1、 兰州工业高等专科学校 毕业设计（论文） 题目 基于 FPGA 的电话远程控制系统设计 系 别 电子信息工程系 专 业 通信技术 班 级 通信 09-2 班 姓 名 魏 亚 峰 学 号 200910103228 指导教师（职称） 吴守霞 (讲师 ) 日 期 2012.02.26 兰州工业 高等专科学校毕业论文 任务书 兰州工业高等专科学校 毕业设计（论文）任务书 电子信息工程 系 2012 届 通信技术 专业 毕业设计（论文）任务书 毕业设计（论文）题目 基于 FPGA 的电话远程控制系统设计 课题内容性质 工程设计 课题来源性质 教师收集的结合生产实际的课题 设计 /论文 校内（外）指导教师
2、 职 称 工作单位及部门 联系方式 吴守霞 讲师 兰州工业高等专科学校 15101204655 一、题目说明（目的和意义）： 随着社会的进步以及科技的进步，人们越来越期望科技能给人们带来更多的便捷。其中在家电领域，为了适应这种时代发展的潮流，家用电器的智能 化及可远程控制化越来越受到人们的关注。海尔前几年就提出了智能家居的概念，并且已经研制出了相关的产品。信息家电的产生和发展将对传统家电、计算机和通信业产生深远影响。 基于这样的背景，设计了一个电话远程控制系统，本系统可以利用家庭电话，使得用户可以通过电话控制与系统相连的电热水器、空调、电饭锅等各种受控电器的开、关及温度设定等，实现远程控制。
3、兰州工业高等专科学校毕业论文 任务书 三、进度表 日 期 内 容 2011 2012 学年第一学期 第十五周 第十六周 第十七周 第十八周 第十九周 第二十周 20112012 学年第二学期 第一周 第二周 查阅资料、总体 方案论证与选择 摘 / 挂机电路、 DTMF 解码电路基本原理及电路设计 EEPROM、语音提示电路设计 FPGA 电路设计 VHDL 程序设计 撰写论文 提交、修改论文 答辩 二、设计（论文）要求（工作量、内容）： 1.设计要求： 本设计完成基于公共电话通信网络实现远程控制的智能控制系统。本设计采用 FPGA 作为控制器，通过电话网络传输密码与 指令操作码，实现有用户权限
4、的远程操作。具有可配置性强，控制信号多，系统可靠稳定等特点。 2.设计内容： 本系统主要由以下几个部分组成： (1)铃流检测电路 : 负责检测电话呼叫铃流。判断是否摘机； (2)摘 / 挂机电路 : 负责电话机接通与挂断。实现系统与远程电话通信连接与断开； (3)DTMF 解码电路 : 负责对接收到的 DTMF 控制信号解码。并将解码数据传送至 FPGA； (4)EEPROM: 基于 SPI 协议的存储器，负责存储密码等用户信息； (5)语音提示电路 : 主要用来存储及播放语音以提示用户执 行相关操作； (6)FPGA: 本系统的控制核心，用来控制电话摘机，接收用户输入，控制语音播放等一系列操
5、作； (7)FPGA 配置芯片 : 用来对 FPGA 进行上电配置，因为 FPGA 是基于 RAM 的存储结构，数据掉电易失，所以采用基于 PROM 的 FPGA 配置芯片，在系统上电时，对 FPGA 进行配置。 兰州工业高等专科学校毕业论文 任务书 完成日期 答辩日期 四、主要参考文献、资料、设备和实习地点及翻译工作量： 1.EDA 技术实用教程 VHDL 版 潘松，黄继业 编著 科学出版社 出版时间： 2010-6-1 2.EDA 与数字系统设计案例实践 黄科 艾琼龙 李磊编著 清华大学出版社 出版日期： 2010-1 3.基于 Quartes 的 FPGA/CPLD 数字系统设计实例 周
6、润景 ， 图雅 ， 张丽敏 编著 电子工业出版社 出版时间： 2007-8-1 4.基于 FPGA 的电话远程控制系统设计 周毅，陆兆春，王龙伟编 北京工业大学集成电路设计与系统集成实验室 指导教师签字 教研室主任签字 主管系领导签字 年 月 日 年 月 日 年 月 日 注：本任务书要求一式两份，一份系部留存，一份报教务处实践教学科。 兰州工业高等专科学校毕业论文 摘 要 I 摘 要 随着科技发展 ，信息化愈发成为本世纪的发展方向。本文介绍一种基于公共电话通信网络实现远程控制的智能控制系统。本设计采用 作为控制器，通过电话网络传输密码与指令操作码，实现有用户权限的远程操作。具有可配置性强，控制
7、信号多，系统可靠稳定等特点。 如何将电话远程控制用于日常生活中正是本文所要研究的课题 ,本文设计了一种电话远程控制系统 ,该系统以 FPGA 和 DTMF 解码集成电路为核心，借助公共电话网络，通过电话实现对远程设备智能化控制。对“振铃检测、摘挂机控制、 DTMF 解码、语音提示及家用电器控制”等电路作了详细的说明。 用 户可通过任意一部手机 ,根据语音提示 ,可以对各种电器（如电饭锅、微波炉等电器）进行远程控制。 本装置适用于家庭、企事业单位、商店等场所 ,操作简单方便 ,系统性能可靠 ,是未来很有发展前景的科技产品 . 关键词： 远程控制；可编程逻辑阵列；用户权限 兰州工业高等专科学校毕业
