【文章內(nèi)容簡介】 快的速度步入家庭，車輛被盜的數(shù)量逐年上升，這給社會帶來極大的不安定因素，擔(dān)心車輛被盜，成為困擾每一位汽車用戶的難題。人們?yōu)榱塑囕v的安全大都安裝了汽車防盜報警系統(tǒng)。汽車防盜報警器的使用在很大程度上有效地保護了國 家和人民生命財產(chǎn)的安全。使人們有了安全的依靠。同時車輛防盜報警器的使用也減少了盜竊犯罪事件的發(fā)生，起到了一定的威懾作用。隨著科學(xué)技術(shù)的進步，為對付不斷升級的盜車手段，人們研制開發(fā)不同方式結(jié)構(gòu)的防盜器 。 目前汽車防盜裝置已經(jīng)由初期的機械控制，發(fā)展成為電子密碼、遙控呼救、信息報警等高科技產(chǎn)品，早期的防盜裝置主要用于控制門鎖、門窗、起動器、制動器、切斷供油等聯(lián)鎖機構(gòu)，以及為防止盜賊拆卸零件而設(shè)計的專用套筒扳手。隨著科技的發(fā)展，汽車防盜裝置日趨嚴密和完善，目前防盜器按其結(jié)構(gòu)與功能可分四大類：機械式、電子式、芯片式和 網(wǎng)絡(luò)式，各有優(yōu)劣，但汽車防盜的發(fā)展方向是向智能程度更高的芯片式和網(wǎng)絡(luò)式發(fā)展 [1]。 機械鎖 機械鎖是最常見也是最早的汽車防盜器，現(xiàn)階段在高中檔汽車中幾乎不被使用，即便是低檔汽車也已經(jīng)很少單獨使用，主要和電子式、芯片式聯(lián)合使用，分為方向盤鎖和變速箱鎖兩大類。其中方向盤鎖在使用時，主要是將方向盤與制動腳踏板連接一起，使方向盤不能作大角度轉(zhuǎn)向及不能制動汽車。而安裝變速箱鎖是在換擋桿附近安裝變速鎖，可使變速箱不能換擋。通常在停車后，把換擋桿推回 P 位或Ⅰ 擋位置，加上變速箱鎖，可使汽車不能換擋。方向盤鎖和變速箱鎖、 鉤鎖等這些機械式防盜器，主要是靠鎖定離合、制動、油門或轉(zhuǎn)向盤、變速桿來達到防盜的目的，但只能防盜不能報警。另外，機械式防盜鎖靠堅固的金屬結(jié)構(gòu)鎖住汽車的操縱 XXX 大學(xué)本科生畢業(yè)論文 2 2 部位，使用起來不隱蔽，且占用駕駛室空間；機械鎖主要起到限制車輛操作的作用，對防盜方面能夠提供的幫助非常有限，很難抵擋住生猛型盜車賊手中撬棍、鋼鋸、老虎鉗等重型工具的盜竊。但它們能拖延偷車賊作案的時間卻是事實，一般偷車賊要用幾十秒甚至幾分鐘才能撬開方向盤鎖，變速桿鎖的破壞時間還要長一點。 電子式 防盜系統(tǒng) 在現(xiàn)階段，應(yīng)用最廣泛的是電子式防盜鎖。機械防盜裝置 是預(yù)防汽車被盜的裝置，但這種裝置不能防止他人進入駕駛室、車內(nèi)，打開行李箱、發(fā)動機罩或起動發(fā)動機等。而電子防盜裝置不僅能可靠地防止汽車被盜，而且能防止他人拆卸某些汽車零件和進入車內(nèi)。電子防盜報警器 ， 也稱微電腦汽車防盜器，是目前使用最廣泛的類型，包括插片式、按鍵式和遙控式等電子式防盜器。它主要是靠鎖定點火或 啟動系統(tǒng)來達到防盜的目的，同時具有聲音報警功能。這種防盜器共有 4 種功能： （ 1） 服務(wù)功能，包括遙控車門、遙控起動、阻嚇竊賊作用等； （ 2） 警惕提示功能，具有觸發(fā)報警記錄（提示車輛曾被人打開過車門）； （ 3） 報 警提示功能，即當(dāng)有人動車時發(fā)出警報； （ 4） 防盜功能，當(dāng)防盜器處于警戒狀態(tài)時，切斷汽車上的起動電路，使汽車無 法起動。 該類防盜器安裝隱蔽，功能齊全，無線遙控，操作簡便，但需要靠良好的安裝技術(shù)和完善的售后服務(wù)來保證。