【毕业论文】基于FPGA的电话计费器设计Word文档下载推荐.docx

1、Keyword：telephone card account; FPGA; Verilog HDL; Quartus II目录第一章绪论11.1 课题背景11.1.1 我国公用电话的发展历程11.1.2 公用电话的要求21.2 课题研究内容3第二章FPGA 简介42.1 FPGA 概述42.2 FPGA 的基本结构42.3 FPGA 的特点42.4 FPGA 的配置模式52.5 FPGA 的优点62.6 FPGA 的应用62.6.1 电路设计中 FPGA 的应用62.6.2 产品设计中 FPGA 的应用62.6.3 系统设计中 FPGA 的应用7第三章总体设计方案83.1 电话计费系统设计要求

2、83.1 系统组成框图8第四章单元设计114.1 Quartus II 简介114.1.1 Quartus II 特点114.1.2 Quartus II 设计流程114.2 Verilog HDL 语言124.2.1 Verilog HDL 的发展和应用情况简介124.2.2 基本结构134.2.3 设计流程134.2.3 Verilog 的三种不同建模方式144.3 电路设计154.3.1 电话计费控制设计154.3.2 显示设计174.3.3 报警设计184.3.4 功能电路图19第五章仿真结果215.1 系统仿真215.1.1 市话仿真225.1.2 长话仿真245.1.3 特殊电话仿

3、真26结束语28致谢29参考文献30附录 A31第一章绪论1.1 课题背景在商品经济的大潮中, 人们对电话的需求日益增长, 大力发展公用电话, 以满足流动人员办理业务、BP 机用户回电话的需要. 在公用电话业务发展中, 由于诸多原因, 计费不准现象困扰着公话管理人员,同时由于公用电话业主人员的社会背景复杂, 管理也较混乱, 多收、错收、乱收费的现象时有发生, 严重影响了电信局在用户中的形象。1.1.1 我国公用电话的发展历程随着我国电信事业的高速发展，我国的公用电话业务量也迅速增加。在技术上，近十年里，我国公用电话经历了电话计费器、投币电话、磁卡电话、IC卡电话以及智能公话等多种形态，基本实现

4、了从有人值守到无人值守方式的过渡。电话计费器是一种用于有人值守的公用电话计费装置，是最早在全国得到普及的公用电话设备，它的主要特点是投入少，发展业务方便。1995年，原邮电部发布了集中管理公用电话计费器技术要求，通过管理系统对电话计费器的资费实行集中管理，解决了在单机上可以修改资费引起的乱收费现象。这种有人值守方式对我国早期的公用电话发展起了很大的作用，现在我国大约还有150万部采用电话计费器的公用电话。磁卡公用电话是最早在我国使用的无人值守卡式公用电话，由于设备昂贵、磁卡防伪性能差、维修成本高、难度大、资费修改不方便等原因，在我国的使用南京邮电大学通达学院 2010 届本科生毕业设计（论文）

5、时间很短，数量也不太多。事实也证明这种方式不适合中国国情，现已被淘汰。1996 年，原邮电部发布了IC卡公用电话及管理系统技术要求（红皮书），并开始大力发展IC卡公用电话。电话IC卡是一种带集成电路芯片的电话卡， 话费余额存在芯片上，可以在全国范围内漫游，使用分方便。从1996 年到现在， IC 卡公用电话的装机量超过了130 万部，IC 卡销售额超过200 亿元。IC卡公用电话极大地方便了群众生活，经济效益和社会效益都很好。公用电话成为电信企业重要的收入来源之一1。由于IC卡公用电话在管理和结算等方面存在一些问题，而且在防盗打方面也存在某些缺陷，部分区市开始利用智能网的电话卡功能实现公用电话

6、业务。采用IC卡电话机或专用电话机，自动发送记账电话卡（如201电话卡）上存储的账号和密码，使用者不用输入电话卡的账号，使用比较方便。长期以来，公用电话由中国网通和中国电信经营，随着我国多家电信运营商局面的形成，更多的运营公司开始对这一业务感兴趣。这些后起的电信营运企业均充分认识到，尽管随着公用电话数量的增加以及移动通信的迅猛发展，公用电话的话费收入增长有所减缓，公用电话仍然是我国使用效率最高、收益最好的通信业务之一，有着巨大的发展潜力。1.1.2 公用电话的要求随着两条电话线送出的信电话普及率的提高和无线通信的迅速发展，从表面 上看公用电话市场似乎受到很大的制约。美国、欧洲已经呈现出这种趋势

