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;
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。
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。