1、本科毕业论文（20 届）基于 FPGA 的卡式电话计费器设计所在学院 专业班级 通信工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I摘 要卡式电话计费器在现实生活中十分实用，源于此背景，以硬件描述语言表达设计意图，以 Quartus II 为集成开发环境，以 FPGA 为硬件设计平台对卡式电话计费器展开设计，分五个部分进行说明。第一部分先是介绍了我国电话的发展历史和目前对于电话的研究领域和未来的电话形式。第二部分说明了电子设计技术的发展、FPGA 的含义、发展潜力及其优势，并对实验系统的特点和各模块的原理进行了阐述。第三部分从 VHDL和 Verilog HDL 这两种硬件描述语言的
2、发展历史着手，介绍了这两种语言的特点并作了比较。第四部分则对 Quartus II 的特点进行了简要介绍。第五部分从设计要求入手，对卡式电话计费器的实现原理、模块设计、仿真、下载测试进行了详细介绍。通过设置卡式电话计费器的初始金额，可进行市话、长话和特话三种通话模式，分别根据相应的计费模式控制通话、计费、告警和切断。关键词：FPGA ；VHDL 和 Verilog HDL ；Quartus II；卡式电话计费器 IIAbstractA card telephone billing is very practical in real life, from the background, expr
3、essing design intent with the hardware description language, using the Quartus II as integrated development environment ,based on FPGA which is hardware design platform ,I designed the card telephone billing . This paper is divided into five parts to describe it.The first part introduces the develop
4、ment history of Chinese telephone and current research and future for telephone. The second part describes the development of electronic design technology, the meaning and advantages of FPGA, and the potential development. The part also introduce the characteristics of the experimental system and th
5、e principle of its modules. The third part describes the history of VHDL and Verilog HDL the two hardware description languages firstly, then introduces the characteristics of them, and compares them. In the fourth part, the characteristics of Quartus II are briefly introduced. In the fifth part, ac
6、cording to the design requirements of the card telephone billing implementation principle, module design, simulation and download the test are introduced in detail.By setting the initial amount of card telephone billing, people can communicate by the telephone in three calls mode such as local, long
7、-distance and special calls. According to the corresponding charging mode, it control calls, billing, warning and cutting off.Keywords: FPGA, VHDL and Verilog HDL, Quartus II, card telephone billingIII目录第 1 章 绪论 .11.1 课题研究的背景及意义 .11.1.1 我国电话的发展历程 .11.1.2 课题研究的实际意义 .11.2 国内外有关公用电话的研究 .21.3 综述与分析 .2第
8、2 章 基础知识 .32.1 FPGA 简介 .32.1.1 电子设计技术的发展 .32.1.2 FPGA 概述 .32.1.3 FPGA 的发展潜力 .32.1.4 FPGA 的优势 .42.2 ZY11EDA13BE 实验系统简介 .52.2.1 ZY11EDA13BE 实验系统特点 .52.2.2 ZY11EDA13BE 实验系统各功能模块介绍 .52.3 硬件描述语言 .112.3.1 硬件描述语言简介 .112.3.2 VHDL .122.3.3 Verilog HDL.122.3.4 VHDL 和 Verilog HDL 的比较 .122.4 集成开发环境 .122.4.1 Qua
9、rtus II 简介 .122.4.2 Quartus II 的特点 .132.5 本章小结 .13第 3 章 卡式电话计费器的设计 .143.1 卡式电话计费器设计要求 .143.2 卡式电话计费器实现原理 .143.3 各个模块的设计 .153.3.1 分频模块 .153.3.2 计时计费模块 .153.3.3 动态扫描及位选模块 .173.3.4 译码模块 .173.4 顶层图形文件的设计及仿真 .183.5 实验箱资源分配与下载测试 .203.5.1 管教分配： .203.5.2 实验箱设置 .213.5.3 实验结果 .223.6 本章小结 .30结论 .31参考文献 .32致谢 .
