【毕业论文】基于FPGA的电话计费器设计.docx

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南京邮电大学通达学院毕业设计（论文）

题 目：

基于FPGA的电话计费器设计

专 业：

信息工程

学生姓名：

张春燕

班级学号：

06003815

指导教师：

王红玉

指导单位：

南京邮电大学通达学院

日期：

2009年11月26日至2010年6月12日

摘 要

本课程设计制作了一个基于FPGA的卡式电话计费器，系统采用VerilogHDL硬件语言并在QuartusII平台上进行仿真。

论文简单介绍了设计方法,并给出了设计框图和详细设计过程,包括三个模块:

控制与计费模块、显示模块和报警模块。

本计费器特点是低成本，可配置性好，可适应各种不同的费率要求，计费器自动识别所拨号码，实现自动计费。

关键词：

电话计费；FPGA；VerilogHDL

ABSTRACT

AtelephonecardaccountdevicebasedonFPGAwasdesigned,whichwasdevelopedonQuartusIIwithVerilogHDLlanguage.Abrieflymethodwasintroduced,aswellas,theblockdiagramanddetaileddesignprocesswereofferedinthispaper.Threemodules,controlandbillingmodule,displaymoduleandalarmmodulewereincluded.Lowprice,goodconfigurabilityandcanbeadaptedtomanydifferentfrequenciesarecharacteristicsofthisdevice.Numberautomaticidentificationandautomaticbillingcanalsobeimplemented.

Keyword：

telephonecardaccount;FPGA;VerilogHDL;QuartusII

目 录

第一章 绪论 1

1.1课题背景 1

1.1.1我国公用电话的发展历程 1

1.1.2公用电话的要求 2

1.2课题研究内容 3

第二章 FPGA简介 4

2.1FPGA概述 4

2.2FPGA的基本结构 4

2.3FPGA的特点 4

2.4FPGA的配置模式 5

2.5FPGA的优点 6

2.6FPGA的应用 6

2.6.1电路设计中FPGA的应用 6

2.6.2产品设计中FPGA的应用 6

2.6.3系统设计中FPGA的应用 7

第三章 总体设计方案 8

3.1电话计费系统设计要求 8

3.1系统组成框图 8

第四章 单元设计 11

4.1QuartusII简介 11

4.1.1QuartusII特点 11

4.1.2QuartusII设计流程 11

4.2VerilogHDL语言 12

4.2.1VerilogHDL的发展和应用情况简介 12

4.2.2基本结构 13

4.2.3设计流程 13

4.2.3Verilog的三种不同建模方式 14

4.3电路设计 15

4.3.1电话计费控制设计 15

4.3.2显示设计 17

4.3.3报警设计 18

4.3.4功能电路图 19

第五章 仿真结果 21

5.1系统仿真 21

5.1.1市话仿真 22

5.1.2长话仿真 24

5.1.3特殊电话仿真 26

结束语 28

致 谢 29

参考文献 30

附录A 31

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）

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。

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）

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，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、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：

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00.0～50.0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

2.1FPGA概述

FPGA是英文FieldProgrammableGateArray的缩写，即现场可编程门阵列，它是在可编程阵列逻辑PAL（Programmable Array Logic）、门阵列逻辑GAL（GateArrayLogic）、可编程逻辑器件PLD（ProgrammableLogicDevice）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（ApplicationSpecificIntegratedCircuit）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