公寓安全控制器的设计与FPGA实现

摘 要针对公寓安全问题，利用FPGA设计了公寓安全控制器。利用多种传感器对房间的安全状态进行实时感知与监测，安全控制器通过接收和分析不同传感器的数据分别实现门禁刷卡错误报警、火灾报警、防盗报警以及大功率电器使用报警等功能。利用ICL7135对供电电流进行A/D转换进而判断是否有大功率电器使用；通过串口通信方式接收门禁读卡器送出的ID卡信息并与正确的卡号进行逐位比对判断。时序仿真实验表明系统可以实现对学生公寓安全状态的监控与报警。

【关键词】防盗报警 传感器 安全控制器 FPGA

学生公寓的安全事故时有发生而且近年来呈上升趋势，给学生个人以及学校都造成了重大的经济损失和不良的社会影响，学生公寓的安全成为社会尤其是学生家长和教育界关注的焦点问题，很多学者对学生公寓安全的监测与控制进行了大量的研究工作[1-3]。

现场可编程门阵列（FPGA）器件是一种新型的高密度可编程逻辑器件，采用CMOS-SRAM工艺制造。它不仅具有很高的速度和可靠性，而且具有可重复编程的特点。因此，现场可编程门阵列使数字电路系统的设计非常灵活，在信号采集与处理、复杂逻辑控制等方面得到了广泛的应用[4-11]。

本文利用ALTERA公司的EP4CE6E22C8芯片作为控制芯片构建了公寓安全控制器，利用VERILOG语言设计了FPGA各个模块电路。

1 系统框图

公寓安全控制器系统框图如图1所示，系统由FPGA主控芯片、ID卡识别电路、火灾检测电路、红外防盗电路、大功率电器检测电路以及供电控制电路组成。控制芯片采用EP4CE6E22C8，内含6272个逻辑单元数和276480位存储单元。

火灾检测电路负责采集烟雾数据，并将信息传送给FPGA用以判断是否有火灾发生，如果确认有火灾发生则立即通过供电控制电路切断电源。红外防盗电路负责检测是否有陌生人闯入房间，一旦发现立即发出声光报警。大功率电器检测电路负责检测是否有大功率电器使用，一旦发现立即通过供电控制电路切断电源并发出声音警告，间隔一定时间后自动恢复供电。ID卡识别电路用于识别用户的刷卡信息，并将用户卡号传送给FPGA进行识别，如果卡号正确则开门并且关闭红外防盗功能以免误报警，如果卡号错误发出声音警告。

2 模块电路设计

2.1 A/D控制模块设计

利用ICL7135实现对大功率电器检测电路的输出电压信号进行A/D 转换，ICL7135是高精度4位半CMOS双积分型A/D转换器，具有双极性高阻抗差动输入、自动调零、自动极性和超量程判别等功能，具有±20000个计数分辨率，A/D转换后的数字码有串行输出与分时并行输出两种输出方式，与微处理器接口十分方便。

FPGA与ICL7135的接口电路如图2所示。电流互感器串联在220V交流电路中，输出的电流信号经过信号调理电路得到与电流呈线性关系的电压峰值信号Um。Um输入到A/D 转换ICL7135转换为对应的数字量并经过FPGA计算可以得到房间供电的视在功率。

设置FPGA的rh引脚为高电平，启动ICL7135进行A/D转换，ICL7135的BUSY引脚出现上升沿。FPGA的busy引脚检测到上升沿时启动内部计数器对clkin引脚输入的脉冲（即ICL7135的时钟脉冲CLOCK）进行计数。当A/D转换结束时，ICL7135的BUSY引脚出现下降沿，FPGA的busy引脚检测到下降沿时停止内部计数器，计数器的计数结果S即完成A/D转换所需的时钟脉冲数。假设交流电流到Um的变换系数为K，A/D转换器的基准电压为Vref，则可以计算出供电线路的供电电流IAC的大小为：

（1）

一旦发现电流增加值超过程序设定的阈值则判定为有大功率电器使用，FPGA立即通过供电控制电路切断电源以防止引起电气火灾，同时发出声音警告，间隔一定时间后自动恢复供电。

