摘要：介紹了基于CPLD的刷卡式電腦聯(lián)網(wǎng)集控型自動(dòng)存包系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并對(duì)系統(tǒng)的軟硬件構(gòu)成、CPLD內(nèi)部邏輯設(shè)計(jì)、工作原理等進(jìn)行了詳細(xì)說明。該系統(tǒng)速度快、安全性好、可靠性高，而且具有操作簡(jiǎn)便、查詢快速、便于實(shí)時(shí)監(jiān)控等特點(diǎn)。

     關(guān)鍵詞：CPLD 電子存包 串行通信

近年來，隨著信息科技的發(fā)展，電子存包系統(tǒng)由于其安全性高、可靠性高、方便快捷等特點(diǎn)，在車站碼頭、超市、圖書館、賓館、游泳館、俱樂部等公共場(chǎng)所及機(jī)關(guān)、企事業(yè)單位文件檔案管理等部門得到了廣泛的應(yīng)用，有著廣闊的市場(chǎng)前景。

1 系統(tǒng)組成

本文所介紹的電子存包系統(tǒng)是一種電腦聯(lián)網(wǎng)集中控制的磁卡式自動(dòng)存包系統(tǒng)。如圖1所示，系統(tǒng)由集控計(jì)算機(jī)和分機(jī)兩級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)存包柜進(jìn)行監(jiān)視與控制。

集控計(jì)算機(jī)（簡(jiǎn)稱主機(jī)）為用戶分配箱位和密碼，通過與其連接的磁卡讀寫器將密碼寫入磁卡中交給用戶。主機(jī)使用特定的通信協(xié)議查詢和控制各個(gè)分機(jī)，然后由分機(jī)對(duì)其下屬箱位進(jìn)行控制。主機(jī)與分機(jī)之間采用RS-485接口連接。RS-485在傳輸距離為1200米時(shí)速度可達(dá)100kbps、傳輸距離遠(yuǎn)、可靠性很高，而且用于多點(diǎn)互連時(shí)很方便，可以省掉很多信號(hào)線，非常適合用于分布式系統(tǒng)中。

分機(jī)具有接收并緩存讀卡器數(shù)據(jù)、與主機(jī)通信、控制存包柜動(dòng)作等功能，主要由CPLD芯片、光耦合模塊、該磁卡模塊、紅外探測(cè)模塊、電磁鎖驅(qū)動(dòng)模塊等外圍電路組成。CPLD芯片選用Altera公司的EPM3256A TC144-10，其技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 EPM3256ATC144-10技術(shù)參數(shù)

工作頻率	126.6MHz
可用門	>5000門
邏輯宏單元	256個(gè)
用戶I/O引腳	116個(gè)
I/O工作電壓	2.5/3.3/5.0V
封裝形式	TQFP

在本設(shè)計(jì)中，所有的控制與通信功能全部集成到CPLD內(nèi)部，充分發(fā)揮了CPLD使用靈活、測(cè)試方便、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。

2 硬件設(shè)計(jì)

2．1 基本硬件組成

電子存包系統(tǒng)的基本硬件結(jié)構(gòu)，即分機(jī)的硬件組成如圖2所示。

電源模塊使用變壓器將220V交流電變?yōu)?V交流電，然后經(jīng)過整流、穩(wěn)壓輸出3.3V、5V、12V三路直流電對(duì)分機(jī)系統(tǒng)供電。其中，3.3V直流是怪CPLD供電，5V直流電對(duì)外圍電路供電，12V直流電用來驅(qū)動(dòng)電磁鎖。

磁卡數(shù)據(jù)接收模塊主要由一片MAX202和一個(gè)9幀D型接口以及五個(gè)0.1/μF電容組成，當(dāng)用戶刷卡動(dòng)作完成時(shí)，磁卡中密碼數(shù)據(jù)立即被傳送至CPLD中暫存。當(dāng)主機(jī)輪循至該分機(jī)時(shí)，分機(jī)將密碼發(fā)送給主機(jī)。

晶振模塊利用4060分頻器和4020分頻器對(duì)2.4576MHz晶振頻率進(jìn)行分頻，分別得到9600Hz、153600（9600×16）Hz、2.35Hz的頻率信號(hào)作為CPLD的輸入時(shí)鐘信號(hào)。