電子 防盜系統(tǒng) 的致命弱點在于其電子密碼和遙控操作方式，當(dāng)車主用遙控器開關(guān)車門時，匿藏在附近的偷車賊可以用接收器或掃描器盜取遙控器發(fā)出的無線電波或紅外線，再經(jīng)過解碼，就可以開啟汽車的 防盜系統(tǒng) 。另外這類電子防盜報警器的使用頻率普遍被限定在 300～ 350MHz 的業(yè)余頻段上，而這個頻段的電子波干擾源又多， 電波、雷電、工業(yè)電焊等都會干擾它而產(chǎn)生誤報警。如上海通用別克系列轎車上配置的 PasskeyⅡ 和 PasskeyⅢ 防盜系統(tǒng) 就是電子式防盜系統(tǒng) 。 芯片式數(shù)碼防盜 系統(tǒng) 電子 防盜系統(tǒng) 固然有其優(yōu)點，但隨著時間的推移，人們研制出了更先進性的替代品，這就是目前在汽車防盜領(lǐng)域位居重點的芯片式數(shù)碼防盜器。由于特點突出且使用方便，大多數(shù)轎車均采用這種防盜方式作為原配防盜器。目前很多高檔車，如國產(chǎn)的大眾、廣州本田、派力奧、愛麗舍、畢加索等車型已裝有原廠的芯片數(shù)碼 防 XXX 大學(xué)本科生畢業(yè)論文 3 3 盜系統(tǒng) 。芯片式數(shù)碼防盜器基本原理是鎖住汽車的馬達、電路和油路，在 沒有芯片鑰匙的情況下無法啟動車輛。數(shù)字化的密碼重碼率極低，而且要用密碼鑰匙接觸車上的密碼鎖才能開鎖，杜絕了被掃描的弊病。 目前芯片式防盜已經(jīng)發(fā)展到第四代，最新面世的第四代電子防盜芯片，具有特殊診斷功能，即已獲授權(quán)者在讀取鑰匙保密信息時，能夠得到該 防盜系統(tǒng) 的歷史信息。系統(tǒng)中經(jīng)授權(quán)的備用鑰匙數(shù)目、時間印記以及其他背景信息，成為收發(fā)器安全特性的組成部分。第四代電子 防盜系統(tǒng) 除了比以往的電子 防盜系統(tǒng) 更有效地起到防盜作用外，還具有其他先進之處，如它獨特的射頻識別技術(shù)可以保證系統(tǒng)在任何情況下都能正確識別駕駛者，在 駕駛者接近或遠離車輛時可自動識別其身份自動打開或關(guān)閉車鎖；無論在車內(nèi)還是車外，獨創(chuàng)的 TMS37211 器件都能夠輕松探測到電子鑰匙的位置。國內(nèi)不少廠商通過引進國外先進技術(shù)開發(fā)出了我國的芯片式 防盜系統(tǒng) ，如愛麗舍應(yīng)答式 防盜系統(tǒng) 是在 BOSCH 電噴系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了一套新系統(tǒng)，它可以用來鎖定和解鎖發(fā)動機電腦，從而來實現(xiàn)車輛的防盜功能，當(dāng)插入一把帶有應(yīng)答器的正確鑰匙并打到 “ M” 位時，系統(tǒng)自動完成對碼、解鎖發(fā)動機電腦，否則發(fā)動機電腦處于閉鎖狀態(tài)，發(fā)動機點火和噴油的控制被切斷，汽車無法起動。 網(wǎng)絡(luò)式 防盜系統(tǒng) 網(wǎng)絡(luò)防盜是指通過網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)汽車的開關(guān)門、啟動馬達、截停汽車、汽車的定位以及車輛會根據(jù)車主的要求提供遠程的車況報告等功能。網(wǎng)絡(luò)防盜主要是突破了距離的限制。目前主要使用的網(wǎng)絡(luò)有：無線網(wǎng)絡(luò) (BB 機網(wǎng)絡(luò) )、衛(wèi)星定位跟蹤系統(tǒng)（簡稱 GPS），其中應(yīng)用最廣的就是 GPS。 GPS 系統(tǒng)全稱為 “全球衛(wèi)星定位系統(tǒng) ”。