號(hào);若為不可撥號(hào)狀態(tài),，通過摘機(jī)/掛機(jī)控制模塊實(shí)現(xiàn)電話掛機(jī)，延時(shí)后再重?fù)堋?/P>
2 FPGA功能模塊設(shè)計(jì)
智能撥號(hào)報(bào)警器的控制核心FPGA的三個(gè)功能模塊皆用VHDL語言編程實(shí)現(xiàn),，下面主要介紹FPGA的三個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì),。
2.1 電話信號(hào)音識(shí)別模塊JUDGE
信號(hào)音判斷的實(shí)現(xiàn)原理是:由于電話系統(tǒng)信號(hào)音的撥號(hào)音、回鈴音和忙音的音源頻率均為450Hz(±25Hz)的正弦波,，只是斷續(xù)比不同且在時(shí)間上有明顯的差異(撥號(hào)音為450Hz±25Hz連續(xù)信號(hào),，忙音為0.35s通0.35s斷，回鈴音為1s通4s斷),。要判斷信號(hào)音,，首先應(yīng)將處理DTMF 信號(hào)的MT8880芯片設(shè)置為呼叫處理模式,，使電話呼叫過程中的各種信號(hào)音經(jīng)MT8880濾波、限幅后得到方波,，并由MT8880的IRQ端輸出,。然后對(duì)MT8880輸出的IRQ信號(hào)計(jì)數(shù)5秒，撥號(hào)音的計(jì)數(shù)下限為(450-25)×5=2125,，計(jì)數(shù)上限為(450+25)×5=2375,，即計(jì)數(shù)范圍為2125～2375。同理,，忙音的計(jì)數(shù)范圍為1041～1212,，回鈴音的計(jì)數(shù)范圍為425～475，無信號(hào)音的計(jì)數(shù)應(yīng)為零,。但在實(shí)際編程中,，需要考慮一定的計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)誤差，并且使程序簡(jiǎn)化,，因此采用不同信號(hào)音相鄰計(jì)數(shù)界限的中間值來區(qū)分不同的信號(hào)音,。同時(shí)，為合理利用FPGA硬件資源,，中間值應(yīng)盡量選為2n(n為整數(shù)),。最后設(shè)定為計(jì)數(shù)值大于1792為撥號(hào)音，在1024～1791之間為忙音,，在256～1023之間為回鈴音,，小于255為無信號(hào)音。
基于此原理設(shè)計(jì)的信號(hào)音識(shí)別模塊JUDGE如圖2所示,。CLK為時(shí)鐘信號(hào)輸入端,； IRQ與MT8880芯片的IRQ輸出端相連接，是IRQ信號(hào)的計(jì)數(shù)輸入端,；PICK是摘機(jī)信號(hào)輸入端,； BUSY為電話忙狀態(tài)標(biāo)志信號(hào)輸出端； DIAL是撥號(hào)使能信號(hào)端,。該模塊的功能為:在摘機(jī)信號(hào)PICK產(chǎn)生大約1s后,，即MT8880芯片被設(shè)置為呼叫處理模式后啟動(dòng)該模塊。在該模塊的內(nèi)部,，設(shè)置了兩個(gè)計(jì)數(shù)器,。一個(gè)為對(duì)CLK時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，產(chǎn)生5s控制信號(hào);另一個(gè)對(duì)IRQ送來的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù),。兩個(gè)計(jì)數(shù)器都由摘機(jī)信號(hào)PICK啟動(dòng),， 5s后判斷第二個(gè)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值。如果計(jì)數(shù)值大于1792,，則說明電話交換機(jī)系統(tǒng)處于可撥號(hào)的狀態(tài),，DIAL置為有效,、BUSY置為無效，以觸發(fā)DTMF收發(fā)時(shí)序仿真模塊進(jìn)行撥號(hào)操作,。否則,，電話處于不可撥號(hào)的狀態(tài)，DIAL無效,、BUSY有效,，驅(qū)動(dòng)摘/掛機(jī)模塊產(chǎn)生掛機(jī)信號(hào)。撥號(hào)音識(shí)別的部分VHDL程序如下:
process(irq,，pick,，stop)
variable? cnt: integer；
constant? lm_1792:integer:=1792,；
begin
??? if(pick=＇0＇) then
?????????? dial<=＇0＇,；
?????????? busy<=＇0＇；
?????????? cnt:=0,；
??? elsif(stop and cnt<=lm_1792) then??