8、论文 Abstract II Abstract Along with the development of science and technology. Information application has become the way of development in this century. This article describes a kind of intelligent remote control system based on public telephone network. This design use FPGA as controller. to realiz
9、e remote operation with user jurisdiction. This system uses public telephone network to transmit password and instruction operational code. It has the characteristics of being highly configurable.Controllable and reliable. This is our motive that how to make the long-distance control system based on
10、 telephone network used in our daily life. In this article a long-distance control system based on telephone network is designed. It can also be called intelligence control system. Depend on the network of telephone, some functions of the long-distance control system become true. In this article the
11、 compose of the control system and the principle about the long-distance control system are introduced. To meet the needs of long-distance and management of automation industry equipments based on network of communication. The system about long-distance control model and its architecture were put fo
12、rward, and operation principles of the system were discussed in detail. Key words: Remote Control; FPGA ; User jurisdiction 兰州工业高等专科学校毕业论文 目 录 III 目 录 第一章 绪 论 . 1 第二章 系统设计原理 . 2 2.1 硬件功能分析 . 2 第三章 系统硬件电路设计 . 5 3.1 铃流检测电路 . 5 3.2 摘 /挂机电路 . 6 3.3 DTMF 解码电路 . 7 3.3.1 DTMF 接受的频率标准 . 7 3.3.2 DTMF 接 受的时间序
13、列标准 . 8 3.3.3 DTMF 整体设计思想和方法 . 8 3.1 器件 EEPROM 的介绍 . 10 3.1.1 EEPROM 简介 . 10 3.1.2 常用串行 EEPROM 的简介 . 10 3.1.3 EEPROM 应用中出现问题以及处理的办法 . 11 3.2 FPGA 介绍 . 13 3.2.1 FPGA 的基本特点 . 15 3.2.2 FPGA 配置模式 . 16 3.2.3 I/O 信号分配 . 16 3.2.4 降低静态功耗简介 . 17 3.2.5 降低动态功耗 . 17 3.3 FPGA 配置芯片 . 17 3.3.1 FPGA 的配置方式 . 17 3.3.
14、3 主串模式 最常用的 FPGA 配置模式 . 19 第四章 系统工作 流程 . 21 结 束 语 . 24 致 谢 . 25 参考文献 . 26 兰州工业高等专科学校毕业论文 第一章 绪 论 1 第一章 绪 论 随着社会的进步以及科技的进步，人们越来越期望科技能给人们带来更多的便捷。其中在家电领域，为 了适应这种时代发展的潮流，家用电器的智能化及可远程控制化越来越受到人们的关注。海尔前几年就提出了智能家居的概念，并且已经研制出了相关的产品。信息家电的产生和发展将对传统家电、计算机和通信业产生深远影响。 电话属双工通信手段。因此，这可以大大体现出利用电话进行遥控的更大优越性。操作者可以通过各种
15、提示音即时了解受控对象的有关信息，从而进行进一步的操作。电话遥控这一课题目前已有涉足者，而距离实际应用，尤其是对于日常生活尚有一定的差距，并不能完全体现出电话遥控方式的双工通信特点。本次设计正是针对这一点进行了 较大改进，采取 FPGA 智能控制，利用不同的提示音达到对于不同操作的提示及对受控方状态的信息反馈，从而使操作者能够及时了解受控方信息，使产品达到交互式与智能化。本设计的各种电器接口、各项标准都严格遵循国家有关标准，为以后的产品化提供了良好的基础。设计为突出电话遥控的信息反馈功能，并使产品达到非常高性价比。故未对电话装置的其他功能进行进一步的扩展，而且所有使用的集成电路和其它元器件都尽