實際上，此技術(shù)是美國耗資 100 多億美元，歷時 20 多年發(fā)展的一大航天工程。 1991 年在海灣戰(zhàn)爭中被首次使用，海灣戰(zhàn)爭之后， GPS 技術(shù)在非軍事領(lǐng)域得到了更加深入的應(yīng)用，在汽車反劫防盜領(lǐng)域已取得實際效果。 GPS 衛(wèi)星定位汽 車 防盜系統(tǒng) 屬于網(wǎng)絡(luò)式防盜器，它主要靠鎖定點火或起動來達到防盜的目的， GPS 應(yīng)用于汽車反劫防盜服務(wù)就得益于衛(wèi)星監(jiān)控中心對車輛的 24 小時不間斷、高精度的監(jiān)控服務(wù)。該系統(tǒng)由安裝在指揮中心的中央控制系統(tǒng)、安裝在車輛上的移動 GPS 終端以及 GSM 通信網(wǎng)絡(luò)組成，接受全球定位衛(wèi)星發(fā)出的定位信息，計算出移動目標(biāo)的經(jīng)度、緯度、速度、方向，并利用 GSM 網(wǎng)絡(luò)的短信息平臺作為通信媒介來實現(xiàn)定位信息的傳輸，具有傳統(tǒng)的 GPS 通信方案所無 XXX 大學(xué)本科生畢業(yè)論文 4 4 法比擬的優(yōu)勢。缺點是價格昂貴，每月要交納一定的服務(wù)費。一些常見的品牌有賽格、華強、邁吉貝斯、大三通等 等，這類產(chǎn)品因費用太高等各方面原因，目前在市場上還不普及，市場占有率非常低。 課題的目的和意義 本課題采用現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的思路和自頂向下的 EDA 設(shè)計 方法，針對當(dāng)今社會汽車防盜越來越重要的現(xiàn)實問題，通過 VHDL語言軟件編程設(shè)計基于可編程器件的汽車電子防盜報警系統(tǒng)，達到了實時監(jiān)測非法入侵、及時聲光報警、啟動 /解除警戒和禁止非法使用發(fā)動機移動車輛等基本要求，為汽車防盜報警方面進一步研究，擴展更實用更全面的功能，設(shè)計更完善的產(chǎn)品打下了基礎(chǔ)。通過設(shè)計掌握 EDA設(shè)計的基本思路、 VHDL 語言編程方法，有限 狀態(tài)機的設(shè)計方法以及掌握開發(fā)軟件Xilinx ISE，仿真軟件 Modelsim和綜合工具 Leonado Spectrum的運用。 論文的主要內(nèi)容 本文由五章的內(nèi)容構(gòu)成，緒論部分介紹了當(dāng)今汽車防盜報警系統(tǒng)發(fā)展的狀況，說明了本課題的目的和意義以及論文主要內(nèi)容。后面的四章對系統(tǒng)的設(shè)計過程和實現(xiàn)過程作了詳細闡述。第 2 章對系統(tǒng)進行整體分析和模塊劃分；第 3 章詳細介紹了系統(tǒng)四個模塊和系統(tǒng)頂層的程序設(shè)計編寫過程；第 4 章主要是系統(tǒng)四個模塊的獨立調(diào)試與仿真；最后一章是系統(tǒng)頂層的實現(xiàn)過程，也是整個系統(tǒng)的實現(xiàn)過程，這一章對系統(tǒng)實現(xiàn)的流程做了總體的介紹。 本章小結(jié) 本章主要介紹了當(dāng)今社會汽車防盜報警系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顩r，現(xiàn)有的種類和特點以及本課題的目的和意義并對論文主要內(nèi)容作了簡要概述。 