基于VHDL语言的智能拨号报警器的设计

介绍了以EDA技术作为开发手段的智能拨号报警系统的实现。本系统基于VHDL语言，采用FPGA作为控制核心，实现了远程防盗报警。该报警器具有体积小、可靠性高、灵活性强等特点。

　　关键词：VHDL语言 FPGA ASIC DTMF

　　目前，智能拨号报警器大多采用单片机作为控制核心，这种传统设计方法的特点是硬件和软件截然不同，设计中不可相互替代；而且硬件连线复杂，可靠笥较差。

　　硬件描述语言（VHDL）和可编程ASIC器件的广泛应用第一次打破了硬件和软件的屏障。基于VHDL语言、以EDA技术作为开发手段、采用现场可编程门阵列FPGA（Field Porogrammable Gate Array）作为控制核心实现的与电话线连接的智能拨号远程报警器，与传统设计相比较，不仅简化了接口和控制，提供了系统的整体性能和工作可靠性，也为进一步提高系统集成创造了条件。

1 系统原理及组成

　　系统组成原理框图如图1所示。系统的控制核心是一片FPGA芯片，它由3个功能模块构成：电话信号音识别模块，DTMF收发时序仿真模块和摘机/挂机控制模块。3个模块的功能分别为识别电话系统送来的信号音、控制DTMF拨号电路自动拨号、控制摘挂机电路完成摘挂机操作。
 

 　

2 PFGA功能模块设计

　　智能拨号报警器的控制核心FPGA的三个功能模块皆用VHDL语言编程实现，下面主要介绍FPGA的三个功能模块的设计。

2.1 电话信号音识别模块JUDGE

　　信号音判断的实现原理是：由于电话系统信号音的拨号音、回铃音和忙音的音源频率均为450Hz(±25Hz)的正弦波，只是断续比不同且在时间上有明显的差异（拨号音为450Hz±25Hz连续信号，忙音为 0.35s通0.35s断，回铃音为1s通4s断）。要判断信号音，首先应将处理DTMF信号的MT8880芯片设置为呼叫处理模式，使电话呼叫过程中的各种信号音经MT8880滤波、限幅后得到方波，并由MT8880的IRQ端输出。然后对MT8880输出的IRQ信号计数5秒，拨号音的计数下限为（450-25）×5=2125，计数上限为（450+25）×5=2375，即计数范围为2125～2375。同理，忙音的计数范围为 1041～1212，回铃音的计数范围为425～475，无信号音的计数应为零。但在实际编程中，需要考虑一定的计时计数误差，并且使程序简化，因此采用不同信号音相邻计数界限的中间值为区分不同的信号音。同时，为合理利用FPGA硬件资源，中间值应尽量选为2的n次方(整数)。最后设定为计数值大于 1792为拨号音，在1024～1791之间的忙音，在256～1023之间的回铃音，小于255为无信号音。

　　基于此原理设计的信号音识别模块JUDGE如图2所示。
 

CLK为时钟信号输入端；IRQ与MT8880芯片的IRQ输出端相连接，是IRQ信号的计数输入端；PICK是摘机信号输入端；BUSY为电话忙状态标志信号输出端；DIAL是拨号使能信号端。该模块的功能为：在摘机信号PICK产生大约1s后，即 MT8880芯片被设置为呼叫处理模式后启动该模块。在该模块的内部，设置了两个计数器。一个为对CLK时钟信号进行计数，产生5s控制信号；另一个对 IRQ送来的脉冲进行计数。两个计数器由摘机信号PICK启动，5s后判断第二个计数器的计数值。如果计数值大于1792，则说明电话交换机系统处于可拨号的状态，DIAL置为有效、BUSY置为无效，以触发DTMF收发时序仿真模块进行拨号操作。否则，电话处于不可拨号的状态，DIAL无效、BUSY有效，驱动摘/挂机模块产生挂机信号。拨号音识别的部分VHDL程序如下：

process(irq,pick,stop)

variable cnt:integer;

constant lm_1792:integer:=1792;

begin

if(pick=‘0’);

dial<=‘0’;

cnt:=0;
[!--empirenews.page--]
elsif(stop and cnt<=lm_1792) then

dial<=‘0’;/*电话遇忙，发忙状态标志*/

busy<=‘1’;

elsif(stop and cnt>=lm_1792) then

dial<=‘1’;/*电话通，拨号使能有效*/

busy<=‘0’;

elsif(irq)‘event and irq=‘1’) then

cnt:=cnt+1;/*电话音检测计数*/

end if;

end process;