????? dial<=＇0＇,； /*電話遇忙，發(fā)忙狀態(tài)標(biāo)志*/
????? busy<=＇1＇,；????????
??? elsif(stop and cnt>=lm_1792) then
????? dial<=＇1＇,； /*電話接通，撥號(hào)使能有效*/
????? busy<=＇0＇,；
??? elsif(irq＇event and irq=＇1＇) then
?????? ?cnt:=cnt+1,； /*電話音檢測(cè)計(jì)數(shù)*/?
???? end if；
???end process,；
?
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2.2 DTMF收發(fā)時(shí)序仿真模塊RECEI-SEND
MITEL公司生產(chǎn)的集成芯片MT8880 是專門用于處理DTMF信號(hào)的專用集成電路,，具有接受和發(fā)送DTMF信號(hào)的雙重功能。在本系統(tǒng)中,，MT8880的作用是:把電話系統(tǒng)送來的DTMF信號(hào)處理成FPGA能夠識(shí)別的邏輯信號(hào),； 將FPGA送出的用于撥號(hào)的TTL邏輯信號(hào)轉(zhuǎn)換成電話系統(tǒng)能夠識(shí)別的DTMF信號(hào)。
RECEI-SEND用于控制MT8880以實(shí)現(xiàn)按DTMF方式自動(dòng)撥預(yù)定的電話號(hào)碼,。RECEI-SEND模塊與MT8880芯片的互連接口如圖3所示,。二者的接口信號(hào)線直接連接并由RECEI-SEND模塊模擬產(chǎn)生MT8880芯片的各個(gè)接口信號(hào)，完成DTMF信號(hào)的接收以及對(duì)電話線路撥號(hào),。MT8880的工作模式由內(nèi)部寄存器(CRA、CRB,、SR,、TDR和RDR)中的控制字決定，內(nèi)部寄存器的數(shù)據(jù)寫入和讀出都由R-W,、CS,、CP,、RS。信號(hào)控制,。當(dāng)MT8880芯片被訪問時(shí),，CP腳應(yīng)出現(xiàn)一次帶上升沿的高電平，其周期應(yīng)為1μs～1000μs,。這是關(guān)鍵信號(hào),，其它信號(hào)均以此信號(hào)作為依據(jù)。因此,，F(xiàn)PGA中的RECEI-SEND模塊模擬產(chǎn)生CP及其它信號(hào)的時(shí)序,。圖4為RECEI-SEND模塊寫MT8880內(nèi)部寄存器CRA、CRB的時(shí)序,。圖5是RECEI-SEND模塊控制MT8880發(fā)送DTMF信號(hào)時(shí)序,。RECEI-SEND模塊的VHDL程序結(jié)構(gòu)如圖6所示。
2.3 摘/掛機(jī)控制模塊PICK
電話摘/掛機(jī)的實(shí)現(xiàn)是由摘/掛機(jī)控制模塊PICK控制摘/掛機(jī)電路來完成的,。設(shè)計(jì)的PICK模塊如圖7所示,。CLK是系統(tǒng)時(shí)鐘輸入;EN是人體檢測(cè)傳感器采集的盜竊信號(hào)輸入;RESET是系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)輸入;STOP為撥號(hào)完成的掛機(jī)控制信號(hào)輸入;BUSY為遇忙信號(hào)輸入;PICK為摘/掛機(jī)信號(hào)輸出。當(dāng)有盜竊發(fā)生時(shí),，EN輸入信號(hào)有效,，該模塊使摘機(jī)輸出信號(hào)PICK有效，從而驅(qū)動(dòng)摘/掛機(jī)電路產(chǎn)生摘機(jī)動(dòng)作,。如果摘機(jī)后電話信號(hào)音識(shí)別模塊JUDGE送來的是系統(tǒng)忙的信號(hào),，即BUSY輸入信號(hào)有效時(shí)，輸出掛機(jī)信號(hào)PICK,。兩秒鐘后重新啟動(dòng)摘機(jī),，直到電話信號(hào)音為可撥號(hào)狀態(tài)。撥號(hào)完成后,，STOP信號(hào)有效,，PICK模塊產(chǎn)生掛機(jī)信號(hào)。當(dāng)RESET有效時(shí),，掛機(jī)輸出信號(hào)有效,。摘/掛機(jī)控制模塊PICK的部分VHDL程序如下:
process(clk，stop,，busy,，en，delay)
begin
? if(clk＇event and clk=＇1＇) then
? if( reset=＇1＇ or stop=＇1＇) then
?????????????????????????????????? ? /*復(fù)位或撥號(hào)完成后掛機(jī)*/
?????????? pick<=＇0＇,；????????????????