7、。但我 国的国情有很大的不同，第一，在美国有二百多万部公用电话（以投币电话为主）45，差不多占美国人口的1，而在我国各种形式的公用电话总量也不过300万部400万部。我国人口多，无论从公用电话占人口的比例还是与电话普及率相比来讲，发展潜力还很大。第二，我国与西方国家的经济发展水平有很大的差距， 西方发达国家个人收入的分布呈橄榄形，有大量的中产阶级，使用移动电话对他 们来说只是生活习惯问题，没有任何经济压力；我国是发展中国家，个人收入是 明显的金字塔形结构，中低收入人群占全国人口的多数，这些不经常使用电话通 信的人群将是公用电话的巨大的潜在用户。随着我国国民经济的快速增长、农村 人口的逐步城市化

8、、交通和旅游事业的不断发展，这部分数量巨大的人群将源源 不断地转化为公用电话市场的现实用户，公用通信业务的发展应该说方兴未艾。公用电话是中国网通的一个重要的、具有绝对竞争优势的业务品种，应当充 分提高已有的各类资源的使用效率，使公用电话业务的营运效益得到进一步提高， 成为各项通信业务中的聚宝盆。首先，应进一步巩固和发展成熟的公用电话业务，抓好IC卡业务的管理， 努力开发市场，合理布局。因为中国网通的IC卡公用电话市场普及率已达到相当程度，已经是一项成熟的业务，是中国网通的巨大资源。智能公话，利用智能网的电话卡功能实现公用电话业务，目前，可以作为公用电话的一种补充形式，用于一些特定区域的场所，如

9、：学校，大型的劳动密集型企业等，今后的发展尚有很大的潜力。智能网提供电话卡业务本已是一项成熟的业务，在任何一部带双音多频拨号的普通电话上都可以使用智能电话卡打电话。除此之外，智能网还可以提供和开展很多新业务，因此，在智能网上实现通信量巨大的公用通信业务是否会影响智能网其他业务的发展还有待进行深入的研究。其次，努力实现公用电话费用支付方式的多样化。公用电话是一种公用的通信工具，多种的支付方式可以使需要用公用电话的人能更方便地使用。再次，由于通信业的拆分和重组，各省已发行本地卡，使原IC卡可全国通用的优势不复存在。因此，应该尽快对现有的IC卡公用电话进行改造，发行带安全算法的IC卡， 便于南北公司

10、之间的结算，同时要使现有的IC卡电话适合智能网电话卡的自动拨号流程。通过使用带安全算法的新一代IC卡，使各省之间结算的及时率和准确率提高，使IC卡电话的发展进入良性循环的轨道。最后，适时发展多媒体、多业务的公用通信业务。随着科学技术的快速发展， 特别是互联网的迅速发展，人类进入了信息时代。因此，对电话计费器需求越来越多,卡式电话计费器就是其中之一。在这种情况下, 各种型号的电话计费器应运而生, 蓬勃发展起来。1.2 课题研究内容IC卡公用电话近几年在我国得到迅速普及，属于国家强制检定的贸易结算计量器具。其计费器就是提高电话使用效率的有效手段。通常的公用电话计费器要求电话线路在电话接通时提供一个

11、反极性信号,用以触发计时电路开始工作。本文研究用可编程逻辑芯片FPGA实现电话计费器的计时计费。计费器具有计时计费准确,工作可靠,线路简单,制作容易, 成本低廉等特点。设计要求如下:（1） “话卡插入”和“电话接通”信号用按键模拟。（2） 电话局反馈输入的话务种类信号分区内电话、长途电话和特种电话3种，也可按键模拟。（3） 话费单价为区内电话每分钟3角；长途电话每分钟6角；特种电话不计费。（4） 话卡币值信息存储在RAM中，当“话卡插入”信号有效后，计费器读出并以3位十进制显示卡值余额，显示范围为00.050.0元，当“电话接通”信号有效后，计费器根据话务单价按通话时间扣除卡值余额，并且每分钟

