EDA課程設(shè)計電子密碼鎖

年4月19日EDA課程設(shè)計電子密碼鎖文檔僅供參考目錄TOC\o"1-3"\u摘要 21緒論 31.1電子密碼鎖簡介 31.2電子密碼鎖的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 31.3EDA技術(shù)及VHDL語言 42電子密碼鎖總體設(shè)計 62.1總體設(shè)計方案 062.2設(shè)計思路簡述 72.3整體組裝設(shè)計原理圖 83單元模塊程序設(shè)計 93.1電子密碼鎖輸入模塊 93.1.1輸入模塊程序 93.1.2輸入模塊單元 123.1.3輸入模塊仿真 123.2電子密碼鎖系統(tǒng)控制模塊 123.2.1控制模塊程序 133.2.2控制模塊單元 153.2.3控制模塊仿真圖 153.3電子密碼鎖系統(tǒng)顯示模塊 163.3.1顯示模塊程序 163.3.2顯示模塊單元 173.3.3顯示模塊仿真 174小結(jié) 18參考文獻(xiàn) 19電子密碼鎖設(shè)計摘要隨著人們生活水平的提高，如何實現(xiàn)家庭防盜這一問題逐漸變的尤為突出，傳統(tǒng)的機(jī)械鎖由于其構(gòu)造簡單，故安全性能不容樂觀，同時電子技術(shù)的高速發(fā)展使得具有防盜報警等功能的電子密碼鎖代替密碼量少、安全性差的機(jī)械式密碼鎖已是必然趨勢。電子密碼鎖是一種經(jīng)過密碼輸入來控制電路或是芯片工作，從而控制機(jī)械開關(guān)的閉合，完成開鎖、閉鎖任務(wù)的電子產(chǎn)品。當(dāng)前設(shè)計密碼鎖的方法有很多，而用VHDL能夠更加快速、靈活地設(shè)計出符合各種要求的密碼鎖，優(yōu)于其它設(shè)計方法。關(guān)鍵字：家庭防盜安全電子密碼鎖VHDL1緒論1.1電子密碼鎖簡介電子密碼鎖是一種經(jīng)過密碼輸入來控制電路或是芯片工作，從而控制機(jī)械開關(guān)的閉合，完成開鎖、閉鎖任務(wù)的電子產(chǎn)品。它的種類很多，有簡易的電路產(chǎn)品，也有基于芯片的性價比較高的產(chǎn)品。現(xiàn)在應(yīng)用較廣的電子密碼鎖是以芯片為核心，經(jīng)過編程來實現(xiàn)的。其性能和安全性已大大超過了機(jī)械鎖。其特點如下：保密性好，編碼量多，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于彈子鎖，隨機(jī)開鎖成功率幾乎為零；密碼可變，用戶能夠隨時更改密碼，防止密碼被盜，同時也能夠避免因人員的更替而使鎖的密級下降；誤碼輸入保護(hù)，當(dāng)輸入密碼多次錯誤時，報警系統(tǒng)自動啟動；無活動零件，不會磨損，壽命長；使用靈活性好，不像機(jī)械鎖必須佩帶鑰匙才能開鎖；電子密碼鎖操作簡單易行，一學(xué)即會。1.2電子密碼鎖的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢隨著生活水平的提高和安全意識的加強(qiáng)，人們對安全的要求也就越來越高。鎖自古以來就是把守護(hù)門的鐵將軍，人們對它要求甚高，既要安全可靠的防盜，又要使用方便，這也是制鎖者長期以來研制的主題。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，各類電子產(chǎn)品應(yīng)運而生，電子密碼鎖就是其中之一。據(jù)有關(guān)資料介紹，電子密碼鎖的研究從20世紀(jì)30年代就開始了，在一些特殊場所早就有所應(yīng)用。這種鎖是經(jīng)過鍵盤輸入一組密碼完成開鎖過程。研究這種鎖的初衷，就是為提高鎖的安全性。由于電子鎖的密鑰量（密碼量）極大，能夠與機(jī)械鎖配合使用，而且能夠避免因鑰匙被仿制而留下安全隱患。電子鎖只需記住一組密碼，無需攜帶金屬鑰匙，免除了人們攜帶金屬鑰匙的煩惱，而被越來越多的人所欣賞。電子鎖的種類繁多，例如數(shù)碼鎖，指紋鎖，磁卡鎖，IC卡鎖，生物鎖等。但較實用的還是按鍵式電子密碼鎖。20世紀(jì)80年代后，隨著電子鎖專用集成電路的出現(xiàn)，電子鎖的體積縮小，可靠性提高，成本較高，是適合使用在安全性要求較高的場合，且需要有電源提供能量，使用還局限在一定范圍，難以普及，因此對它的研究一直沒有明顯進(jìn)展。當(dāng)前，在西方發(fā)達(dá)國家，電子密碼鎖技術(shù)相對先進(jìn)，種類齊全，電子密碼鎖已被廣泛應(yīng)用于智能門禁系統(tǒng)中，經(jīng)過多種更加安全，更加可靠的技術(shù)實現(xiàn)大門的管理。在中國電子鎖整體水平尚處于國際上70年代左右，電子密碼鎖的成本還很高，市場上仍以按鍵電子鎖為主，按鍵式和卡片鑰匙式電子鎖已引進(jìn)國際先進(jìn)水平，現(xiàn)國內(nèi)有幾個廠生產(chǎn)供應(yīng)市場。但國內(nèi)自行研制開發(fā)的電子鎖，其市場結(jié)構(gòu)尚未形成，應(yīng)用還不廣泛。國內(nèi)的不少企業(yè)也引進(jìn)了世界上先進(jìn)的技術(shù)，發(fā)展前景非?？捎^。希望經(jīng)過不斷的努力，使電子密碼鎖在中國也能得到廣泛應(yīng)用。當(dāng)前使用的電子密碼鎖大部分是基于單片機(jī)技術(shù)，以單片機(jī)為主要器件，其編碼器與解碼器的生成為軟件方式。在實際應(yīng)用中，由于程序容易跑飛，系統(tǒng)的可靠性能較差?；诂F(xiàn)場可編程邏輯門陣列FPGA器件的電子密碼鎖，用FPGA器件構(gòu)造系統(tǒng)，所有算法完全由硬件電路來實現(xiàn)，使得系統(tǒng)的工作可靠性大為提高。由于FPGA具有現(xiàn)場可編程功能，當(dāng)設(shè)計需要更改時，只需更改FPGA中的控制和接口電路，利用EDA工具將更新后的設(shè)計下載到FPGA中即可，無需更改外部電路的設(shè)計，大大提高了設(shè)計的效率。1.3EDA技術(shù)及VHDL語言在電子設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域，可編程邏輯器件(如PLD，GAL)的應(yīng)用，已有了很好的普及。這些器件為數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計帶來極大的靈活性。由于這類器件能夠經(jīng)過軟件編程而對其硬件的結(jié)構(gòu)和工作方式進(jìn)行重構(gòu)，使得硬件的設(shè)計能夠如同軟件設(shè)計那樣方便快捷。這一切極大地改變了傳統(tǒng)的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計方法、設(shè)計過程、乃至設(shè)計觀念?？v觀可編程邏輯器件的發(fā)展史，它在結(jié)構(gòu)原理、集成規(guī)模、下載方式、邏輯設(shè)計手段等方面的每一次進(jìn)步都為現(xiàn)代電子設(shè)計技術(shù)的革命與發(fā)展提供了不可或缺的強(qiáng)大動力。隨著可編程邏輯器件集成規(guī)模不斷擴(kuò)大，自身功能的不斷完善和計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)的提高，在現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域中的EDA便應(yīng)運而生了。傳統(tǒng)的數(shù)字電路設(shè)計模式，如利用卡諾圖的邏輯化簡手段以及難懂的布爾方程表示方式和相應(yīng)的TTL或4000系列小規(guī)模集成芯片的堆砌技術(shù)正在迅速地退出歷史舞臺。電子設(shè)計自動化(EDA)是一種實現(xiàn)電子系統(tǒng)或電子產(chǎn)品自動化設(shè)計的技術(shù)，它與電子技術(shù)、微電子技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)，吸收了計算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的大多數(shù)最新研究成果，以高性能的計算機(jī)作為工作平臺，是20世紀(jì)90年代初從CAD(計算機(jī)輔助設(shè)計)、CAM(計算機(jī)輔助制造)、CAT(計算機(jī)輔助測試)和CAE(計算機(jī)輔助工程)的概念發(fā)展而來的。EDA技術(shù)就是以計算機(jī)為工具，在EDA軟件平臺上，根據(jù)硬件描述語言HDL完成的設(shè)計文件，自動地完成邏輯編譯、化簡、分割、綜合及優(yōu)化、布局線、仿真，直至對于特定目標(biāo)芯片的適配編譯、邏輯映射和編程下載等工作。設(shè)計者的工作僅限于利用軟件的方式來完成對系統(tǒng)硬件功能的描述，在EDA工具的幫助下和應(yīng)用相應(yīng)的FPG刀CPLD器件，就能夠得到最后的設(shè)計結(jié)果。盡管目標(biāo)系統(tǒng)是硬件，但整個設(shè)計和修改過程如同完成軟件設(shè)計一樣方便和高效。當(dāng)然，這里的所謂EDA主要是指數(shù)字系統(tǒng)的自動化設(shè)計，因為這一領(lǐng)域的軟硬件方面的技術(shù)已比較成熟，應(yīng)用的普及程度也已比較大。而模擬電子系統(tǒng)的EDA正在進(jìn)入實用，其初期的EDA工具不一定需要硬件描述語言。另外，從應(yīng)用的廣度和深度來說，由于電子信息領(lǐng)域的全面數(shù)字化，基于EDA的數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計技術(shù)具有更大的應(yīng)用市場和更緊迫的需求性。