XXX 大學(xué)本科生畢業(yè)論文 5 5 第 2 章 汽車防盜報警系統(tǒng)整體設(shè)計 系統(tǒng)分析與設(shè)計 設(shè)計要求 本課題要求設(shè)計一種基于可編程邏輯器件的汽車防盜報警電子系統(tǒng)，完成軟件部分設(shè)計，得出系統(tǒng)功能仿真結(jié)果。其具體設(shè)計指標(biāo)要求如下： （ 1）啟動 /解除警戒，燈亮表示啟動，燈滅表示解除警戒； （ 2）實時檢測非法入侵，檢測到非法入侵，鎖住車門； （ 3）禁止非法使用 發(fā)動機移動車輛，一旦非法使用發(fā)動機，鎖止發(fā)動機并鎖住 車門； （ 4）及時聲光報警，采用喇叭發(fā)聲和三個燈輪流點亮的方式進行聲光報警。 系統(tǒng)分析 從本系統(tǒng)的設(shè)計要求來分析，軟件設(shè)計可以采用原理圖設(shè)計和硬件描述語言設(shè)計。硬件描述語言（ Hardware Description Language, HDL）屬于文本輸入方法的范疇，是一種用形式化方法來描述數(shù)字電路和設(shè)計數(shù)字邏輯的語言，這種設(shè)計方法也被稱為高層次設(shè)計（ HighLevelDesign）方法，其設(shè)計流程示意圖如圖 21所示。 H D L 設(shè) 計 文 件H D L 功 能 仿 真H D L 綜 合優(yōu) 化 、 布 局 布 線布 線 后 門 級 仿 真硬 件 下 載 文 件 圖 21 HDL 設(shè)計流程的示意圖 相對于原理圖設(shè)計，硬件描述語言設(shè)計具有很多優(yōu)點：開發(fā)效率高、便于移植、便于文檔管理、便于仿真、可以開發(fā)出非常復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)等等。因此本系統(tǒng)采用 XXX 大學(xué)本科生畢業(yè)論文 6 6 硬件描述語言設(shè)計。硬件描述語言有 VHDL 語言和 Verilog HDL 語言，這兩種語言都具備 HDL 的優(yōu)點， Verilog HDL 推出比 VHDL 早，它模仿 C 語言，語法簡單，風(fēng)格自由，比較容易掌握，而 VHDL 是基于 Ada 語言的，追求語法的嚴格性，學(xué)習(xí)起來 相對煩瑣一點，但是嚴格的語法在一定程度上限制了錯誤的產(chǎn)生，調(diào)試起來可能會容易一些 [2]。 VHDL 的系統(tǒng)抽象能力比 Verilog HDL 要強一些，在系統(tǒng)級的描述上占一定的優(yōu)勢，本系統(tǒng)設(shè)計采用 VHDL 語言編寫程序代碼。 整個系統(tǒng)是一個數(shù)字系統(tǒng)，非法入侵信號采用數(shù)字信號模擬，用高電平‘ 1’表示車輛受到非法入侵，用低電平‘ 0’表示不存在非法入侵。燈光報警要求每個燈持續(xù)一個確定的時間，這就需要一個標(biāo)準(zhǔn)時鐘信號，而標(biāo)準(zhǔn)時鐘信號都是從外部晶振中得到的，本設(shè)計采用頻率為 1MHZ 的外部晶振，在設(shè)計中需要考慮時鐘的換算。 系統(tǒng)工作原理及模塊劃分 系統(tǒng)的工作原理：啟動系統(tǒng)裝置，系統(tǒng)進入檢測信號狀態(tài)，同時檢測非法入侵信號和非法使用發(fā)動機的信號，若無非法信號，系統(tǒng)將一直處于檢測狀態(tài)，當(dāng)檢測到非法入侵信號時，進行聲光報警，并鎖住車門；當(dāng)檢測到非法使用發(fā)動機信號時，進行聲光報警，并鎖止發(fā)動機以及鎖住車門。解除系統(tǒng)報警，系統(tǒng)停止工作。 