基于CPLD和VHDL的智能拨号报警系统的设计与实现
随着经济的发展和生活水平的提高，个人安全和财产安全越来越被人们重视。为了不受到伤害和损失，就需要有安全的报警系统。现在的报警系统多数是以单片机作为主控制器，连线复杂，可靠性和稳定性不高。针对以上不足，本文利用eda技术对报警系统进行设计，系统以cpld芯片作为控制核心，采用vhdl语言硬件描述来实现远程的智能报警，结构和接口简单，工作可靠性高。
1系统原理和组成
系统组成框图如图1所示。系统由两部分组成：外围电路和cpld控制电路。外围电路包括检测电路、语音电路、dtmf拨号电路、摘机/挂机电路、时钟频率电路、电源电路。cpld控制电路包括电话信号音检测模块、双音多频信号dtmf收发时序模块和摘机/挂机控制模块。外围电路和cpld控制电路相协同来实现系统的报警。
图1 系统组成框图
系统工作原理：当有人非法进入室内时，检测电路中的传感器便采集到入侵信号，入侵信号会启动摘机/挂机控制模块控制摘挂机电路实现电话摘机。摘机后，电话信号音检测模块识别电话系统的状态是否处于可拨号状态。如果是，则dtmf收发时序模块控制dtmf拨号电路以双音频dtmf方式拨预定的电话号，语音电路播放所要报警的报警信息;否则，通过摘机/挂机控制模块控制挂机电路实现电话挂机，延时后再拨。
系统中检测、dtmf拨号、摘机/挂机等功能使用硬件电路来实现，电话语音识别、dtmf收发时序、摘机/挂机控制等功能使用软件编程来实现。
2系统外围电路
2.1检测电路
本系统采用热释电红外传感器p228进行探测［3］，检测电路如图2所示。当有人进入时，p288检测到的信号经c11高频滤波直接输入到放大器ic1进行低噪声、高稳定放大。当ic1输出电压高于ic2的基准电压时， ic2也输出高电平，驱动光电隔离器4n25导通，输出入侵信号en，作为报警系统的启动信号提供给主控电路。
图2 检测电路
2.2语音电路
语音电路用于录制和播放所要报警的语音信号或其他报警信息，相应信息可由用户预先设定并可随时修改。本系统中的语音电路选用语音录放芯片 apr9600.录音时外部音频信号经芯片apr9600内部具有自动增益调节的话筒放大器放大，由内部滤波器和采样电路处理后存入专用快闪存储器 flash ram中。放音时芯片内部逻辑电路从flash ram中取出信号，经过一个低通滤波器送到功率放大器，然后经音频功率放大器放大后输送到电话线路上，电路如图3所示。
图3 语音电路
2.3 dtmf拨号电路和摘机/挂机电路
dtmf拨号电路是整个系统的关键部分，它的运行状态决定了系统的可靠性。本系统采用专用双音频解码集成芯片mt8880，mt8880是专门用于处理dtmf信号的专用集成电路，具有接收和发送该信号的双重功能，其电路如图4所示。mt8880以1、2脚in+、in-作为dtmf的输入端，对应内部一个差分放大器，可以双端输入，又可单端输入，本电路采用单端输入。8脚是dtmf信号的输出端，主控电路将预先存储的电话号码通过数据线d0～d3 送入mt8880内部的数据缓冲器，此时rs和r_w都是低电平，数据写入tdr，再通过内部线路处理，利用d/a变换，在电路选通cs=0时，从8脚输出标准的dtmf信号。mt8880输出的dtmf信号不能直接与电话线连接，因为36 v左右的电话线空载电压极易烧毁mt8880，故在它们之间通过一个放大器与电话线路相接，此放大器可以用运放也可以用分立电路，图4为分立电路。
图4 dtmf拨号电路及摘机/挂机电路
摘机/挂机电路主要由q1、q2、d1、r12构成，利用q1和q2的截止和饱和起到开关作用，从而实现摘机和挂机。
dtmf拨号电路和摘机/挂机电路的工作过程：当需要向电话网发送预先存储的电话号码时，pick=1，通过d1和r12使q1和q2处于饱和状态。从电话线tip和ring两端来的电压使q3和q4得到正常偏置处于放大状态，此时r_w=0.使mt8880的cs=0，芯片被选中，dtmf信号从mt8880的8脚输出，经过r14、c18送到q3的基极，经q3、q4的放大后从电话线路输出，此时发光管led点亮显示发送状态，平时非发送状态时，pick=0，q1、q2、q3、q4处于截至状态，cs=1，mt8880不能被选中，它的8脚内部电路处于高阻抗状态，电路与电话线隔离，不影响正常电话机的使用。接口电路由电话线电压供电，平时36 v左右，工作时为9 v. 2.4时钟频率电路时钟频率电路由555定时器和外接元件r3、rp1、c6构成多谐振荡器，脚2与脚6直接相连，如图5所示。电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，且不需要外接触发信号，利用电源通过r3、rp1向c6充电，以及c6通过rp1向放电端放电，使电路产生振荡，从而在输出端为主控电路提供 1.1 khz的时钟频率。
图5 时钟频率电路
3 cpld的系统设计和逻辑仿真
系统控制核心cpld的三个控制模块都是采用vhdl语言编程来实现的，其中电话信号音检测模块djf1用来检测公用电话网络传递的语音信号，摘机/挂机控制模块djf2用来控制摘机/挂机电路，实现电话的接通和关断，dtmf收发时序模块djf3控制dtmf拨号电路自动拨打预先设定好的电话号码。系统的主程序流程图如图7所示。
图6 电源电路
图7 程序流程图
