基于CPLD的智能撥號報(bào)警系統(tǒng)

李文江，呂 冬

（遼寧工程技術(shù)大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125105）

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生活水平的提高，個(gè)人安全和財(cái)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(bào)警系統(tǒng)?，F(xiàn)在的報(bào)警系統(tǒng)多數(shù)是以單片機(jī)作為主控制器,連線復(fù)雜,可靠性和穩(wěn)定性不高[1-2]。針對以上不足，本文利用EDA技術(shù)對報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)以CPLD芯片作為控制核心，采用VHDL語言硬件描述來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的智能報(bào)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(jī)/掛機(jī)電路、時(shí)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(shí)序模塊和摘機(jī)/掛機(jī)控制模塊。外圍電路和CPLD控制電路相協(xié)同來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的報(bào)警。

系統(tǒng)工作原理：當(dāng)有人非法進(jìn)入室內(nèi)時(shí)，檢測電路中的傳感器便采集到入侵信號，入侵信號會啟動(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)。摘機(jī)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(shí)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(bào)警的報(bào)警信息；否則，通過摘機(jī)/掛機(jī)控制模塊控制掛機(jī)電路實(shí)現(xiàn)電話掛機(jī)，延時(shí)后再撥。

系統(tǒng)中檢測、DTMF撥號、摘機(jī)/掛機(jī)等功能使用硬件電路來實(shí)現(xiàn)，電話語音識別、DTMF收發(fā)時(shí)序、摘機(jī)/掛機(jī)控制等功能使用軟件編程來實(shí)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(jìn)行探測[3]，檢測電路如圖2所示。當(dāng)有人進(jìn)入時(shí)，P288檢測到的信號經(jīng)C11高頻濾波直接輸入到放大器IC1進(jìn)行低噪聲、高穩(wěn)定放大。當(dāng)IC1輸出電壓高于IC2的基準(zhǔn)電壓時(shí),IC2也輸出高電平,驅(qū)動(dòng)光電隔離器4N25導(dǎo)通，輸出入侵信號EN，作為報(bào)警系統(tǒng)的啟動(dòng)信號提供給主控電路。

2.2 語音電路

語音電路用于錄制和播放所要報(bào)警的語音信號或其他報(bào)警信息，相應(yīng)信息可由用戶預(yù)先設(shè)定并可隨時(shí)修改。本系統(tǒng)中的語音電路選用語音錄放芯片APR9600。錄音時(shí)外部音頻信號經(jīng)芯片APR9600內(nèi)部具有自動(dòng)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(shí)芯片內(nèi)部邏輯電路從Flash RAM中取出信號，經(jīng)過一個(gè)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。

2.3 DTMF撥號電路和摘機(jī)/掛機(jī)電路

DTMF撥號電路是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，它的運(yùn)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(gè)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(shí)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(shí)，從8腳輸出標(biāo)準(zhǔn)的DTMF信號。MT8880輸出的DTMF信號不能直接與電話線連接，因?yàn)?6 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(gè)放大器與電話線路相接，此放大器可以用運(yùn)放也可以用分立電路,圖4為分立電路。

摘機(jī)/掛機(jī)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(shí)現(xiàn)摘機(jī)和掛機(jī)。

DTMF撥號電路和摘機(jī)/掛機(jī)電路的工作過程：當(dāng)需要向電話網(wǎng)發(fā)送預(yù)先存儲的電話號碼時(shí)，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(shí)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(shí)發(fā)光管LED點(diǎn)亮顯示發(fā)送狀態(tài)，平時(shí)非發(fā)送狀態(tài)時(shí)，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?fàn)顟B(tài)，電路與電話線隔離，不影響正常電話機(jī)的使用。接口電路由電話線電壓供電，平時(shí)36 V左右，工作時(shí)為9 V。

2.4 時(shí)鐘頻率電路

時(shí)鐘頻率電路由555定時(shí)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(gè)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(shí)鐘頻率。

2.5 電源電路

系統(tǒng)中的5 V直流電由電源變壓器、橋式整流電路D1～D4、濾波電容 C1、防止自激電容 C2和一個(gè)穩(wěn)壓器7805提供，如圖6所示。220 V交流電通過變壓器變換成交流低壓，再經(jīng)過橋式整流電路D1～D4和濾波電容C1的整流和濾波，在穩(wěn)壓器7805的兩端形成所需直流電壓。

3 CPLD的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和邏輯仿真

系統(tǒng)控制核心CPLD的三個(gè)控制模塊都是采用VHDL語言編程來實(shí)現(xiàn)的[4-5]，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(jī)/掛機(jī)控制模塊DJF2用來控制摘機(jī)/掛機(jī)電路，實(shí)現(xiàn)電話的接通和關(guān)斷，DTMF收發(fā)時(shí)序模塊DJF3控制DTMF撥號電路自動(dòng)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。

系統(tǒng)的工作過程：當(dāng)紅外傳感器檢測到人體入侵信號EN后，摘機(jī)/掛機(jī)控制模塊啟動(dòng)并產(chǎn)生摘機(jī)信號PICK，使摘機(jī)/掛機(jī)電路進(jìn)行摘機(jī)。摘機(jī)后，DTMF收發(fā)時(shí)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(jì)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(jī)，然后再摘機(jī)重?fù)?。如果是撥號音，則MT8880設(shè)置為DTMF發(fā)送模式，同時(shí)MT8880撥打預(yù)置電話和發(fā)送語音報(bào)警信號。發(fā)出報(bào)警信息后延時(shí)，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(shí)掛機(jī)；如果不是，則掛機(jī)重?fù)堋?/p>

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(jì)完成后，對三個(gè)功能模塊進(jìn)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(jìn)行時(shí)序仿真驗(yàn)證，仿真波形如圖8所示，可以看到功能模塊達(dá)到所期望的邏輯功能。

本文采用CPLD控制核心實(shí)現(xiàn)了智能報(bào)警系統(tǒng)。由于利用EDA技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，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(jì)的靈活性，具有較好的應(yīng)用前景。

[1]蔣昊，李哲英，蔣大明.基于電話交換機(jī)的遠(yuǎn)程家電控制系統(tǒng)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2007，23（8-2）：267-269.

[2]謝輝，王體見，黃俊森.基于 HT46RU232單片機(jī)的智能家居電話遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2011，37（4）：117-121.

[3]陳書旺，張秀清.傳感器應(yīng)用及電路設(shè)計(jì)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[4]潘松，黃繼業(yè).EDA技術(shù)實(shí)用教程（第2版）[M].北京：科學(xué)出版社，2005.

[5]黃正謹(jǐn)，徐堅(jiān).CPLD系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)入門與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002.