根據(jù)系統(tǒng)分析及系統(tǒng)工作原理，把整個系統(tǒng)劃分成四個模塊：啟動 /解除警戒模塊、檢測信號模塊、聲音報警及鎖止模塊和光報警模塊 ，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 22。 啟 動 / 解 除 警 戒模 塊 檢 測 信 號 模 塊聲 音 報 警 及 鎖 止模 塊光 報 警 模 塊 圖 22 系統(tǒng)模塊構(gòu)成圖 四個模塊的功能是：啟動 /解除警戒模塊用以啟動或解除整個防盜報警系統(tǒng)，使裝置進入或退出正常工作狀態(tài)；檢測信號模塊檢測汽車是否存在異常移動、異常振動、異常提升、車身異常切斜和非法啟動發(fā)動機等異常情況；聲音報警及鎖止模塊發(fā)出聲音報警，并鎖住車門，鎖止非法啟動發(fā)動機信號；光報警模塊通過 LED燈閃爍發(fā)出報 XXX 大學(xué)本科生畢業(yè)論文 7 7 警信號； 本章小結(jié) 本章主要介紹了系統(tǒng)設(shè)計的一些要求及性能指標(biāo)，并對整個系統(tǒng)進行了分析，選擇了適合的設(shè)計輸 入方式和硬件描述語言。通過分析系統(tǒng)的工作原理，對系統(tǒng)進行了模塊的劃分，總共劃分為四個模塊：啟動 /解除警戒模塊、檢測信號模塊、聲音報警及鎖止模塊和光報警模塊。 XXX 大學(xué)本科生畢業(yè)論文 8 8 第 3 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 VHDL 編程語言 VHDL 的全稱為 VHSIC （ Very High Speed Integrated Circuit） Hardware Description Language，它的中文譯名為超高速集成電路的硬件標(biāo)準(zhǔn)語言。模塊化和自頂向下，逐層分解的結(jié)構(gòu)化設(shè)計思想貫穿于整個 VHDL 設(shè)計文件之中。 VHDL 將所設(shè)計的任意復(fù)雜的電路系統(tǒng)均看作一個設(shè)計單元，可以用一個程序文件來表示。一個完整的 VHDL 語言程序通常包含實體、構(gòu)造體、配置、程序包和庫五個部分。實體是聲明到其他實體或其他設(shè)計的接口，即定義本設(shè)計的輸入 /輸出端口；構(gòu)造體是用來定義實體的實現(xiàn)，即電路的具體描述；配置為實體選定某個特定的結(jié)構(gòu)體；程序包則用來聲明在設(shè)計或?qū)嶓w中將用到的常數(shù)、數(shù)據(jù)類型、元件及子程序等；庫用以存儲預(yù)先完成的程序包和數(shù)據(jù)集合體。這五個部分并不是每一個 VHDL 程序都必須具備的，其中只有一個實體和一個與之對應(yīng)的構(gòu)造體 是必須的。 VHDL 編程語言 具有以下主要優(yōu)點 [3]： （ 1）具有強大的功能，覆蓋面廣，描述能力強，可用于從門級、電路級直至系 統(tǒng)級的描述、仿真和綜合。 （ 2）有良好的可讀性，它可以被計算機接受，也容易被讀者理解。用 VHDL 書 寫的既是源文件又是文檔。 （ 3）有良好的可移植性，作為一種已被 IEEE 承認的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) VHDL 事實上已 成為通用的硬件描述語言，可以在不同的設(shè)計環(huán)境和系統(tǒng)平臺中使用。 （ 4）使用 VHDL 可以延長設(shè)計的生命周期。 （ 5） VHDL 支持對大規(guī)模設(shè)計的分解和已有設(shè)計的再利用。 