12、刷新一次余额显示。（5） 通话过程中若余额不足一分钟时提出告警提示，告警信号每次一秒、间隔一秒、一分钟后发出切断电话信号（用发光二极管模拟）。第二章FPGA 简介2.1 FPGA 概述FPGA 是英文 Field Programmable Gate Array 的缩写，即现场可编程门阵列，它是在可编程阵列逻辑 PAL（ProgrammableArrayLogic）、门阵列逻辑GAL（Gate Array Logic）、可编程逻辑器件 PLD（Programmable Logic Device）等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路ASIC（Application Speci

13、fic Integrated Circuit）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA 能完成任何数字器件的功能，上至高性能 CPU,下至简单的 74 系列电路， 都可以用 FPGA 来实现。FPGA 如同一张白纸或是一堆积木，工程师可以通过传统的原理图输入法，或是硬件描述语言自由设计一个数字系统。通过软件仿真， 我们可以事先验证设计的正确性。在 PCB 完成以后，还可以利用 FPGA 的在线修改能力，随时修改设计而不必改动硬件电路。使用 FPGA 来开发数字电路，可以大大缩短设计时间，减少 PCB 面积，提高系统的可靠性。PL

14、D 的这些优点使得 PLD 技术在 90 年代以后得到飞速的发展，同时也大大推动了电子设计自动化EDA 软件和硬件描述语言 VHDL 的进步2。2.2 FPGA 的基本结构FPGA 在结构上包类可编程资源：可编程逻辑功能采用了逻辑模块CLB（Configurable Logic Block），可编程 I/O 快（ Input Output Block）和可编程互连 IR（Interconnect Resource）。可编程逻辑功能模块是实现用户功能的基本单元，他们通常排列成一个阵列，散步于 整个芯片：可编程 I/O 块， 完成芯片上逻辑与外部封装脚的接口，常阵列于芯片四周，可编程内部互连包 括

15、各种长度的线段和编程连接开关，它们将各个可编程逻辑块或I/O 快连接起来，构成特定功能的电路。不 同厂家生产的 FPGA 在可编程逻辑块的规模、内部互连线的结构和采用的可编程元件上存在较大的差异。较常用的是Xilinx 和 Altera 公司的 FPGA 器件。常见 FPGA 的结构主要有：查找表结构、多路开关结构、多级与非门结构 。2.3 FPGA 的特点FPGA 具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围宽等特点。兼容了 PLD 和通用门阵列的优点，可实现较大规模的电路，编程也很灵活。与门阵列等其它 ASIC 相比，它又具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、标准产品无需测

16、试、质量稳定以及可实时在线检验等优点，因此被广泛应用于产品的原型设计和产品生产（一般在 10,000 件以下）之中。几乎所有应用门阵列、PLD 和中小规模通用数字集成电路的场合均可应用 FPGA。FPGA 的基本特点主要有：一是采用 FPGA 设计 ASIC 电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。二是 FPGA 可做其它全定制或半定制 ASIC 电路的中试样片。三是 FPGA 内部有丰富的触发器和 I/O 引脚。四是 FPGA 是 ASIC 电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。五是 FPGA 采用高速 CHMOS 工艺，功耗低，可以与 CMOS、TTL 电平兼容。可以

17、说，FPGA 芯片是小批量系统提高系统集成度、可*性的最佳选择之一。目前 FPGA 的品种很多，有 XILINX 的 XC 系列、TI 公司的 TPC 系列、ALTERA 公司的 FIEX 系列等。FPGA 是由存放在片内 RAM 中的程序来设置其工作状态的， 因此，工作时需要对片内的 RAM 进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。加电时，FPGA 芯片将 EPROM 中数据读入片内编程 RAM中，配置完成后，FPGA 进入工作状态。掉电后，FPGA 恢复成白片，内部逻辑 关系消失，因此，FPGA 能够反复使用。FPGA 的编程无须专用的 FPGA 编程器， 只须用通用的

