VHDL密碼鎖設(shè)計(jì)

1、VHDL語(yǔ)言及應(yīng)用課程設(shè)計(jì)論文-VHDL平臺(tái)下密碼鎖的設(shè)計(jì)學(xué)院：電子信息學(xué)院專業(yè)： 學(xué)號(hào)： 姓名： 指導(dǎo)老師： 團(tuán)隊(duì)成員： 完成日期： 目錄一. 引言-1二. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1三. 實(shí)驗(yàn)任務(wù)與要求-1四. 設(shè)計(jì)原理及工作流程-24.1 密碼鎖設(shè)計(jì)原理-24.2 密碼鎖系統(tǒng)框圖-24.3 密碼鎖設(shè)計(jì)提示-2五. 密碼鎖的頂層設(shè)計(jì)源程序-3六. 密碼鎖各功能模塊源程序及其仿真分析-56.1 密碼設(shè)定鎖存器源程序及其仿真分析-56.2 密碼輸入鎖存器源程序及其仿真分析-66.3 開(kāi)鎖控制系統(tǒng)源程序及其仿真分析-86.4 比較器源程序及其仿真分析-96.5 LED顯示源程序及其仿真分析-116.6 頂層源

2、文件的仿真分析-12七. 密碼鎖設(shè)計(jì)源程序的下載調(diào)試-137.1 電路結(jié)構(gòu)-137.2 管腳分配-147.3 程序下載調(diào)試過(guò)程-14八. 實(shí)驗(yàn)分析與總結(jié)-15九. 組內(nèi)分工-16十. 參考文獻(xiàn)-16一. 引言隨著社會(huì)物質(zhì)財(cái)富的日益增長(zhǎng)和人們生活水平的提高，安全成為現(xiàn)代居民最關(guān)心的問(wèn)題之一。因此人們對(duì)鎖要求甚高，既要求可靠地防盜，又要使用方便，這也是制鎖者長(zhǎng)期以來(lái)研制的主題。傳統(tǒng)的門鎖既要備有大量的鑰匙，又要擔(dān)心鑰匙丟失后的麻煩。數(shù)字密碼鎖是二十一世紀(jì)制鎖業(yè)的一次革命，鎖的特點(diǎn)是不用鑰匙、無(wú)鎖孔、機(jī)械傳動(dòng)、不易損壞、不磨損、不易被破譯、可多次更換密碼、換號(hào)不換鎖、一把鎖多個(gè)密碼，具有防撥、防砸、

3、防撬、防堵等功能。安裝門鎖時(shí)不破壞原門的結(jié)構(gòu)，避免用鑰匙開(kāi)啟旋芯式鎖具的一切煩惱（如丟、落、拆、堵門被反鎖等）。數(shù)字密碼鎖是利用數(shù)字密碼來(lái)開(kāi)啟的鎖具，其重復(fù)概率極低，有著很高的安全性；而旋芯式鎖具使用不夠安全。通過(guò)對(duì)社會(huì)各階層千余人的調(diào)查，百分之百的人對(duì)目前身上掛著的串串鑰匙無(wú)可奈何，都愿意一身輕松沒(méi)有任何顧慮的出入家門，都愿意用上一種既安全方便又不用鑰匙的鎖具。因此，數(shù)字密碼鎖產(chǎn)品的市場(chǎng)發(fā)展前景極為廣闊。而EDA 技術(shù)設(shè)計(jì)電子系統(tǒng)具有用軟件的方式設(shè)計(jì)硬件，設(shè)計(jì)過(guò)程中可用有關(guān)軟件進(jìn)行各種仿真，系統(tǒng)可現(xiàn)場(chǎng)編程、在線升級(jí)，整個(gè)系統(tǒng)可集成在一個(gè)芯片上等特點(diǎn)；不但設(shè)計(jì)周期短、設(shè)計(jì)成本低，而且將提高產(chǎn)品