10、33基于 FPGA 的卡式电话计费器1基于 FPGA 的卡式电话计费器设计第 1 章 绪论1.1 课题研究的背景及意义1.1.1 我国电话的发展历程随着我国电信事业的高速发展，电话业务量也迅猛增加。公用电话分为有人值守和无人值守方式，近十年里经历了多种发展阶段。 电话计费器的投入较少，发展业务相对，属于有人值守方式，是一款在全国得到推广的电话计费装置。1995 年，原邮电部对电话计费器进行集中管理，解决了乱收费现象。在我国公用电话史上发挥了重要作用，目前我国仍有数以百万采用电话计费器的公用电话。其中无人值守式要数磁卡电话了，用磁卡代替现金支付并控制通话和计费是当时公用电话的一种全新模式，其方便
11、快捷、准确公正得到人们的追捧和喜爱。然而由于人们对科技的追求，磁卡电话也暴露的多种弊端，使其渐渐被人们摒弃。取而代之的是 IC 卡，逐渐成为主占市场的一种新型电话卡，极大地方便了群众生活，带来了较好的经济效益和社会效益。后来由于 IC 卡公用电话存在的一些问题，智能公话开始被广泛使用，使用者无需输入电话卡账号，使用起来十分方便。1.1.2 课题研究的实际意义公用电话设置在居民住宅区、街道、公路以及乡镇，经电信公司许可并收取规定费用的电话设施。公用电话极大地方便了人们的通信交流和办事效率，为经济建设的推动和生活水平的提高做出了不饿磨灭的贡献。改革开放以来，落后的通信网络阻碍了我国的经济发展，为使
12、经济更好更快地发展，我国政府对基础电信设施建设不遗余力，为我们现在的发达的通信网络树立了坚实的基础。公用电话在我国的迅速发展并取得了显著成果，反映了我国对通信网络改革的决心，改善了数千万人乃至家庭的生活和远距离通信，提升了居民的幸福指数。基于 FPGA 的卡式电话计费器2随着移动通信的迅猛发展，虽然近年来移动电话相比公话拥有更高市场占有率，但是公用电话的高使用率和高收益，仍具有被普遍认可的发展实力。特别是对于新型公话技术的研究，人们发现公话仍具有很大的开发空间。1.2 国内外有关公用电话的研究多媒体公用电话具有的巨大发展潜力，而其本身拓展了公用电话的业务空间，成为目前公用电话研究的主流。它不再
13、是普通的公用电话，而是集拨打电话、上网、娱乐于一体的新型通信平台。多媒体公用电话目前可以用于机场、火车站的旅客休息区附近，为旅客提供更好的休闲娱乐服务。随着社会的不断发展，多媒体公话是未来公共区域不可缺失的公共设施，除了满足人们的通信需求，还可以提供天气、地图及交通路线查询等实用信息。1.3 综述与分析由于商品经济的迅猛发展，人们相互间的感情和信息交流非常重要且迫切，对电话的需求越来越多，因此卡式电话计费器在现实生活中十分实用，源于此背景，本文基于 FPGA 对卡式电话计费器进行设计。本电路由四个模块组成，分别是分频模块、计时计费模块、动态扫描及位选模块、译码显示。其中核心模块是计时计费模块，
14、可以实现读卡、写卡、设置余额、计费、计时、告警、切断等功能。分频模块是将实验箱的 1024Hz 系统时钟分频成 4Hz，输入到计时计费子模块，而 1024Hz 驱动扬声器发声。在 account.v中，首先采用 assign 语句和条件运算符实现：只要电话卡一插入，则显示卡内余额，并产生读卡信号（高电平） ；否则不显示卡内余额，读卡信号变为低电平。再由四个 always 模块分别实现产生分时钟 min_clk、计时 disptime、设置余额dispmoney 及计费、产生告警 warn 信号以及切断 cut 信号的功能。基于 FPGA 的卡式电话计费器3第 2 章 基础知识2.1 FPGA
15、简介2.1.1 电子设计技术的发展不同阶段的电子器件，设计技术也不断变化。在电子管、晶体管、中小规模集成电路这三个阶段，设计技术的变化较少，人们在利用器件生产设计产品时，虽然使用的工具和方法不同，但基本思路一致，即首先要根据功能来设计原理图，再由原理图设计印刷电路板，最后安装元器件，进行调试，看功能是否符合要求。电子管时代，熟知电子管的性能和设计要点即可；晶体管时代，要了解熟悉电路作用、搭建以及调试的方法；集成电路实现以后，则要了解熟悉 IC 引脚的作用和功能。随着设计工具的发展，设计工程师从最初的草稿图逐渐发展到软件助设计，而随着可编程逻辑器件 CPLD/FPGA 的产生，特别是基于 FPG
16、A 的迅猛发展，传统的设计方法以及不再能满足如今复杂的电路设计，因此电子设计思路急需变革从而符合电路设计的发展。许多以前由分立器件完成的功能如今都能由可编程领域实现，未来设计工程师不仅要设计硬件电路，更要熟悉像 IC 设计语言等硬件描述语言。另外，接口、EDA 设计方法、 DSP、算法等也是作为一名合格的电子工程师所必须熟知的。2.1.2 FPGA 概述FPGA（Field Programmable Gate Array ）翻译过来就是“现场可编程门阵列” ，即“可反复编程的逻辑器件” 。 可编程逻辑器件自上世纪 70 年代以来，经历了PLA、 PAL、 GAL、CPLD/FPGA 这些发展阶
