基于CPLD和VHDL的智能撥號報警系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) - 全文

　　隨著經(jīng)濟的發(fā)展和生活水平的提高，個人安全和財產(chǎn)安全越來越被人們重視。為了不受到傷害和損失，就需要有安全的報警系統(tǒng)?，F(xiàn)在的報警系統(tǒng)多數(shù)是以單片機作為主控制器，連線復(fù)雜，可靠性和穩(wěn)定性不高。針對以上不足，本文利用EDA技術(shù)對報警系統(tǒng)進行設(shè)計，系統(tǒng)以CPLD芯片作為控制核心，采用VHDL語言硬件描述來實現(xiàn)遠程的智能報警，結(jié)構(gòu)和接口簡單，工作可靠性高。

　　1系統(tǒng)原理和組成

　　系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。系統(tǒng)由兩部分組成：外圍電路和CPLD控制電路。外圍電路包括檢測電路、語音電路、DTMF撥號電路、摘機/掛機電路、時鐘頻率電路、電源電路。CPLD控制電路包括電話信號音檢測模塊、雙音多頻信號DTMF收發(fā)時序模塊和摘機/掛機控制模塊。外圍電路和CPLD控制電路相協(xié)同來實現(xiàn)系統(tǒng)的報警。

　　
圖1 系統(tǒng)組成框圖

　　系統(tǒng)工作原理：當有人非法進入室內(nèi)時，檢測電路中的傳感器便采集到入侵信號，入侵信號會啟動摘機/掛機控制模塊控制摘掛機電路實現(xiàn)電話摘機。摘機后，電話信號音檢測模塊識別電話系統(tǒng)的狀態(tài)是否處于可撥號狀態(tài)。如果是，則DTMF收發(fā)時序模塊控制DTMF撥號電路以雙音頻DTMF方式撥預(yù)定的電話號，語音電路播放所要報警的報警信息;否則，通過摘機/掛機控制模塊控制掛機電路實現(xiàn)電話掛機，延時后再撥。

　　系統(tǒng)中檢測、DTMF撥號、摘機/掛機等功能使用硬件電路來實現(xiàn)，電話語音識別、DTMF收發(fā)時序、摘機/掛機控制等功能使用軟件編程來實現(xiàn)。

　　2系統(tǒng)外圍電路

　　2.1檢測電路

　　本系統(tǒng)采用熱釋電紅外傳感器P228進行探測［3］，檢測電路如圖2所示。當有人進入時，P288檢測到的信號經(jīng)C11高頻濾波直接輸入到放大器IC1進行低噪聲、高穩(wěn)定放大。當IC1輸出電壓高于IC2的基準電壓時， IC2也輸出高電平，驅(qū)動光電隔離器4N25導(dǎo)通，輸出入侵信號EN，作為報警系統(tǒng)的啟動信號提供給主控電路。

　　
圖2 檢測電路

　　2.2語音電路

　　語音電路用于錄制和播放所要報警的語音信號或其他報警信息，相應(yīng)信息可由用戶預(yù)先設(shè)定并可隨時修改。本系統(tǒng)中的語音電路選用語音錄放芯片 APR9600.錄音時外部音頻信號經(jīng)芯片APR9600內(nèi)部具有自動增益調(diào)節(jié)的話筒放大器放大，由內(nèi)部濾波器和采樣電路處理后存入專用快閃存儲器 Flash RAM中。放音時芯片內(nèi)部邏輯電路從Flash RAM中取出信號，經(jīng)過一個低通濾波器送到功率放大器，然后經(jīng)音頻功率放大器放大后輸送到電話線路上，電路如圖3所示。

　　
圖3 語音電路

　　2.3 DTMF撥號電路和摘機/掛機電路

　　DTMF撥號電路是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，它的運行狀態(tài)決定了系統(tǒng)的可靠性。本系統(tǒng)采用專用雙音頻解碼集成芯片MT8880，MT8880是專門用于處理DTMF信號的專用集成電路，具有接收和發(fā)送該信號的雙重功能，其電路如圖4所示。MT8880以1、2腳IN+、IN-作為DTMF的輸入端，對應(yīng)內(nèi)部一個差分放大器，可以雙端輸入，又可單端輸入，本電路采用單端輸入。8腳是DTMF信號的輸出端，主控電路將預(yù)先存儲的電話號碼通過數(shù)據(jù)線D0～D3 送入MT8880內(nèi)部的數(shù)據(jù)緩沖器，此時RS和R_W都是低電平，數(shù)據(jù)寫入TDR，再通過內(nèi)部線路處理，利用D/A變換，在電路選通CS=0時，從8腳輸出標準的DTMF信號。MT8880輸出的DTMF信號不能直接與電話線連接，因為36 V左右的電話線空載電壓極易燒毀MT8880，故在它們之間通過一個放大器與電話線路相接，此放大器可以用運放也可以用分立電路，圖4為分立電路。