系统的工作过程：当红外传感器检测到人体入侵信号en后，摘机/挂机控制模块启动并产生摘机信号pick，使摘机/挂机电路进行摘机。摘机后，dtmf收发时序模块将mt8880设置为呼叫处理模式。然后电话信号音检测模块通过对irq的计数判别电话音是否为拨号音。如果不是拨号音，则电话挂机，然后再摘机重拨。如果是拨号音，则mt8880设置为dtmf发送模式，同时mt8880拨打预置电话和发送语音报警信号。发出报警信息后延时，电话信号音检测模块检测电话音是否为回铃音。如果是，则延时挂机;如果不是，则挂机重拨。
cpld芯片采用的是altera公司的epm240芯片，该芯片具有片内存储器，系统掉电和复位后不用重新向芯片下载程序就能正常工作。系统设计完成后，对三个功能模块进行逻辑编译、逻辑综合及优化、逻辑布局布线、逻辑仿真，然后将生成的配置文件下载到cpld芯片。将功能模块进行时序仿真验证，仿真波形如图8所示，可以看到功能模块达到所期望的逻辑功能。
图8 cpld的仿真波形
4 小结
本文采用cpld控制核心实现了智能报警系统。由于利用eda技术进行系统设计，外围器件少、体积小、功耗低、可靠性高。通过修改vhdl源程序就可以增加一些新的功能，提高了设计的灵活性，具有较好的应用前景。
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系统组成框图如图1所示。系统由两部分组成：外围电路和cpld控制电路。外围电路包括检测电路、语音电路、dtmf拨号电路、摘机/挂机电路、时钟频率电路、电源电路。cpld控制电路包括电话信号音检测模块、双音多频信号dtmf收发时序模块和摘机/挂机控制模块。外围电路和cpld控制电路相协同来实现系统的报警。
图1 系统组成框图
系统工作原理：当有人非法进入室内时，检测电路中的传感器便采集到入侵信号，入侵信号会启动摘机/挂机控制模块控制摘挂机电路实现电话摘机。摘机后，电话信号音检测模块识别电话系统的状态是否处于可拨号状态。如果是，则dtmf收发时序模块控制dtmf拨号电路以双音频dtmf方式拨预定的电话号，语音电路播放所要报警的报警信息;否则，通过摘机/挂机控制模块控制挂机电路实现电话挂机，延时后再拨。
系统中检测、dtmf拨号、摘机/挂机等功能使用硬件电路来实现，电话语音识别、dtmf收发时序、摘机/挂机控制等功能使用软件编程来实现。
2系统外围电路
2.1检测电路
本系统采用热释电红外传感器p228进行探测［3］，检测电路如图2所示。当有人进入时，p288检测到的信号经c11高频滤波直接输入到放大器ic1进行低噪声、高稳定放大。当ic1输出电压高于ic2的基准电压时， ic2也输出高电平，驱动光电隔离器4n25导通，输出入侵信号en，作为报警系统的启动信号提供给主控电路。
图2 检测电路
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图3 语音电路
2.3 dtmf拨号电路和摘机/挂机电路
dtmf拨号电路是整个系统的关键部分，它的运行状态决定了系统的可靠性。本系统采用专用双音频解码集成芯片mt8880，mt8880是专门用于处理dtmf信号的专用集成电路，具有接收和发送该信号的双重功能，其电路如图4所示。mt8880以1、2脚in+、in-作为dtmf的输入端，对应内部一个差分放大器，可以双端输入，又可单端输入，本电路采用单端输入。8脚是dtmf信号的输出端，主控电路将预先存储的电话号码通过数据线d0～d3 送入mt8880内部的数据缓冲器，此时rs和r_w都是低电平，数据写入tdr，再通过内部线路处理，利用d/a变换，在电路选通cs=0时，从8脚输出标准的dtmf信号。mt8880输出的dtmf信号不能直接与电话线连接，因为36 v左右的电话线空载电压极易烧毁mt8880，故在它们之间通过一个放大器与电话线路相接，此放大器可以用运放也可以用分立电路，图4为分立电路。
图4 dtmf拨号电路及摘机/挂机电路
摘机/挂机电路主要由q1、q2、d1、r12构成，利用q1和q2的截止和饱和起到开关作用，从而实现摘机和挂机。
dtmf拨号电路和摘机/挂机电路的工作过程：当需要向电话网发送预先存储的电话号码时，pick=1，通过d1和r12使q1和q2处于饱和状态。从电话线tip和ring两端来的电压使q3和q4得到正常偏置处于放大状态，此时r_w=0.使mt8880的cs=0，芯片被选中，dtmf信号从mt8880的8脚输出，经过r14、c18送到q3的基极，经q3、q4的放大后从电话线路输出，此时发光管led点亮显示发送状态，平时非发送状态时，pick=0，q1、q2、q3、q4处于截至状态，cs=1，mt8880不能被选中，它的8脚内部电路处于高阻抗状态，电路与电话线隔离，不影响正常电话机的使用。接口电路由电话线电压供电，平时36 v左右，工作时为9 v. 2.4时钟频率电路时钟频率电路由555定时器和外接元件r3、rp1、c6构成多谐振荡器，脚2与脚6直接相连，如图5所示。电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，且不需要外接触发信号，利用电源通过r3、rp1向c6充电，以及c6通过rp1向放电端放电，使电路产生振荡，从而在输出端为主控电路提供 1.1 khz的时钟频率。
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图6 电源电路
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图8 cpld的仿真波形
4 小结
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