系統(tǒng)模塊 設(shè)計 啟動 /解除警戒模塊設(shè)計 此模塊用于啟動 /解除整個系統(tǒng)，使系統(tǒng)進入 /退出正常的工作狀態(tài)。用一個開關(guān)來控制系統(tǒng)的啟動和解除，并用一個 led 燈來顯示系統(tǒng)的狀態(tài)。開關(guān)接通，即輸入為高電平‘ 1’時，系統(tǒng)進入正常的工作狀態(tài)， led 燈點亮。開關(guān)斷開時，輸入的為低電平‘ 0’，系統(tǒng)退出正常工作狀態(tài)， led 燈熄滅。這用 IF 語句的雙路選擇結(jié) XXX 大學(xué)本科生畢業(yè)論文 9 9 構(gòu)實現(xiàn)，其中 sta 表示開關(guān)控制信號， led1 表示 led 燈信號，程序見附錄。 檢測信號模塊設(shè)計 信號檢測模塊的任務(wù)是檢測非法入侵信號和非法啟動發(fā)動機信號，非 法入侵信號包括汽車 異常移動、異常振動、異常提升、車身異常切斜四個信號，總共五個非法信號。整個模塊采用有限狀態(tài)機來進行設(shè)計，下面先對有限狀態(tài)機作介紹。 狀態(tài)機是包括一組寄存器的電路，該寄存器的值稱為狀態(tài)機的狀態(tài)。狀態(tài)機的狀態(tài)不僅和輸入信號有關(guān)，而且還與寄存器的當(dāng)前狀態(tài)有關(guān)。狀態(tài)機可以認為是組合邏輯電路和寄存器邏輯電路的特殊組合，它包括兩個主要部分：組合邏輯部分和寄存器部分。寄存器邏輯用于存儲狀態(tài)機的狀態(tài)，組合邏輯包括兩部分：狀態(tài)譯碼和輸出譯碼。狀態(tài)譯碼用于確定狀態(tài)機下各時鐘周期的狀態(tài)值，即確定狀態(tài)機的激勵方程 ，而輸出譯碼確定狀態(tài)機的輸出，即確定狀態(tài)機的輸出方程。 最一般和最常用的狀態(tài)機通常包括說明部分、狀態(tài)更新進程、狀態(tài)譯碼進程、輔助進程等幾個部分。說明部分用于說明狀態(tài)機中的狀態(tài)情況和定義狀態(tài)機的現(xiàn)態(tài)和次態(tài)；狀態(tài)更新進程就是狀態(tài)機的主控時序進程，它負責(zé)狀態(tài)機運轉(zhuǎn)和在時鐘驅(qū)動下負責(zé)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的進程；狀態(tài)譯碼過程也就是主控組合進程，它的任務(wù)是根據(jù)外部輸入的控制信號（包括來自狀態(tài)機外部的信號和來自狀態(tài)機內(nèi)部其它非主控的組合和時序進程的信號），或 /和當(dāng)前狀態(tài)的狀態(tài)值確定下一狀態(tài)的取向，以及確定對外輸出或?qū)?nèi)部其它組合或時 序進程輸出控制信號的內(nèi)容。輔助進程用于配合狀態(tài)機工作的組合或時序進程。例如為了完成某種算法的進程，或用于配合狀態(tài)機工作的其它時序進程，或為了穩(wěn)定輸出設(shè)置的數(shù)據(jù)鎖存器等 [4]。 狀態(tài)機分為同步狀態(tài)機和異步狀態(tài)機。同步狀態(tài)機使用全局時鐘信號，所有寄存器的時鐘都是同一個，這使得狀態(tài)的改變只發(fā)生在時鐘的上升沿。異步狀態(tài)機則利用組合邏輯電路的傳播延遲來實現(xiàn)狀態(tài)的存儲功能，這樣的狀態(tài)機難于設(shè)計，而且很不穩(wěn)定，一般情況設(shè)計同步狀態(tài)機。 在狀態(tài)機的輸出的產(chǎn)生過程中，根據(jù)輸出譯碼是否使用輸入信號可分為兩類狀態(tài)機