2.2 DTMF收发时序仿真模块RECEI-SEND

　　MITEL 公司生产的集成芯片MT8880是专门用于处理DTMF信号的专用集成电路，具有接受和发送DTMF信号的双重功能。在本系统中，MT8880的作用是：把电话系统送来的DTMF信号处理成FPGA能够识别的逻辑信号；将FPGA送出的用于拨号的TTL逻辑信号转换成电话系统能够识别的DTMF信号。

　　RECEI -SEND用于控制MT8880以实现按DTMF方式自动拨预定的电话号码。RECEI-SEND模块与MT8880芯片的互连接口如图3所示。二者的接口信号线直接连接并由RECEI-SEND模块模拟产生MT8880芯片的各个接口信号，完成DTMF信号的接收以及对电话线路拨号。MT8880的工作模式由内部寄存器（CRA、CRB、SR、TDR和RDR）中的控制字决定，内部寄存器的数据写入和读出都由R-W、CS、CP、RS。信号控制。当MT8880芯片被访问时，CP脚应出现一次带上升沿的高电平，其周期应为1μs～1000μs。这是关键信号，其它信号均以此信号作为依据。因此，FPGA的RECEI-SEND模块模拟产生CP及其它信号的时序。图4为RECEI-SEND模块写MT8880内部寄存器CRA、CRB的时序。图5是RECEI-SEND模块控制MT8880发送DTMF信号时序。RECEI-SEND模块的VHDL程序结构如图6所示。

[!--empirenews.page--]

2.3 摘/挂机控制模块PICK

　　电话摘/挂机的实现是由摘/挂机控制模块PICK控制摘/挂机电路来完成的。设计的PICK模块如图7所示。CLK是系统时钟输入；EN是人体检测传输器采集的盗窃信号输入；RESET是系统复位信号输入；STOP为拨号完成的挂机控制信号输入；BUSY为遇忙信号输入；PICK为摘/挂机信号输出。当有盗窃发生时，EN输入信号有效，该模块使摘机输出信号PICK有效，从而驱动摘/挂机电路产生摘机动作。如果摘机后电话信号音识别模块JUDGE送来的是系统忙的信号，即UBSY输入信号有效时，输出挂机信号PICK。两秒钟后重新启动摘机，直到电话信号音为可拨号状态。拨号完成后，STOP信号有效， PICK模块产生挂机信号。当RESET有效时，挂机输出信号有效。摘/挂机控制模块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

/*复位或拨号完成后挂机*/

pick<=‘0‘;

elsif(en=‘1‘) then /*报警信号触发摘机*/

if(busy=‘0‘) then

pick<=‘1‘;

elsif(delay=‘1‘) then /*遇忙延时后重新摘机*/

pick<=‘1‘;

else

pick<=‘0‘; /*遇忙挂机*/

end if;

end if;

end if;

end process;

 

3 系统设计和逻辑仿真

　　FPGA 中的3个功能模块用VHDL语言描述进行综合仿真后，连接起来的系统电话原理图如图8所示。系统的工作过程：STEAL报警信号输入PICK模块，产生 PICK摘机信号，控制摘机/挂机电路。摘机后，RECEI-SEND模块将呼叫处理控制字写入MT8880芯片中，将MT8880设置为叫处理模式。然后电话信号音识别模块JUDGE对MT8880芯片的输出信号IRQ计数，判别电话音是否为拨号音。若非拨号音，产生电话忙信号BUSY至PICK模块，输出挂机信号PICK，电话挂机。然后摘机后重判，若为拨号音，则JUDGE模块输出拨号信号DIAL至RECEI-SEND模块，RECEI-SEND 模块模拟与MT880直接接口进行数据通讯的DTMF收发时序，控制MT8880按预先设置的电话进行自动拨号。拨号后延时，由JUDGE模块判别电话音是否为电话回铃音，若为电话回铃音电话回铃音，则延时挂机。若不是电话回铃音，则挂机重拨。

 

　　本系统采用的FPGA芯片为XILINX公司的XCS30/XL，逻辑门数为1.3万门，用FOUNDATION2.1软件工具开发。设计输入完成后，进行整体的编译和逻辑仿真，然后进行转换、布局、布线、延时仿零点生成配置文件，最后下载至FPGA器件，完成结构功能配置，实现其硬件功能。FPGA的系统逻辑功能仿真波形如图9所示。各信号的逻辑功能和时序配合完全达到设计要求。

 

　　本系统是用FPGA实现的智能报警器，全部通过编译仿真和系统测试。由于系统的很多逻辑功能由一片FPGA实现，外围器件很少，所以系统体积小、可靠性高，且器件的可编程性使得系统功能易于完善。随着可编程ASIC器件的应用范围不断扩大，越来越多的产生在开发过程中都使用VHDL语言，综使我们得以脱离底层电路，站在更高的层次上考虑各种逻辑和时序关系，从而快速完成设计。