　　
圖4 DTMF撥號電路及摘機/掛機電路

　　摘機/掛機電路主要由Q1、Q2、D1、R12構(gòu)成，利用Q1和Q2的截止和飽和起到開關(guān)作用，從而實現(xiàn)摘機和掛機。

　　DTMF撥號電路和摘機/掛機電路的工作過程：當需要向電話網(wǎng)發(fā)送預(yù)先存儲的電話號碼時，PICK=1，通過D1和R12使Q1和Q2處于飽和狀態(tài)。從電話線TIP和RING兩端來的電壓使Q3和Q4得到正常偏置處于放大狀態(tài)，此時R_W=0.使MT8880的CS=0，芯片被選中，DTMF信號從MT8880的8腳輸出，經(jīng)過R14、C18送到Q3的基極，經(jīng)Q3、Q4的放大后從電話線路輸出，此時發(fā)光管LED點亮顯示發(fā)送狀態(tài)，平時非發(fā)送狀態(tài)時，PICK=0，Q1、Q2、Q3、Q4處于截至狀態(tài)，CS=1，MT8880不能被選中，它的8腳內(nèi)部電路處于高阻抗狀態(tài)，電路與電話線隔離，不影響正常電話機的使用。接口電路由電話線電壓供電，平時36 V左右，工作時為9 V. 2.4時鐘頻率電路時鐘頻率電路由555定時器和外接元件R3、RP1、C6構(gòu)成多諧振蕩器，腳2與腳6直接相連，如圖5所示。電路沒有穩(wěn)態(tài)，僅存在兩個暫穩(wěn)態(tài)，且不需要外接觸發(fā)信號，利用電源通過R3、RP1向C6充電，以及C6通過RP1向放電端放電，使電路產(chǎn)生振蕩，從而在輸出端為主控電路提供 1.1 kHz的時鐘頻率。

　　
圖5 時鐘頻率電路

　　3 CPLD的系統(tǒng)設(shè)計和邏輯仿真

　　系統(tǒng)控制核心CPLD的三個控制模塊都是采用VHDL語言編程來實現(xiàn)的，其中電話信號音檢測模塊DJF1用來檢測公用電話網(wǎng)絡(luò)傳遞的語音信號，摘機/掛機控制模塊DJF2用來控制摘機/掛機電路，實現(xiàn)電話的接通和關(guān)斷，DTMF收發(fā)時序模塊DJF3控制DTMF撥號電路自動撥打預(yù)先設(shè)定好的電話號碼。系統(tǒng)的主程序流程圖如圖7所示。

　　
圖6 電源電路

　　
圖7 程序流程圖

　　系統(tǒng)的工作過程：當紅外傳感器檢測到人體入侵信號EN后，摘機/掛機控制模塊啟動并產(chǎn)生摘機信號PICK，使摘機/掛機電路進行摘機。摘機后，DTMF收發(fā)時序模塊將MT8880設(shè)置為呼叫處理模式。然后電話信號音檢測模塊通過對IRQ的計數(shù)判別電話音是否為撥號音。如果不是撥號音，則電話掛機，然后再摘機重撥。如果是撥號音，則MT8880設(shè)置為DTMF發(fā)送模式，同時MT8880撥打預(yù)置電話和發(fā)送語音報警信號。發(fā)出報警信息后延時，電話信號音檢測模塊檢測電話音是否為回鈴音。如果是，則延時掛機;如果不是，則掛機重撥。

　　CPLD芯片采用的是Altera公司的EPM240芯片，該芯片具有片內(nèi)存儲器，系統(tǒng)掉電和復(fù)位后不用重新向芯片下載程序就能正常工作。系統(tǒng)設(shè)計完成后，對三個功能模塊進行邏輯編譯、邏輯綜合及優(yōu)化、邏輯布局布線、邏輯仿真，然后將生成的配置文件下載到CPLD芯片。將功能模塊進行時序仿真驗證，仿真波形如圖8所示，可以看到功能模塊達到所期望的邏輯功能。

　　
圖8 CPLD的仿真波形

　　4 小結(jié)

　　本文采用CPLD控制核心實現(xiàn)了智能報警系統(tǒng)。由于利用EDA技術(shù)進行系統(tǒng)設(shè)計，外圍器件少、體積小、功耗低、可靠性高。通過修改VHDL源程序就可以增加一些新的功能，提高了設(shè)計的靈活性，具有較好的應(yīng)用前景。