4、或設(shè)備的性能，縮小產(chǎn)品體積、提高產(chǎn)品的技術(shù)含量，提高產(chǎn)品的附加值?？梢?jiàn)，用VHDL可以更加快速、靈活地設(shè)計(jì)出符合各種要求的密碼鎖，優(yōu)于其他設(shè)計(jì)方法,使設(shè)計(jì)過(guò)程達(dá)到高度自動(dòng)化。本設(shè)計(jì)的各個(gè)模塊由相應(yīng)的VHDL程序具體實(shí)現(xiàn)，并在Quartus9.0環(huán)境下進(jìn)行了整體電路的模擬仿真，最終實(shí)現(xiàn)“密碼鎖設(shè)計(jì)”的要求。二. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 掌握VHDL語(yǔ)言的使用，學(xué)會(huì)用VHDL語(yǔ)言來(lái)編程解決實(shí)際問(wèn)題；2. 學(xué)會(huì)使用EDA開(kāi)發(fā)軟件設(shè)計(jì)小型綜合電路，掌握仿真的技巧；3. 學(xué)會(huì)應(yīng)用開(kāi)發(fā)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)硬件電路，檢驗(yàn)電路的功能；4. 設(shè)計(jì)一個(gè)八位二進(jìn)制密碼鎖，實(shí)現(xiàn)所要求的功能。三. 實(shí)驗(yàn)任務(wù)與要求1、安鎖狀態(tài)。 按下開(kāi)關(guān)鍵S

5、ETUP，密碼設(shè)置燈亮?xí)r，方可進(jìn)行密碼設(shè)置操作。設(shè)置初始密碼09（或二進(jìn)制8位數(shù)），必要時(shí)可以更換。再按SETUP鍵，密碼有效。2、 開(kāi)鎖過(guò)程。（1） 、按啟動(dòng)鍵（START）啟動(dòng)開(kāi)鎖程序，此時(shí)系統(tǒng)內(nèi)部應(yīng)處于初始狀態(tài)。（2） 、依次鍵入09（或二進(jìn)制8位數(shù)）。（3） 、按開(kāi)門鍵（OPEN）準(zhǔn)備開(kāi)門。若按上述程序執(zhí)行且撥號(hào)正確，則開(kāi)門指示燈A亮，若按錯(cuò)密碼或未按上述程序執(zhí)行，則按動(dòng)開(kāi)門鍵OPEN后，報(bào)警裝置鳴叫、燈B亮。（4）、開(kāi)鎖處理事務(wù)完畢后，應(yīng)將門關(guān)上，按SETUP鍵使系統(tǒng)重新進(jìn)入安鎖狀態(tài)。若在報(bào)警狀態(tài)，按SETUP鍵或START鍵應(yīng)不起作用，應(yīng)另用一按鍵RESET才能使系統(tǒng)進(jìn)入安鎖狀態(tài)。

6、3、 使用者如按錯(cuò)號(hào)碼可在按OPEN鍵之前，按START鍵重新啟動(dòng)開(kāi)鎖程序。4、 設(shè)計(jì)符合上述功能的密碼鎖，并用層次化方法設(shè)計(jì)該電路。5、 用功能仿真方法驗(yàn)證，通過(guò)觀察有關(guān)波形確認(rèn)電路設(shè)計(jì)是否正確。6、 完成電路設(shè)計(jì)后，通過(guò)在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中下載，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。四. 設(shè)計(jì)原理及工作流程4.1 密碼鎖設(shè)計(jì)原理如下示框圖，密碼鎖系統(tǒng)主要由開(kāi)鎖控制，設(shè)置密碼的鎖存器，輸入密碼的鎖存器，比較器，LED顯示和報(bào)警系統(tǒng)幾個(gè)部分組成。每一個(gè)模塊功能的實(shí)現(xiàn)都是通過(guò)VHDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的，并通過(guò)頂層電路與例化語(yǔ)句將功能模塊整合起來(lái)，之后對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真和硬件實(shí)現(xiàn)。4.2 密碼鎖系統(tǒng)框圖4.3 密碼鎖設(shè)計(jì)提示(1

7、) 鎖存器：用于實(shí)現(xiàn)設(shè)定密碼和輸入密碼的鎖存。(2) 比較器：用于將設(shè)定密碼與輸入密碼相比較。其中，CLK為外部輸入的時(shí)鐘信號(hào)。若輸入密碼正確，則A燈亮；否則B燈亮，同時(shí)比較器輸出與CLK一樣的信號(hào)，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲。(3) 開(kāi)鎖控制：當(dāng)反饋信號(hào)下降沿來(lái)到時(shí)，開(kāi)鎖控制輸出低電平，用于在輸入錯(cuò)誤密碼后禁止再次安鎖；當(dāng)RESET腳為高電平時(shí)，開(kāi)鎖控制輸出高電平，打開(kāi)與門，這時(shí)鎖存器1使能端的變化受控于SETUP鍵，重新進(jìn)入安鎖狀態(tài)。(4) LED顯示：用于設(shè)定密碼或輸入密碼的顯示。此項(xiàng)設(shè)計(jì)的目的是為了在下載演示時(shí)，能清楚地看到設(shè)置和輸入的密碼值。五. 密碼鎖的頂層設(shè)計(jì)源程序調(diào)用各模塊形成元件例