18、EPROM、PROM 编程器即可。当需要修改 FPGA 功能时，只需换一片 EPROM 即可。这样，同一片 FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。因此，FPGA 的使用非常灵活。2.4 FPGA 的配置模式FPGA 有多种配置模式：并行主模式为一片 FPGA 加一片 EPROM 的方式； 主从模式可以支持一片 PROM 编程多片 FPGA；串行模式可以采用串行 PROM编程 FPGA；外设模式可以将 FPGA 作为微处理器的外设，由微处理器对其编程。如何实现快速的时序收敛、降低功耗和成本、优化时钟管理并降低 FPGA 与PCB 并行设计的复杂性等问题，一直是采用 FPGA 的系统设

19、计工程师需要考虑的关键问题。如今，随着 FPGA 向更高密度、更大容量、更低功耗和集成更多 IP 的方向发展，系统设计工程师在从这些优异性能获益的同时，不得不面对由于FPGA 前所未有的性能和能力水平而带来的新的设计挑战。例如，领先 FPGA 厂商 Xilinx 最近推出的 Virtex-5 系列采用 65nm 工艺，可提供高达 33 万个逻辑单元、1,200 个 I/O 和大量硬 IP 块。超大容量和密度使复杂的布线变得更加不可预测，由此带来更严重的时序收敛问题。此外，针对不同应用而集成的更多数量的逻辑功能、DSP、嵌入式处理和接口模块，也让时钟管理和电压分配问题变得更加困难。幸运地是，FP

20、GA 厂商、EDA 工具供应商正在通力合作解决 65nmFPGA 独特的设计挑战。不久以前，Synplicity 与 Xilinx 宣布成立超大容量时序收敛联合工作小组，旨在最大程度帮助地系统设计工程师以更快、更高效的方式应用 65nm FPGA 器件。设计软件供应商 Magma 推出的综合工具 BlastFPGA 能帮助建立优化的布局，加快时序的收敛。最近 FPGA 的配置方式已经多元化！2.5 FPGA 的优点FPGA 芯片都是特殊的 ASIC 芯片，除了具有 ASIC 的特点之外，还具有以下3 个优点：1、随着超大规模集成电路（VLSI，Very Large Scale IC）工艺的不断

21、提高， 单一芯片内部可以容纳上百万个晶体管，FPGACPLD 芯片的规模也越来越大， 其单片逻辑门数已达到上百万门，它所能实现的功能也越来越强，同时也可以实现系统集成。2、FPGACPLD 芯片在出厂之前都做过百分之百的测试，不需要设计人员承担投片风险和费用，设计人员只需在自己的实验室里就可以通过相关的软硬件环境来完成芯片的最终功能设计。所以，FPGACPLD 的资金投入小，节省了许多潜在的花费。3、用户可以反复地编程、擦除、使用或者在外围电路不动的情况下用不同的软件实现不同的功能。所以，用 FPGAiCPLD 试制样片，能以最快的速度占领市场。FPGACPLD 软件包中有各种输入工具和仿真工

22、具及版图设计工具和编程器等全线产品，电路设计人员在很短的时间内就可完成电路的输入、编译、优化、仿真，直至最后芯片的制作。当电路有少量改动时，更能显示出 FPGACPLD的优势。电路设计人员使用 FPGACPLD 进行电路设计时，不需要具备专门的IC（集成电路）深层次的知识，FPGACPLD 软件易学易用，可以使设计人员更能集中精力进行电路设计，快速将产品推向市场3。2.6 FPGA 的应用FPGA 的应用可分为三个层面：电路设计，产品设计，系统设计。2.6.1 电路设计中 FPGA 的应用连接逻辑，控制逻辑是 FPGA 早期发挥作用比较大的领域也是 FPGA 应用的基石。事实上在电路设计中应用

23、 FPGA 的难度还是比较大的这要求开发者要具备相应的硬件知识（电路知识）和软件应用能力（开发工具）这方面的人才总是紧缺的，往往都从事新技术，新产品的开发成功的产品将变成市场主流基础产品供产品设计者应用在不远的将来，通用和专用 IP 的设计将成为一个热门行业！搞电路设计的前提是必须要具备一定的硬件知识。在这个层面，干重于学，当然，快速入门是很重要的，越好的位子越不等人电路开发是黄金饭碗。2.6.2 产品设计中 FPGA 的应用把相对成熟的技术应用到某些特定领域如通讯，视频，信息处理等等开发出满足行业需要并能被行业客户接受的产品这方面主要是 FPGA 技术和专业技术的结合问题，另外还有就是与专业