16、量选择廉价的。在该作品的基础上进行了功能扩展是很方便的。 基于无线寻呼的遥控方式利用了现有的寻呼频率资源，虽然遥控距离不受限制， 但可靠性差，如处于信号弱区域内的通信设备 ,就无法实现控制。长期以来 ,困扰遥控装置发展的关键问题，是如何实现远程电器设备可靠控制。基于 FPGA 的电话远程控制系统，借助公共电话网络，操作者可在语音提示下实现对远程设备的可靠控制。该装置具有可靠性高 ,不受传输距离限制 ,不占用频率资源等特点。适用于家庭、企事业单位、工业现场、商店等场所，利用手机或固定电话就能实现电器设备的控制和运行状态查询 . 基于这样的背景，本文设计了一个电话远程控制系统，本系统可以利用家庭电
17、话，使得用户可以通过电话控制与系统相连的电热水器 、空调、等各种受控电器的开、关及温度设定等，实现远程控制。 兰州工业高等专科学校毕业论文 第二章 系统设计原理 2 第二章 系统设计原理 2.1 硬件功能分析 本系统的硬件设计框图见图 2-1 所示。 电话输入 图 2-1 系统的硬件设计框图 系统设计可行性分析 根据电话远程控制系统的具体设计要求该系统必须满足以下功能： 通过电话网对异地的电器实现控制（开 /关）； 控制器可以实现自动模拟摘挂机； 控制器设置密码校验； 系统 必须具有以下单元功能模块： 铃音检测、计数； 自动摘挂机； 密码校验； 双音频信号解码； 输入信息分析； 控制电器开关；
18、 电器状态查询； 本设计以 FPGA 芯片为控制中心， 进行主要的信息处理，接收外部操作指令形成各种控制信号，并完成对于各种信息的记录；系统包括 振铃检测电路，摘挂机电路， DTMF 解码电路，以及语音提示电路等。 1）铃流检测电路 : 负责检测电话呼叫铃流。判断 是否摘机； 摘机电路 铃流检测 语音电路 DTMF解码 EEPROM FPGA FPGA配置芯片 兰州工业高等专科学校毕业论文 第二章 系统设计原理 3 2）摘 / 挂机电路 : 负责电话机接通与挂断。实现系统与远程电 话通信连接与断开； 3） DTMF 解码电路 : 负责对接收到的 DTMF 控制信号解码。并将解码数据传送至 FP
19、GA； 4） EEPROM: 基于 SPI 协议的存储器，负责存储密码等用户信息； 5）语音提示电路 : 主要用来存储及播放语音以提示用户执行相关操作； 6） FPGA: 本系统的控制核心，用来控制电话摘机，接收用户输入，控制语音播放等一系列操作； 7） FPGA 配置芯片 : 用来对 FPGA 进行上电配置，因为 FPGA 是基于 RAM 的存储结构，数据掉电易失，所以采用基于 PROM 的 FPGA 配置。 本装置使用普通电话机发出遥控命令信号，以 DTMF 信号作为运载遥控命令的媒体，而无需专门安装遥控发送装置，利用电话网络传送遥控命令或其他数字信息时，只需把接收装置安装在任何一个电话用
20、户线的终端，就可以接收任何地方只要电话能通达的地方的遥控操作或其他数字信息，接收装置就像一部普通电话机，传真机或其他电话用户终端设备一样被使用，因此不受距离的局限。 本装置并联于电话机的两端，不会影响到电话机的正常使用。用户通过异地的电话机拨通本装置所连接外线的电话号码，通过市局交换机向电话机发 出振铃信号。本装置如果检测到振铃 5次，即 5 次响铃后无人接，自动摘机，进入密码检测，输入正确后选择被控制电器，然后输入开或关进行遥控电器，完成后返回。 系统基本工作原理是：系统上电， FPGA 复位，系统开始工作，当电话线路中有振铃信号时，振铃检测电路将产生方波，方波从外部计数端输入，系统在程序控
21、制下进行计数，当振铃次数为 5 次时约 25 秒若没有人接电话，表明没有人在场，系统一方面，启动语音提示电路，发出“尊敬的用户，您好！欢迎您使用电话远程控制系统，请输入用户密码，并以 #字确认”；另一方面，发出自动摘机控制信号 ，外线经摘挂机控制的开关电路与DTMF 译码电路接通，译码电路将对外线传递的信号进行译码，译码信号以四位二进制形式输出。经译码输出的四位二进制数从 FPGA 的 I/O 口输入，控制器对读入的二进制数与预置于 EEPROM 的密码进行比较，如果所拨的密码与预置的相同，则发出“请输入操作码，并按 #字键加以确认”的提示音，如果所拨的密码与预置的不同，则发出“对不起，你拨的
22、密码不正确，请核对密码后重新输入，挂机请按 *字键确认”的提示音。系统只有接到正确的用户密码才具有操作权。以上操作即实行“模拟提机”接通电话。操作者在主叫 话机键盘上输入 4位密码，若密码输入正确，会在听筒里听到约 2秒的音乐声。按入遥控命令，按“ 1”，“ #”表示第一路开，按“ 1”，“ *”表示第一路关 .依次类推，每个操作命令结束时均能听到约 1 秒的音乐声作为确认信号。 操作完毕按入“ 0”，接收电路收到“ 0”这一信息后即“挂断”电话。 如果有人在默认的振铃次数之前接听电话，则不进入电话遥控状态，因此不影响电话的正常通话使用。 系统设计中的关键技术。在整个系统功能的实现中 ,利用 DTMF 解码器对用户通过电话