8、化語(yǔ)句：LIBRARY IEEE;USE IEEE.std_logic_1164.All;ENTITY topfile ISPORT(SETUP,RESET,START,OPN,CLK:IN STD_LOGIC;setpassword:IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);inputpassword:IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);led_A,led_B,warner:OUT STD_LOGIC;DOUT11,DOUT12,DOUT21,DOUT22:OUT STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0);END ENTITY

9、 topfile;ARCHITECTURE brf OF topfile ISCOMPONENT lockcontrolPORT (RESET,FEEDBACK:IN STD_LOGIC;Y:OUT STD_LOGIC);END COMPONENT;COMPONENT codesetPORT (ENABLE:IN STD_LOGIC;PASEWORD:IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);Q:OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);END COMPONENT;COMPONENT codeinputPORT (ENABLE:IN STD_LOG

10、IC;PASEWORD:IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);Q:OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);END COMPONENT;COMPONENT comparatorPORT (OPN,CLK,RESET:IN STD_LOGIC;rightpassword,password:IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);A,B,warner:OUT STD_LOGIC;D11,D12,D21,D22:OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);END COMPONENT;COMPONENT A

11、ND2PORT (a,b:IN STD_LOGIC;c:OUT STD_LOGIC);END COMPONENT;COMPONENT NOR2PORT (e,d:IN STD_LOGIC;f:OUT STD_LOGIC);END COMPONENT;COMPONENT LEDPORT (DATA:IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);DOUT7:OUT STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0);END COMPONENT;SIGNAL net1,net2:STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);SIGNAL net8,net9,net

12、10,net11:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);SIGNAL net3,net4,net5,net6,net7:STD_LOGIC;BEGINU0:lockcontrol PORT MAP(RESET=RESET,feedback=net3,y=net4);U1:AND2 PORT MAP(a=net3,b=START,c=net5);U2:AND2 PORT MAP(a=SETUP,b=net4,c=net6);U3:CODEINPUT PORT MAP(PASEWORD=inputpassword,ENABLE=net5,Q=net1);U4:codeset P

13、ORT MAP(PASEWORD=setpassword,ENABLE=net6,Q=net2);U5:comparator PORT MAP(rightpassword=net2,password=net1,OPN=OPN,CLK=CLK,A=led_A,B=net7,warner=warner,RESET=RESET,D12=net9,D11=net8,D21=net10,D22=net11);U6:NOR2 PORT MAP(e=net7,d=net7,f=net3);U7:LED PORT MAP(DATA=net8,DOUT7=DOUT11);U8:LED PORT MAP(DATA

14、=net9,DOUT7=DOUT12);U9:LED PORT MAP(DATA=net10,DOUT7=DOUT21);U10:LED PORT MAP(DATA=net11,DOUT7=DOUT22);led_B=net7;END ARCHITECTURE brf;六. 密碼鎖各功能模塊源程序及其仿真波形6.1密碼設(shè)定鎖存器源程序及其仿真波形源程序?yàn)椋篖IBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY codeset ISPORT(ENABLE:IN STD_LOGIC; PASSW

15、ORD:IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);Q:OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);END codeset;ARCHITECTURE bhv OF codeset ISBEGINPROCESS(ENABLE,PASSWORD) BEGINIF ENABLE = 1 THENQ(7) = PASSWORD(7);Q(6) = PASSWORD(6);Q(5) = PASSWORD(5);Q(4) = PASSWORD(4);Q(3) = 0;Q(2) = 0;Q(1) = 0;Q(0) = 0;END IF;END PROCESS;END

16、 bhv;仿真波形圖為：使能控制端高電平時(shí)：使能控制端變回低電平時(shí)：由于硬件設(shè)備限制，不能檢驗(yàn)全部端口，因此將低位的四位設(shè)置為低電平，通過(guò)改變使能控制端與高位的電平觀察正確性。6.2 密碼輸入鎖存器源程序及其仿真波形源程序?yàn)椋篖IBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY codeinput ISPORT(ENABLE:IN STD_LOGIC; PASSWORD:IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); Q:OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DO