24、客户的界面问题产品设计还包括专业工具类产品及民用产品，前者重点在性能，后者对价格敏感产品设计以实现产品功能为主要目的，FPGA 技术是一个实现手段在这个领域，FPGA 因为具备接口，控制，功能 IP，内嵌 CPU 等特点有条件实现一个构造简单，固化程度高，功能全面的系统产品设计将是 FPGA 技术应用最广大的市场，具有极大的爆发性的需求空间产品设计对技术人员的要求比较高，路途也比较漫长不过现在整个行业正处在组建“首发团队”的状态，只要加入，前途光明产品设计是一种职业发展方向定位， 不是简单的爱好就能做到的！产品设计领域会造就大量的企业和企业家，是一个近期的发展热点和机遇4。2.6.3 系统设计

25、中 FPGA 的应用系统级的应用是 FPGA 与传统的计算机技术结合，实现一种 FPGA 版的计算机系统如用 XilinxV-4, V-5 系列的 FPGA，实现内嵌 POWER PC CPU, 然后再配合各种外围功能，实现一个基本环境，在这个平台上跑 LINIX 等系统这个系统也就支持各种标准外设和功能接口（如图像接口）了这对于快速构成 FPGA 大型系统来讲是很有帮助的。这种山寨味很浓的系统早期优势不一定很明显，类似 ARM 系统的境况但若能慢慢发挥出 FPGA 的优势，逐渐实现一些特色系统也是一种发展方向。若在系统级应用中，开发人员不具备系统的扩充开发能力，只是搞搞编程是没什么意义的，当

26、然设备驱动程序的开发是另一种情况，搞系统级应用看似起点高，但不具备深层开发能力，很可能会变成爱好者，就如很多人会做网页，但不能称作会编程类似以上是几点个人开发，希望能帮助想学 FPGA 但很茫然无措的人理一理思路。这是一个不错的行业，有很好的个人成功机会。但也肯定是一个竞争很激烈的行业，关键看的就是速度和深度当然还有市场适应能力5。第三章总体设计方案3.1 电话计费系统设计要求电话计费器系统是企、事业单位信息管理一个重要组成部分。现在各种自动计费电话机中,计费系统也是它的一个重要组成部分。我们下面针对卡式电话机为例, 给出设计要求和内容。设计内容与要求如下:1. 能够读出并以3位十进制显示卡值

27、余额，显示范围为00.050.0元，计费器根据话 务单价按通话时间扣除卡值余额，并且每分钟刷新一次余额显示2. 能根据打电话的种类和通话时间进行金额的扣除: 话费单价为区内电话每分钟3角；3. 能进行余额不足的报警: 市话低于0.3元报警;长途低于0.6元报警, 并且告警信号每次一秒、间隔一秒、一分钟后发出切断电话信号（用发光二极管模拟）。因为在设计中只对电话机的计费系统进行设计,而没有涉及到电话通话的信令过程。因此通话类型必须由外部输入。“话卡插入”和“电话接通”信号用按键模拟。3.1 系统组成框图卡式电话计费器的计费一般过程为:用户插入电话卡-整个系统开始运行- 显示上次卡内的余额。因为没有接收号器,系统无法知道用户是哪种通话类型。因此我们这里是由外部输入类型, 系统判断通话类型是:市话、长途、特殊电话。若是选择通话, 计费系统将话费余额与所选取的通话类型计费率进行比较。如果话费余额小于费率值, 则禁止通话且报警提示; 如果话费余额大于等于通话二分钟门限, 是正常通话状态, 如果话费余额大于等于费率值并且小于通话二分钟门限, 则进入通话报警状态, 表示通话时间不足一分钟； 通话报警灯亮, 通话指示灯闪烁且声音报警。图3-1根据电话计费器的工作过程, 本系统采用分层次化、分模块的方式设计, 本系统设计的系统组成框图如图3-1所示。包括三个模块: