EDA技術綜合應用實例與第章 電子密碼鎖的設計與

第4章電子密碼鎖的設計與分析4.1系統(tǒng)設計要求4.2系統(tǒng)設計方案4.3主要VHDL源程序4.4系統(tǒng)仿真/硬件驗證4.5設計技巧分析

4.6系統(tǒng)擴展思路

4.1系統(tǒng)設計要求設計一個具有較高安全性和較低成本的通用電子密碼鎖，其具體功能要求如下：(1)數(shù)碼輸入：每按下一個數(shù)字鍵，就輸入一個數(shù)值，并在顯示器上的最右方顯示出該數(shù)值，同時將先前輸入的數(shù)據(jù)依序左移一個數(shù)字位置。(2)數(shù)碼清除：按下此鍵可清除前面所有的輸入值，清除成為“0000”。(3)密碼更改：按下此鍵時會將目前的數(shù)字設定成新的密碼。(4)激活電鎖：按下此鍵可將密碼鎖上鎖。(5)解除電鎖：按下此鍵會檢查輸入的密碼是否正確，密碼正確即開鎖。4.2系統(tǒng)設計方案作為通用電子密碼鎖，主要由三個部分組成：數(shù)字密碼輸入電路、密碼鎖控制電路和密碼鎖顯示電路。作為電子密碼鎖的輸入電路，可供選擇的方案有數(shù)字機械式鍵盤和觸摸式數(shù)字鍵盤等多種。根據(jù)以上選定的輸入設備和顯示器件，并考慮到實現(xiàn)各項數(shù)字密碼鎖功能的具體要求，整個電子密碼鎖系統(tǒng)的總體組成框圖如圖4.1所示。(1)密碼鎖輸入電路包括時序產(chǎn)生電路、鍵盤掃描電路、鍵盤彈跳消除電路、鍵盤譯碼電路等幾個小的功能電路。(2)密碼鎖控制電路包括按鍵數(shù)據(jù)的緩沖存儲電路，密碼的清除、變更、存儲、激活電鎖電路(寄存器清除信號發(fā)生電路)，密碼核對(數(shù)值比較電路)，解鎖電路(開/關門鎖電路)等幾個小的功能電路。(3)七段數(shù)碼管顯示電路主要將待顯示數(shù)據(jù)的BCD碼轉(zhuǎn)換成數(shù)碼器的七段顯示驅(qū)動編碼。圖4.1數(shù)字電子密碼鎖系統(tǒng)總體框圖4.2.1密碼鎖輸入電路的設計圖4.2是電子密碼鎖的輸入電路框圖，由鍵盤掃描電路、彈跳消除電路、鍵盤譯碼電路、按鍵數(shù)據(jù)緩存器，加上外接的一個3×4矩陣式鍵盤組成。圖4.2密碼鎖的輸入電路框圖1．矩陣式鍵盤的工作原理矩陣式鍵盤是一種常見的輸入裝置，在日常的生活中，矩陣式鍵盤在計算機、電話、手機、微波爐等各式電子產(chǎn)品上已經(jīng)被廣泛應用。圖4.3是一個3×4矩陣式鍵盤的面板配置圖，其中數(shù)字0～9作為密碼數(shù)字輸入按鍵，*作為“上鎖”功能按鍵，#作為“解鎖/清除”功能按鍵。圖4.33×4矩矩陣式鍵鍵盤的面面板配置置表4.1按按鍵位置置與數(shù)碼碼關系2．密碼碼鎖輸入入電路各各主要功功能模塊塊的設計計1)時時序產(chǎn)生生電路本時序產(chǎn)產(chǎn)生電路路中使用用了三種種不同頻頻率的工工作脈沖沖波形：：系統(tǒng)時時鐘脈沖沖(它是是系統(tǒng)內(nèi)內(nèi)部所有有時鐘脈脈沖的源源頭，且且其頻率率最高)、彈跳跳消除取取樣信號號、鍵盤盤掃描信信號。2)鍵鍵盤掃描描電路掃描電路路的作用用是用來來提供鍵鍵盤掃描描信號(表4.1中的的KY3～KY0)的的，掃描描信號變變化的順順序依次次為1110－－1101－1011－0111－－1110......依序序地周而而復始。。3)彈彈跳消除除電路由于本設設計中采采用的矩矩陣式鍵鍵盤是機機械開關關結(jié)構(gòu)，，因此在在開關切切換的瞬瞬間會在在接觸點點出現(xiàn)信信號來回回彈跳的的現(xiàn)象，，對于電電子密碼碼鎖這種種靈敏度度較高的的電路這這種彈跳跳將很可可能會造造成誤動動作輸入入，從而而影響到到密碼鎖鎖操作的的正確性性。從圖4.4中中可以觀察出出彈跳現(xiàn)象產(chǎn)產(chǎn)生的原因，，雖然只是按按下按鍵一次次然后放掉，，然而實際產(chǎn)產(chǎn)生的按鍵信信號卻不止跳跳動一次，經(jīng)經(jīng)過取樣信號號的檢查后，，將會造成誤誤判斷，以為為鍵盤按了兩兩次。如果調(diào)調(diào)整抽樣頻率率(如圖4.5所示)，，可以發(fā)現(xiàn)彈彈跳現(xiàn)象獲得得了改善。圖4.4彈彈跳現(xiàn)象產(chǎn)產(chǎn)生錯誤的抽抽樣結(jié)果圖4.5調(diào)調(diào)整抽樣頻頻率后得到的的抽樣結(jié)果彈跳消除電路路的實現(xiàn)原理理如圖4.6所示，先將將鍵盤的輸入入信號D_IN做為電路路的輸入信號號，CLK是是電路的時鐘鐘脈沖信號，，也就是取樣樣信號，D_IN經(jīng)過兩兩級D觸發(fā)器器延時后再使使用RS觸發(fā)發(fā)器處理。圖4.6彈彈跳消除電電路的內(nèi)部實實現(xiàn)原理圖此處RS觸發(fā)發(fā)器的前端連連接和非門的的處理原則是是：(1)因為為一般人的按按鍵速度至多多是10次/秒，亦即一一次按鍵時間間是100ms，所以以按下的時間間可估算為50ms。。以取樣信號號CLK的周周期為8ms計，則可可以取樣到6次。(2)對于于不穩(wěn)定的噪噪聲，在4ms以下則則至多抽樣一一次。(3)在觸觸發(fā)器之前，，接上AND-NOT之之后，SR的的組態(tài)如表4.2所示。。表4.2RS觸發(fā)器器真值表4)鍵盤譯譯碼電路上述鍵盤中的的按鍵可分為為數(shù)字按鍵和和文字按鍵，，每一個按鍵鍵可能負責不不同的功能，，例如清除數(shù)數(shù)碼、退位、、激活電鎖、、開鎖等，詳詳細功能參見見表4.3。。表4.3鍵鍵盤參數(shù)表表5)按鍵存存儲電路因為每次掃描描會產(chǎn)生新的的按鍵數(shù)據(jù)，，可能會覆蓋蓋前面的數(shù)據(jù)據(jù)，所以需要要一個按鍵存存儲電路，將將整個鍵盤掃掃描完畢后的的結(jié)果記錄下下來。按鍵存存儲電路可以以使用移位寄寄存器構(gòu)成。。4.2.2密密碼鎖控控制電路的設設計密碼鎖的控制制電路是整個個電路的控制制中心，主要要完成對數(shù)字字按鍵輸入和和功能按鍵輸輸入的響應控控制。1．數(shù)字按鍵鍵輸入的響應應控制(1)如果果按下數(shù)字鍵鍵，第一個數(shù)數(shù)字會從顯示示器的最右端端開始顯示，，此后每新按按一個數(shù)字時時，顯示器上上的數(shù)字必須須左移一格，，以便將新的的數(shù)字顯示出出來。(2)假如如要更改輸入入的數(shù)字，可可以按倒退按按鍵來清除前前一個輸入的的數(shù)字，或者者按清除鍵清清除所有輸入入的數(shù)字，再再重新輸入四四位數(shù)。(3)由于于這里設計的的是一個四位位的電子密碼碼鎖，所以當當輸入的數(shù)字字鍵超過四個個時，電路不不予理會，而而且不再顯示示第四個以后后的數(shù)字。2．功能按鍵鍵輸入的響應應控制(1)清除除鍵：清除所所有的輸入數(shù)數(shù)字，即做歸歸零動作。(2)激活活電鎖鍵：按按下此鍵時可可將密碼鎖的的門上鎖。(上鎖前必須須預先設定一一個四位的數(shù)數(shù)字密碼。)(3)解除除電鎖鍵：按按下此鍵會檢檢查輸入的密密碼是否正確確，若密碼正正確無誤則開開門。圖4.7電電子密碼鎖鎖的三種模式式及關系4.2.3密密碼鎖顯顯示電路的設設計密碼鎖顯示電電路的設計比比較簡單，這這里直接采用用四個4-7譯碼器來實實現(xiàn)。4.2.4密密碼鎖的的整體組裝設設計將前面各個設設計好的功能能模塊進行整整合，可得到到一個完整的的電子密碼鎖鎖系統(tǒng)的整體體組裝設計原原理圖，如圖圖4.8所示示。圖4.8密密碼鎖的整整體組裝設計計原理圖4.3主主要VHDL源程序4.3.1鍵鍵盤輸入入去抖電路的的VHDL源源程序--DCFQ.VHDLIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITYDCFQISPORT(CLK,CLRN,PRN,D:INSTD_LOGIC;Q:OUTSTD_LOGIC);ENDENTITYDCFQ;ARCHITECTUREARTOFDCFQISBEGINPROCESS(CLK,CLRN,PRN)BEGINIFCLRN='0'ANDPRN='1'THENQ<='0';ELSIFCLRN='1'ANDPRN='0'THENQ<='1';ELSIFCLK'EVENTANDCLK='1'THENQ<=D;ENDIF;ENDPROCESS;ENDARCHITECTUREART;--DEBOUNCING.VHDLIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;LIBRARYALTERA;USEALTERA.MAXPLUS2.ALL;ENTITYDEBOUNCINGISPORT(D_IN,CLK:INSTD_LOGIC;DD1,DD0,QQ1,QQ0:OUTSTD_LOGIC;D_OUT,D_OUT1:OUTSTD_LOGIC);ENDENTITYDEBOUNCING;ARCHITECTUREARTOFDEBOUNCINGISCOMPONENTDCFQISPORT(CLK,CLRN,PRN,D:INSTD_LOGIC;Q:OUTSTD_LOGIC);ENDCOMPONENTDCFQ;SIGNALVCC,INV_D:STD_LOGIC;SIGNALQ0,Q1:STD_LOGIC;SIGNALD1,D0:STD_LOGIC;BEGINVCC<='1';INV_D<=NOTD_IN;U1:DCFQPORTMAP(CLK=>CLK,CLRN=>INV_D,PRN=>VCC,D=>VCC,Q=>Q0);U2:DCFQPORTMAP(CLK=>CLK,CLRN=>Q0,PRN=>VCC,D=>VCC,Q=>Q1);PROCESS(CLK)BEGINIFCLK'EVENTANDCLK='1'THEND0<=NOTQ1;D1<=D0;ENDIF;ENDPROCESS;DD0<=D0;DD1<=D1;QQ1<=Q1;QQ0<=Q0;D_OUT<=NOT(D1ANDNOTD0);D_OUT1<=NOTQ1;ENDARCHITECTUREART;4.3.2密密碼碼鎖鎖輸輸入入電電路路的的VHDL源源程程序序--KEYBOARD.VHDLIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USEIEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITYKEYBOARDISPORT(CLK_1K:INSTD_LOGIC;--系系統(tǒng)統(tǒng)原原始始時時鐘鐘脈脈沖沖(1kHz)KEY_IN:INSTD_LOGIC_VECTOR(2DOWNTO0);--按按鍵鍵輸輸入入CLK_SCAN:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0);--(仿仿真真時時用用)鍵鍵盤盤掃掃描描序序列列DATA_N:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0);--數(shù)數(shù)字字輸輸出出DATA_F:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0);--功功能能輸輸出出FLAG_N:OUTSTD_LOGIC;--數(shù)數(shù)字字輸輸出出標標志志FLAG_F:OUTSTD_LOGIC;--功功能能輸輸出出標標志志CLK_CTR:OUTSTD_LOGIC;--控控制制電電路路工工作作時時鐘鐘信信號號CLK_DEBOUNCE:OUTSTD_LOGIC--(仿仿真真時時用用)去去抖抖電電路路工工作作時時鐘鐘信信號號);ENDENTITYKEYBOARD;ARCHITECTUREARTOFKEYBOARDISCOMPONENTDEBOUNCINGISPORT(D_IN:INSTD_LOGIC;CLK:INSTD_LOGIC;D_OUT:OUTSTD_LOGIC);ENDCOMPONENTDEBOUNCING;SIGNALCLK:STD_LOGIC;--電電路路工工作作時時鐘鐘脈脈沖沖SIGNALC_KEYBOARD:STD_LOGIC_VECTOR(1DOWNTO0);--鍵鍵掃掃信信號號““00-01-10-11””寄寄存存器器SIGNALC_DEBOUNCE:STD_LOGIC;--去去抖抖時時鐘鐘信信號號SIGNALC:STD_LOGIC_VECTOR(2DOWNTO0);--鍵鍵盤盤輸輸入入去去抖抖后后的的寄寄存存器器SIGNALN,F:STD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0);--數(shù)數(shù)字字、、功功能能按按鍵鍵譯譯碼碼值值的的寄寄存存器器SIGNALFN,FF:STD_LOGIC;--數(shù)數(shù)字字、、功功能能按按鍵鍵標標志志值值數(shù)數(shù)字字、、功功能能按按鍵鍵SIGNALSEL:STD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0);BEGIN--內(nèi)內(nèi)部部連連接接DATA_N<=N;DATA_F<=F;FLAG_N<=FN;FLAG_F<=FF;CLK_CTR<=CLK;--掃掃描描信信號號發(fā)發(fā)生生器器COUNTER:BLOCKISSIGNALQ:STD_LOGIC_VECTOR(5DOWNTO0);SIGNALSEL:STD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0);--1110-1101-1011-0111BEGINPROCESS(CLK_1K)ISBEGINIFCLK_1K'EVENTANDCLK_1K='1'THENQ<=Q+1;ENDIF;C_DEBOUNCE<=Q(2);--去去抖抖時時鐘鐘信信號號,大大約約125HzC_KEYBOARD<=Q(6DOWNTO5);--產(chǎn)產(chǎn)生生鍵鍵掃掃信信號號***““00-01-10-11””,大大約約16Hz--C_DEBOUNCE<=Q(1);--仿仿真真時時用用--C_KEYBOARD<=Q(5DOWNTO4);--仿仿真真時時用用CLK<=Q(0);ENDPROCESS;CLK_DEBOUNCE<=C_DEBOUNCE;SEL<="1110"WHENC_KEYBOARD=0ELSE"1101"WHENC_KEYBOARD=1ELSE"1011"WHENC_KEYBOARD=2ELSE"0111"WHENC_KEYBOARD=3ELSE"1111";CLK_SCAN<=SEL;ENDBLOCKCOUNTER;--鍵鍵盤盤去去抖抖DEBOUNUING:BLOCKISBEGINU1:DEBOUNCINGPORTMAP(D_IN=>KEY_IN(0),D_OUT=>C(0),CLK=>C_DEBOUNCE);U2:DEBOUNCINGPORTMAP(D_IN=>KEY_IN(1),D_OUT=>C(1),CLK=>C_DEBOUNCE);U3:DEBOUNCINGPORTMAP(D_IN=>KEY_IN(2),D_OUT=>C(2),CLK=>C_DEBOUNCE);ENDBLOCKDEBOUNUING;--鍵鍵盤盤譯譯碼碼KEY_DECODER:BLOCKSIGNALZ:STD_LOGIC_VECTOR(4DOWNTO0);--按按鍵鍵位位置置BEGINPROCESS(CLK)BEGINZ<=C_KEYBOARD&C;IFCLK'EVENTANDCLK='1'THENCASEZISWHEN"11101"=>N<="0000";--0WHEN"00011"=>N<="0001";--1WHEN"00101"=>N<="0010";--2WHEN"00110"=>N<="0011";--3WHEN"01011"=>N<="0100";--4WHEN"01101"=>N<="0101";--5WHEN"01110"=>N<="0110";--6WHEN"10011"=>N<="0111";--7WHEN"10101"=>N<="1000";--8WHEN"10110"=>N<="1001";--9WHENOTHERS=>N<="1111";ENDCASE;ENDIF;IFCLK'EVENTANDCLK='1'THENCASEZISWHEN"11011"=>F<="0100";--*_LOCKWHEN"11110"=>F<="0001";--#_UNLOCKWHENOTHERS=>F<="1000";ENDCASE;ENDIF;ENDPROCESS;FN<=NOT(N(3)ANDN(2)ANDN(1)ANDN(0));FF<=F(2)ORF(0);ENDBLOCKKEY_DECODER;ENDARCHITECTUREART;4.3.3密密碼碼鎖控控制電電路的的VHDL源程程序--CTRL.VHDLIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USEIEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITYCTRLISPORT(DATA_N:INSTD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