17、WNTO 0);END codeinput;ARCHITECTURE bhv OF codeinput ISBEGINPROCESS(ENABLE,PASSWORD) BEGINIF ENABLE = 1 THENQ(7) = PASSWORD(7);Q(6) = PASSWORD(6);Q(5) = PASSWORD(5);Q(4) = PASSWORD(4);Q(3) = 0;Q(2) = 0;Q(1) = 0;Q(0) = 0;END IF;IF ENABLE=0 THENQ = 00000000;END IF;END PROCESS;END bhv;仿真波形為：當(dāng)使能信號(hào)為低電平，鎖存

18、器輸出狀態(tài)保持不變，輸入信號(hào)沒(méi)有讀入；當(dāng)使能信號(hào)有低電平變?yōu)楦唠娖?，鎖存器開(kāi)始讀入輸入的信號(hào)。6.3 開(kāi)鎖控制系統(tǒng)源程序及其仿真波形源程序?yàn)椋篖IBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY lockcontrol IS PORT( FEEDBACK,RESET:IN STD_LOGIC; Y:OUT STD_LOGIC); END lockcontrol; ARCHITECTURE bhv OF lockcontrol IS BEGINPROCESS(FEEDBACK,RESET)

19、BEGIN Y = 1;IF FEEDBACK = 0 THEN Y = 0;END IF;IF RESET = 1 THENY = 1;END IF;END PROCESS; END bhv; 仿真波形為：FEEDBACK為反饋信號(hào)，RESET為重置密碼信號(hào)。當(dāng)反饋信號(hào)下降沿來(lái)到時(shí)，開(kāi)鎖控制輸出Y低電平，用于在輸入錯(cuò)誤密碼后禁止再次安鎖；當(dāng)RESET腳為高電平時(shí)，開(kāi)鎖控制輸出高電平。6.4 比較器源程序以及仿真波形源程序?yàn)椋篖IBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.All;ENTITY comparator IS PORT(rightpassword,pass

20、word:IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);OPN,CLK,RESET:IN STD_LOGIC;A,B,warner:OUT STD_LOGIC;D11,D12,D21,D22:OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);END comparator;ARCHITECTURE bhv OF comparator ISBEGINPROCESS(OPN,CLK,RESET,rightpassword,password)BEGIN D11(3) = rightpassword(7);D11(2) = rightpassword(6);D11(1)

21、 = rightpassword(5);D11(0) = rightpassword(4);D12(3) = rightpassword(3);D12(2) = rightpassword(2);D12(1) = rightpassword(1);D12(0) = rightpassword(0);D21(3) = password(7);D21(2) = password(6);D21(1) = password(5);D21(0) = password(4);D22(3) = password(3);D22(2) = password(2);D22(1) = password(1);D22

22、(0) = password(0);IF OPN = 1 THENIF rightpassword = password THENA = 1;B = 0;warner = 0;END IF;IF rightpassword /= password THENA = 0;B = 1;warner = CLK; IF RESET = 1 THEN A = 0; B = 0; warner = 0;END IF;END IF;ELSE A = 0;B = 0;warner DOUT7DOUT7DOUT7DOUT7DOUT7DOUT7DOUT7DOUT7DOUT7DOUT7DOUT7=0000000;

23、END CASE; END PROCESS;END ARCHITECTURE a ;仿真波形為：可以由二進(jìn)制代碼的值判斷出仿真結(jié)果真確，從圖中還可以觀察到，當(dāng)輸入的四位數(shù)中有兩位及以上同時(shí)跳變時(shí)，出現(xiàn)了競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)現(xiàn)象。6.6 頂層源文件的仿真波形分析（1）密碼輸入正確時(shí)： 按下SETUP設(shè)置密碼。按啟動(dòng)鍵START啟動(dòng)開(kāi)鎖程序，當(dāng)輸入的密碼與設(shè)定的密碼相同，按下OPEN鍵，A燈亮起，鎖打開(kāi)，B燈和蜂鳴器不工作。（2）密碼輸入不正確時(shí)： 按下SETUP設(shè)置密碼。按啟動(dòng)鍵START啟動(dòng)開(kāi)鎖程序，當(dāng)輸入密碼與設(shè)定的密碼不同，按下OPEN鍵，B燈亮，蜂鳴器隨CLK周期性鳴響，此時(shí)，開(kāi)關(guān)SETUP和START沒(méi)有作用，只能關(guān)閉OPEN并按下RESET，才可