紅外線發(fā)射與接收模塊的作用是利用紅外線檢測(cè)各個(gè)存包柜內(nèi)是否有物品，通過紅外接收模塊將檢測(cè)結(jié)果反饋到CPLD，然后由CPLD發(fā)送給主機(jī)。

RS-485通信模塊中使用了光耦器件4N25進(jìn)行光電隔離以抑制噪聲對(duì)通信線路的干擾，并由一片RS-485收發(fā)器芯片SN75LBC184實(shí)現(xiàn)TTL電平與RS-485電平之間的轉(zhuǎn)換。

    電磁鎖驅(qū)動(dòng)模塊負(fù)責(zé)對(duì)CPLD輸出的3.3V開門信號(hào)進(jìn)行放大，以驅(qū)動(dòng)電磁鎖進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作。為保證輸出功率，采用了二極計(jì)流放大，電磁鎖由末級(jí)功放管BD241驅(qū)動(dòng)。每個(gè)分機(jī)控制八個(gè)箱位，因此如圖3所示的驅(qū)動(dòng)電路共有八路。

另外，本系統(tǒng)還選用了三晶公司生產(chǎn)的SJE-102磁卡讀寫器和SJE-451讀卡器作為磁卡讀寫設(shè)備，分別與主機(jī)、分機(jī)相連接。

2．2 CPLD內(nèi)部邏輯設(shè)計(jì)

CPLD內(nèi)部邏輯的頂層原理圖如圖4所示。由圖可見，CPLD內(nèi)部邏輯電路由主控模塊（main）、串行數(shù)據(jù)收發(fā)模塊（s8）、磁卡數(shù)據(jù)接收模塊（mag_s8）、磁卡數(shù)據(jù)緩沖模塊（mag）以及開門信號(hào)延時(shí)模塊（door）和報(bào)警模塊（beep）幾部分組成。

2．2．1 主控部分的設(shè)計(jì)

主控模塊主要由一個(gè)狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)，采用VHDL語言描述。該狀態(tài)機(jī)共有四個(gè)狀態(tài)，分別是等待偵聽狀態(tài)、等待尋址幀狀態(tài)、發(fā)送密碼及箱位號(hào)碼并接收主機(jī)開箱信號(hào)狀態(tài)和接收主機(jī)強(qiáng)制開箱信號(hào)狀態(tài)。

在這里采用全0幀“00000000”作為復(fù)位幀，當(dāng)接收到復(fù)位幀時(shí)，系統(tǒng)立即返回等待偵聽狀態(tài)；采用全1幀“11111111”作為起始標(biāo)識(shí)幀，在等待偵聽狀態(tài)下接收到全1幀時(shí)則轉(zhuǎn)入等待尋址幀狀態(tài)。尋址幀分為一般尋址幀和強(qiáng)制開箱尋址幀兩種。一般尋址幀由四位分機(jī)編號(hào)+“1000”組成，而強(qiáng)制開箱尋址幀由四位分機(jī)編號(hào)+“0001”組成。當(dāng)分機(jī)在等待尋址幀狀態(tài)下收到這兩種尋址幀時(shí)便分別轉(zhuǎn)入發(fā)送密碼及箱位號(hào)碼狀態(tài)和接收主機(jī)強(qiáng)制開箱信號(hào)狀態(tài)。

2．2．2 串行數(shù)據(jù)收發(fā)部分的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)有兩個(gè)串行數(shù)據(jù)發(fā)送與接收模塊，分別用于與主機(jī)通信和接收磁卡數(shù)據(jù)，采用的通信速度都是9600bps。這兩部分的設(shè)計(jì)思想是統(tǒng)一的，其中磁卡數(shù)據(jù)接收模塊只用到串行數(shù)據(jù)的接收技術(shù)。

在發(fā)送電路的設(shè)計(jì)中，利用clk端口的9600Hz時(shí)鐘信號(hào)，根據(jù)所采用的幀格式，將主控模塊得到的并行數(shù)據(jù)DATAIN[7..0]前后分別加入起始位、奇偶校驗(yàn)位和停止位后串行輸出到端口TXD。