17、段。而 CPLD/FPGA 具有的可编程的特点，电子设计者可以设计出专用 IC，从而使系统集成，显著加快设计进程和上市时间，减少研究成本。由于其具有在线动态重构性，工程师能够对设计进行修改并且产品升级也变得简单，极大提高了电子系统的灵活性和通用能力。2.1.3 FPGA 的发展潜力FPGA 的不断创新为 FPGA 设计人员提升了极大设计灵活度和更多设计选择。随着 FPGA 复杂度的不断提升，设计的实现也变得越来越复杂。近年来，在基于 FPGA 的卡式电话计费器4FPGA 中集成了增强的 DSP 单元，高性能的嵌入式处理器核，高速 I/O 口以及扩展的相关配置选项，这些改进扩展了 FPGA 器件
18、的应用范围。另外，由于 FPGA设计工具集的不断改进和提升，FPGA 设计人员的要求有所提高，比如在众多新开发领域的技术培训，才能跟上快速发展的 FPGA 的步伐。2.1.4 FPGA 的优势对 FPGA 进行评估时，应考虑以下设计特性：(1) 设计固定性设计时是否需要修改用于更新功能？(2) 进度要求实现项目功能的时间是多少？(3) 性能使用 FPGA 是否能完成要求的功能？(4) 物理约束项目的产品限制、功耗要求？对芯片的大小有何规定？(5) 成本包括工具、培训、NRE 费用等(6) 可用性能进行量产吗？可以用某些固定功能的器件代替吗？对于要求进度很快的设计，可以使用 FPGA。在加速的
19、FPGA 开发流程中，对于 FPGA 的设计方案无必在产品 PCB 开始生产之前提交，也就是增多了设计时间，这在项目进度的安排上占有很大优势。并且当产品交付给客户后，还能对其进行远程更新，这是因为 FPGA 的所有 I/O 接口都可以灵活配置以实现各种不同的协议标准。即便对于要求仍未完全确定好的设计，同样也非常适合 FPGA，因为设计全程都能对 FPGA 进行修改和更新。FPGA 可以在 PCB 上进行设计开发，当电路板量产时，可以进一步完善设计细节，从而缩短产品的上市时间。FPGA 的三大特点和优势归纳如下：(1) 灵活性 可重编程； 易于维护，方便移植、升级、或扩展； 成本低，产品实现时间
20、少； I/O 接口灵活配置。(2) 并行性 速度快，带宽高； 能进行实时处理。(3) 集成性基于 FPGA 的卡式电话计费器5 支持多种接口协议； 可将多个外部终端负载整合到 FPGA 中，降低 BOM 成本； 减少 PCB 布局和验证次数； 减少板级走向，降低布局布线难度。2.2 ZY11EDA13BE 实验系统简介2.2.1 ZY11EDA13BE 实验系统特点(1) 采用主板 A+适配板 B+扩展板 C 的结构主板包括核心芯片 A(EP1K30QC208)，是 RAM 存储方式，断电后程序会丢失。作为一个标准配置系统，是最简单的电子设计自动化工具系统，同时在主板A 的基础上扩展了不同系统
21、（适配板和扩展板在本次设计中没有使用到就不作介绍） 。(2) 主板中所有 I/O 口开放为了实现工具化，开放所有输入/输出口和主板系统资源，从而实现免线。主芯片的输入/输出口分为三个部分，每个部分的输入 /输出口没有重合。第一部分连接外部资源，包括按键、LED、开关、LCD、时钟源、液晶、数码管、喇叭等；第二部分连接扩展版接口；第三部分连接适配板接口。(3) 编程下载通用性好主板系统含通用编程模块，可对 FPGA 进行编程下载，能自动识别主板系统上的芯片。(4) 对于混合电压良好兼容性主板系统对低的噪声和功耗、高电磁兼备性的低芯核电压 FPGA/CPLD 器件具有很强的适应性和兼容性。电源可调
22、能满足不同电压的系统电路。(5) 基于 EDA 的免连线功能EP1K30QC208 这种芯片可编程，能够对外围资源灵活配置，使 EDA 实验工具化，充分发挥免连线的便利性和灵活性。2.2.2 ZY11EDA13BE 实验系统各功能模块介绍由于本设计只涉及通用编程模块、数码管显示模块、LED 显示模块、数字可调信号源、模式选择模块、开关按键模块、电源模块、喇叭模块、I/O 口插孔这九个模块，所以下面只对这些模块进行介绍基于 FPGA 的卡式电话计费器6(1) 通用编程模块为通用下载电路模块，可对 FPGA 进行编程下载和配置，能自动识别主板系统上的芯片。连线、下载方法：将 25 针下载电缆线一端插入并行口，另一端连接到 DB25接口，再用 10 针连接线连接 JTAG 下载接口和下载目标（配置）芯片的下载（配置）接口，最后在 PC 机 EDA 软件上进行下载即可。(2) 数码管显示模块该模块的 I/O 分布原理图如下图 1.0 所示：图 1.0 数码管 I/O 分布原理图8 个数码管为共阴数码管，I/O2-I/O0( 对应 74LS138 的 C、B、A)为数码管位选，对应数码管关系如下表 1.0：
