摘要：介紹了基于CPLD的刷卡式電腦聯(lián)網(wǎng)集控型自動存包系統(tǒng)的設(shè)計，并對系統(tǒng)的軟硬件構(gòu)成、CPLD內(nèi)部邏輯設(shè)計、工作原理等進行了詳細說明。該系統(tǒng)速度快、安全性好、可靠性高，而且具有操作簡便、查詢快速、便于實時監(jiān)控等特點。
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，在車站碼頭、超市、圖書館、賓館、游泳館、俱樂部等公共場所及機關(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存包系統(tǒng)。如圖1所示，系統(tǒng)由集控計算機和分機兩級監(jiān)控系統(tǒng)對存包柜進行監(jiān)視與控制。
集控計算機（簡稱主機）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。主機使用特定的通信協(xié)議查詢和控制各個分機，然后由分機對其下屬箱位進行控制。主機與分機之間采用RS-485接口連接。RS-485在傳輸距離為1200米時速度可達100kbps、傳輸距離遠、可靠性很高，而且用于多點互連時很方便，可以省掉很多信號線，非常適合用于分布式系統(tǒng)中。
分機具有接收并緩存讀卡器數(shù)據(jù)、與主機通信、控制存包柜動作等功能，主要由CPLD芯片、光耦合模塊、該磁卡模塊、紅外探測模塊、電磁鎖驅(qū)動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)

在本設(shè)計中，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、測試方便、可靠性好等優(yōu)點。
2 硬件設(shè)計
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三路直流電對分機系統(tǒng)供電。其中，3.3V直流是怪CPLD供電，5V直流電對外圍電路供電，12V直流電用來驅(qū)動電磁鎖。
磁卡數(shù)據(jù)接收模塊主要由一片MAX202和一個9幀D型接口以及五個0.1/μF電容組成，當用戶刷卡動作完成時，磁卡中密碼數(shù)據(jù)立即被傳送至CPLD中暫存。當主機輪循至該分機時，分機將密碼發(fā)送給主機。
晶振模塊利用4060分頻器和4020分頻器對2.4576MHz晶振頻率進行分頻，分別得到9600Hz、153600（9600×16）Hz、2.35Hz的頻率信號作為CPLD的輸入時鐘信號。
紅外線發(fā)射與接收模塊的作用是利用紅外線檢測各個存包柜內(nèi)是否有物品，通過紅外接收模塊將檢測結(jié)果反饋到CPLD，然后由CPLD發(fā)送給主機。
RS-485通信模塊中使用了光耦器件4N25進行光電隔離以抑制噪聲對通信線路的干擾，并由一片RS-485收發(fā)器芯片SN75LBC184實現(xiàn)TTL電平與RS-485電平之間的轉(zhuǎn)換。

電磁鎖驅(qū)動模塊負責(zé)對CPLD輸出的3.3V開門信號進行放大，以驅(qū)動電磁鎖進行開關(guān)動作。為保證輸出功率，采用了二極計流放大，電磁鎖由末級功放管BD241驅(qū)動。每個分機控制八個箱位，因此如圖3所示的驅(qū)動電路共有八路。
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、分機相連接。
2．2 CPLD內(nèi)部邏輯設(shè)計
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）以及開門信號延時模塊（door）和報警模塊（beep）幾部分組成。
2．2．1 主控部分的設(shè)計
主控模塊主要由一個狀態(tài)機實現(xiàn)，采用VHDL語言描述。該狀態(tài)機共有四個狀態(tài)，分別是等待偵聽狀態(tài)、等待尋址幀狀態(tài)、發(fā)送密碼及箱位號碼并接收主機開箱信號狀態(tài)和接收主機強制開箱信號狀態(tài)。
在這里采用全0幀“00000000”作為復(fù)位幀，當接收到復(fù)位幀時，系統(tǒng)立即返回等待偵聽狀態(tài)；采用全1幀“11111111”作為起始標識幀，在等待偵聽狀態(tài)下接收到全1幀時則轉(zhuǎn)入等待尋址幀狀態(tài)。尋址幀分為一般尋址幀和強制開箱尋址幀兩種。一般尋址幀由四位分機編號+“1000”組成，而強制開箱尋址幀由四位分機編號+“0001”組成。當分機在等待尋址幀狀態(tài)下收到這兩種尋址幀時便分別轉(zhuǎn)入發(fā)送密碼及箱位號碼狀態(tài)和接收主機強制開箱信號狀態(tài)。
2．2．2 串行數(shù)據(jù)收發(fā)部分的設(shè)計
本設(shè)計有兩個串行數(shù)據(jù)發(fā)送與接收模塊，分別用于與主機通信和接收磁卡數(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)計中，利用clk端口的9600Hz時鐘信號，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、奇偶校驗位和停止位后串行輸出到端口TXD。