    在接收電路的設(shè)計(jì)中，接收電路始終用16倍波特率的時(shí)鐘CLK16采樣串行數(shù)據(jù)接收端RXD端口的狀態(tài)。在檢測(cè)到由“1”到“0”的變化時(shí)，若連續(xù)采樣8次，RXD一直都保持為“0”，則認(rèn)定是數(shù)據(jù)的起始位；否則認(rèn)為是干擾信號(hào)，計(jì)數(shù)器將被復(fù)位，重新開始采樣。在確認(rèn)起始位后，每隔16個(gè)CLK16信號(hào)周期讀取數(shù)據(jù)位，這樣保證了恰好在每個(gè)數(shù)據(jù)的中點(diǎn)讀取，直至停止位。一幀接收完畢后，接收計(jì)數(shù)器復(fù)位，開始幀聽下一幀的起始位。采用這種接收方法不但可以減少誤判起始信號(hào)，而且還允許發(fā)送時(shí)鐘和接收時(shí)鐘的頻率有一定的誤差。

在實(shí)際應(yīng)用中，如果在檢測(cè)到RXD下降沿后連續(xù)采樣8次為“0”才確認(rèn)地起始位，那么起始位被忽略的情況時(shí)有發(fā)生。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)與分析，發(fā)現(xiàn)這是由于CPLD外圍的光耦器件4N25的開關(guān)速度較慢的緣故，于是改進(jìn)了設(shè)計(jì)。在檢測(cè)到RXD下降沿后，從第三個(gè)CLK16信號(hào)周期開始計(jì)數(shù)，連續(xù)采樣6次，如果6次全為“0”，即認(rèn)定是起始位。采用這種方法后誤判率為0，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。

2．3 其它模塊

磁卡數(shù)據(jù)緩存模塊的功能相當(dāng)于一個(gè)緩存器，將磁卡數(shù)據(jù)接收模塊接收到的數(shù)據(jù)暫存，等待主控模塊的調(diào)用；開門信號(hào)延時(shí)模塊為外圍的電磁鎖驅(qū)動(dòng)電路提供大約1秒鐘寬度的開門脈沖信號(hào)以保證電磁鎖動(dòng)作所需要的必要通電時(shí)間；報(bào)警模塊用于提示用戶刷卡成功與否。

由于磁卡數(shù)據(jù)緩存模塊和開門信號(hào)延時(shí)模塊占用了很大一部分的片內(nèi)寄存器資源，在對(duì)這兩部分的設(shè)計(jì)中改用了原理圖輸入方法。相對(duì)于使用VHDL語言進(jìn)行描述，采用這種方法可以更地確定寄存器的數(shù)量，減少不必要的寄存器。實(shí)踐證明，采用這種輸入方法，綜合后的芯片使用率降低了6%（16個(gè)LC），提高了芯片功能的可擴(kuò)展性。


3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件編程工具采用C++ Builder6.0，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)分配箱位號(hào)碼和密碼、寫磁卡、輪循分機(jī)、校驗(yàn)密碼并發(fā)送開箱信號(hào)、顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、生成系統(tǒng)運(yùn)行日志等功能。

由于在系統(tǒng)運(yùn)行過程中有多項(xiàng)任務(wù)需要同時(shí)進(jìn)行，設(shè)計(jì)采用了多線程技術(shù)。在后臺(tái)，主機(jī)使用查詢的方式不斷地輪循各個(gè)分機(jī)，當(dāng)進(jìn)行寫磁卡操作時(shí)，程序另外開辟一個(gè)線程對(duì)磁卡讀寫器進(jìn)行操作。

串行通信控件采用TurboPower公司的Async Professional控件集中的TapdComport控件，該控件功能完善，是目前穩(wěn)定性和可靠性的串行通信控件。

在設(shè)計(jì)時(shí)要特別注意的是一定要保證主機(jī)軟件與分機(jī)硬件之間通信協(xié)議的一致性，要充分考慮到分機(jī)CPLD中狀態(tài)機(jī)各狀態(tài)轉(zhuǎn)換的各種可能，避免出現(xiàn)死鎖情況。

  

參考文獻(xiàn):

[1]. CPLD datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/CPLD_1136600.html.
[2]. RS-485 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/RS-485_584821.html.
[3]. TQFP datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/TQFP_1528902.html.
[4]. MAX202 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/MAX202_1089634.html.
[5]. 4N25 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/4N25_63985.html.
[6]. SN75LBC184 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/SN75LBC184_1044765.html.
[7]. TTL datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/TTL_1174409.html.
[8]. BD241 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/BD241_165502.html.