????elsif(en=＇1＇) then???????????? /*報(bào)警信號(hào)觸發(fā)摘機(jī)*/
???? if(busy=＇0＇) then???????
???????? pick<=＇1＇,；
??? elsif(delay=＇1＇ ) then?????? ?/*遇忙延時(shí)后重新摘機(jī)*/
???????? pick<=＇1＇；
??? else
???????? pick<=＇0＇；???????????? ?/*遇忙掛機(jī)*/
???????? end if,；
????? end if,；
?? end if；
end process,；
?
3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)和邏輯仿真
FPGA中的3個(gè)功能模塊用VHDL語言描述進(jìn)行綜合仿真后,，連接起來的系統(tǒng)電路原理圖如圖8所示。系統(tǒng)的工作過程:STEAL報(bào)警信號(hào)輸入PICK模塊,，產(chǎn)生PICK摘機(jī)信號(hào),，控制摘機(jī)/掛機(jī)電路。摘機(jī)后,，RECEI-SEND模塊將呼叫處理控制字寫入MT8880芯片中,，將MT8880設(shè)置為呼叫處理模式。然后電話信號(hào)音識(shí)別模塊JUDGE對(duì)MT8880芯片的輸出信號(hào)IRQ計(jì)數(shù),，判別電話音是否為撥號(hào)音,。若非撥號(hào)音，產(chǎn)生電話忙信號(hào)BUSY至PICK模塊,，輸出掛機(jī)信號(hào)PICK,，電話掛機(jī)。然后摘機(jī)后重判,，若為撥號(hào)音,，則JUDGE模塊輸出撥號(hào)信號(hào)DIAL至RECEI-SEND模塊，RECEI-SEND模塊模擬與MT8880直接接口進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊的DTMF收發(fā)時(shí)序,，控制MT8880按預(yù)先設(shè)置的電話進(jìn)行自動(dòng)撥號(hào),。撥號(hào)后延時(shí)，由JUDGE模塊判別電話音是否為電話回鈴音,，若為電話回鈴音電話回鈴音,，則延時(shí)掛機(jī)。若不是電話回鈴音,，則掛機(jī)后重?fù)堋?/P>
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本系統(tǒng)采用的FPGA芯片為XILINX 公司的XCS30/XL,，邏輯門數(shù)為1.3萬門， 用FOUNDATION2.1軟件工具開發(fā),。設(shè)計(jì)輸入完成后,，進(jìn)行整體的編譯和邏輯仿真，然后進(jìn)行轉(zhuǎn)換,、布局,、布線、延時(shí)仿真生成配置文件,，最后下載至FPGA器件,，完成結(jié)構(gòu)功能配置,，實(shí)現(xiàn)其硬件功能。FPGA的系統(tǒng)邏輯功能仿真波形如圖9所示,。各信號(hào)的邏輯功能和時(shí)序配合完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
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本系統(tǒng)是用FPGA實(shí)現(xiàn)的智能報(bào)警器,，全部通過編譯仿真和系統(tǒng)測(cè)試,。由于系統(tǒng)的很多邏輯功能由一片F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)，外圍器件很少,，所以系統(tǒng)體積小,、可靠性高，且器件的可編程性使得系統(tǒng)功能易于完善,。隨著可編程ASIC器件的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大,，越來越多的產(chǎn)品在開發(fā)過程中都使用VHDL語言，它使我們得以脫離底層電路,，站在更高的層次上考慮各種邏輯和時(shí)序關(guān)系,，從而快速完成設(shè)計(jì)。
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參考文獻(xiàn)
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