0);DATA_F:INSTD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0);FLAG_N:INSTD_LOGIC;FLAG_F:INSTD_LOGIC;CLK:INSTD_LOGIC;ENLOCK:OUTSTD_LOGIC;--1:LOCK,0:UNLOCKDATA_BCD:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(15DOWNTO0));ENDENTITYCTRL;ARCHITECTUREARTOFCTRLISSIGNALACC,REG:STD_LOGIC_VECTOR(15DOWNTO0);--ACC用于于暫存存鍵盤盤輸入入的信信息，，REG用用于存存儲輸輸入的的密碼碼SIGNALNC:STD_LOGIC_VECTOR(2DOWNTO0);SIGNALRR2,CLR,BB,QA,QB:STD_LOGIC;SIGNALR1,R0:STD_LOGIC;BEGIN--寄寄存器器清零零信號號的產(chǎn)產(chǎn)生進進程PROCESS(CLK)BEGINIFCLK'EVENTANDCLK='1'THENR1<=R0;R0<=FLAG_F;ENDIF;RR2<=R1ANDNOTR0;CLR<=RR2;ENDPROCESS;--按按鍵輸輸入數(shù)數(shù)據(jù)的的存儲儲、清清零進進程KEYIN_PROCESS:BLOCKISSIGNALRST,D0,D1:STD_LOGIC;BEGINRST<=RR2;PROCESS(FLAG_N,RST)ISBEGINIFRST='1'THENACC<="0000000000000000";--CLEARINPUTNC<="000";ELSEIFFLAG_N'EVENTANDFLAG_N='1'THENIFNC<4THENACC<=ACC(11DOWNTO0)&DATA_N;NC<=NC+1;ENDIF;ENDIF;ENDIF;ENDPROCESS;ENDBLOCKKEYIN_PROCESS;--上上鎖/開鎖鎖控制制進程程LOCK_PROCESS:BLOCKISBEGINPROCESS(CLK,DATA_F)ISBEGINIF(CLK'EVENTANDCLK='1')THENIFNC=4THENIFDATA_F(2)='1'THEN--上上鎖控控制信信號有有效REG<=ACC;--密密碼存存儲QA<='1';QB<='0';ELSIFDATA_F(0)='1'THEN--開鎖鎖控制制信號號有效效IFREG=ACCTHEN--密碼碼核對對QA<='0';QB<='1';ENDIF;ELSIFACC="1000100010001000"THEN--設設置““8888”為為萬用用密碼碼QA<='0';QB<='1';ENDIF;ENDIF;ENDIF;ENDPROCESS;ENDBLOCKLOCK_PROCESS;--輸輸出上上鎖/開鎖鎖控制制信號號ENLOCK<=QAANDNOTQB;--輸輸出顯顯示信信息DATA_BCD<=ACC;ENDARCHITECTUREART;4.3.4其其他他電路路的VHDL源源程序序?qū)τ诿苊艽a鎖鎖顯示示電路路及電電子密密碼鎖鎖整體體組裝裝的VHDL源源程序序，請請讀者者根據(jù)據(jù)圖4.8密密碼鎖鎖的整整體組組裝設設計原原理圖圖自行行完成成。4.4系系統(tǒng)統(tǒng)仿真真/硬硬件驗驗證4.4.1系系統(tǒng)統(tǒng)的有有關仿仿真1.鍵鍵盤盤輸入入去抖抖電路路的仿仿真圖4.9為為鍵盤盤輸入入去抖抖電路路的仿仿真結(jié)結(jié)果圖圖，圖圖中的的輸出出信號號QQ0，，QQ1，，D_OUT1，DD0，DD1是為為便于于仿真真時觀觀察中中間結(jié)結(jié)果而而增加加的觀觀測點點的輸輸出，，調(diào)試試好后后程序序中的的相應應語句句應注注釋掉掉。圖4.9鍵鍵盤輸輸入去抖抖電路DEBOUNCING.VHD的仿仿真結(jié)果果圖2．密碼碼鎖輸入入電路的的仿真圖4.10為密密碼鎖輸輸入電路路的仿真真結(jié)果圖圖，圖中中的輸出出信號CLK_SCAN，C_DEBOUNCE是為便便于仿真真時觀察察中間結(jié)結(jié)果而增增加的觀觀測點的的輸出，，調(diào)試好好后程序