A/D控制模块的时序仿真图如图3所示，rh引脚出现正脉冲启动A/D转换，在整个转换期间busy引脚是高电平，busy信号和clkin信号做与运算，则clkout為busy高电平期间通过的clkin脉冲。计数器对clkout脉冲进行计数，计数结果放在clkcnt寄存器中，如果给定（1）式中的IAC阈值，则计数器的计数阈值确定，若果clkcnt的计数值S超过此计数阈值，则报警输出信号power_alert输出高电平。图3（a）中计数值没有达到计数阈值， power_alert输出低电平不进行报警；图3（b）中计数值达到计数阈值，power_alert输出高电平进行报警。

2.2 串口通信模块

FPGA的串口通信模块用于接收ID卡识别电路的输出信号，串口通信格式采用9600bps波特率、无奇偶校验、8位数据位、1位停止位。FPGA将串口接收到的ID卡号与预先存储的所有正确卡号进行逐一校对，如果是正确的用户信息则通过继电器控制电磁锁开门，如果是错误的用户信息则进行报警提示。

串口通信模块的时序仿真图如图4所示，rx232_rx为串口数据输入引脚，rx_data_r为串口数据接收寄存器，alert_out为读卡错误报警输出信号。 ID卡的卡号由10个数字组成，即读卡器每次发送的卡号为10个字节，由rx232_rx引脚接收的数据以字节形式存储在rx_data_r寄存器中并与正确的卡号逐位比较。如果卡号正确alert_out引脚输出低电平不报警，如图（a）所示，反之如果卡号错误alert_out引脚输出高电平进行报警，如图（b）所示。

2.3 边沿检测模块

FPGA的边沿检测模块负责接收防火防盗电路的输出信号。红外防盗电路利用红外热释电传感器检测是否有陌生人闯入房间，一旦发现立即发出声光报警。红外热释电传感器是一种以非接触的形式感应红外辐射并将其转换为电信号的仪器，利用热电效应原理来完成对移动物体红外辐射的感应。具有功耗小、成本低、隐蔽性好、灵敏度高等特点。热释电传感器没有检测到人体移动时输出低电平，反之当热释电传感器检测到人体移动时输出高电平，即输出端会出现由低到高的上升沿信号。

火灾检测电路利用烟雾传感器检测CO烟雾浓度用以判断是否发生火灾。烟雾传感器属于气敏传感器，它将可燃性气体在空气中的含量（即浓度）转化成电压或者电流信号，通过比较电路可以设置检测的灵敏度，比较电路的输出为数字量。没有检测到CO烟雾比较电路输出低电平，如果检测到CO烟雾并且超过参考值则比较电路输出高电平，即输出端会出现由低到高的上升沿信号。

FPGA的边沿检测模块具有两个输入引脚分别检测红外防盗电路输出的上升沿和火灾检测电路输出的上升沿。如果检测到上升沿信号则确定有盗窃或者火灾情况，并立即进行报警提示。

边沿检测模块的时序仿真图如图5所示，fire引脚接收火灾检测电路的输出，theft引脚接收红外防盗电路的输出，safe_alert[1..0]引脚为报警输出引脚。如果检测到fire引脚上升沿到来就表示有火灾发生，safe_alert t[1..0]引脚输出二进制01，如图（a）所示，如果检测到theft引脚上升沿到来就表示有盗窃发生，safe_alert t[1..0]引脚输出二进制10，如图（b）所示。

3 结束语

本文利用FPGA设计了一个公寓安全监测与控制系统，利用QUARTUSII软件基于VERILOG语言编写了各个模块电路的程序，通过QUARTUSII软件自带的仿真环境进行了时序仿真，仿真实验表明系统可以实现ID卡识别与错误信息报警、红外防盗报警、大功率电器使用报警以及火灾报警功能，为公寓安全提供了全面防护。

参考文献

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作者简介

史振江（1979-），男，河北省唐山市人。硕士学位。副教授职称。主要研究方向为智能检测与控制技术。

作者单位

石家庄铁路职业技术学院 河北省石家庄市 050041