VHDL是一種全方位的硬件描述語言，包括系統(tǒng)行為級、寄存器傳輸級和邏輯門級多個設(shè)計層次,支持結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)流、行為三種描述形式的混合描述，因此VHDL幾乎覆蓋了以往各種硬件描述語言的功能，整個自頂向下或自底向上的電路設(shè)計過程都能夠用VHDL來完成。2電子密碼鎖總體設(shè)計2.1總體設(shè)計方案如圖2.1電子密碼鎖總體組成框圖該電子密碼鎖能夠分成三部分來設(shè)計，數(shù)字密碼輸入部分、密碼鎖控制電路和密碼鎖顯示電路。作為密碼鎖的輸入部分，可供選擇的方案有數(shù)字機(jī)械式鍵盤和觸摸式數(shù)字鍵盤等多種?？紤]種種因素，建議本設(shè)計采用通用數(shù)字機(jī)械鍵盤。根據(jù)以上選定的輸入設(shè)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2.1所示。密碼鎖輸入電路包括時序產(chǎn)生電路、鍵盤掃描電路、鍵盤去抖動電路、鍵盤譯碼電路等幾個小的功能電路。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(guān)門鎖電路)等幾個小的功能電路。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。根據(jù)以上選定的輸入設(shè)備和顯示器件，并考慮到實現(xiàn)各項數(shù)字密碼鎖功。密碼輸入一般采用機(jī)械式和接觸式兩種鍵盤。機(jī)械式3x4鍵盤雖然易產(chǎn)生抖動、磨損等問題，但具有電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可靠性高、技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛等優(yōu)點，在密碼鎖的設(shè)計過程中經(jīng)常被采用。圖2.2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。如圖2.2所示：圖2.2機(jī)械式鍵盤密碼密碼電路2.2設(shè)計思路簡述(1)密碼鎖輸入電路ENTER.VHD中對各種分頻信號/信號序列的設(shè)計有獨到之處。該設(shè)計中，利用一個自由計數(shù)器來產(chǎn)生各種需要的頻率，也就是先建立一個N位計數(shù)器，N的大小根據(jù)電路的需求決定。N的值越大，電路能夠除頻的次數(shù)就越多，這樣就能夠獲得更大的頻率變化，以便提供多種不同頻率的時鐘信號。若輸入時鐘為CLK，N位計數(shù)器的輸出為Q[N-1，0]，則Q（0）為CLK的2分頻脈沖信號，Q（1）為CLK的4分頻脈沖信號，Q（2）為CLK的8分頻脈沖信號，……Q(N-1)為CLK的2N分頻脈沖信號；Q（5DOWNTO4）取得的是一個脈沖波形序列，其值是依00-01-10-11-00-01周期性變化的，其變化頻率為CLK的25分頻，也就是32分頻。我們利用以上規(guī)律即可得到各種我們所需要頻率的信號或信號序列；（2)鍵盤輸入去抖電路的設(shè)計程序DEBOUCING.VHD在實際系統(tǒng)的開發(fā)中有較好的參考價值。（3)密碼鎖控制電路CONTROL.VHD中對于數(shù)據(jù)的更新及移位方法比較好。程序中使用語句“ACC<=ACC(11DOWNTO0)&DATA_N”非常簡潔地同時實現(xiàn)了ACC中低4位用DATA_N進(jìn)行更新，而高12位用ACC中原來的低12位左移而來的處理。

(4)在密碼鎖輸入電路等模塊的程序的設(shè)計和仿真中，為了便于觀察一些中間結(jié)果，在程序中增加了一些觀測輸出點。這一設(shè)計技巧，對于較大的程序或多進(jìn)程程序的設(shè)計非常重要。同時在仿真時，為了便于觀測全局結(jié)果，降低了分頻常數(shù)。同理，在進(jìn)行程序仿真時，對于程序中數(shù)目較大的分頻/計數(shù)/計時常數(shù)的修改是非常必要的。2.3整體組裝設(shè)計原理圖系統(tǒng)的整體組裝設(shè)計有密碼輸入模塊、密碼控制模塊、密碼顯示模塊三部分組成，故如圖2.3所示：圖2.3系統(tǒng)整體組裝設(shè)計原理圖3單元模塊程序設(shè)計本章節(jié)介紹的是單獨模塊的程序、原理圖、仿真以及功能說明，共有三個模塊，分別是電子密碼鎖輸入模塊、電子密碼鎖控制模塊以及顯示模塊。3.1電子密碼鎖輸入模塊（1）時序產(chǎn)生電路本時序產(chǎn)生電路中使用了三種不同頻率的工作脈沖波形：系統(tǒng)時鐘脈沖(它是系統(tǒng)內(nèi)部所有時鐘脈沖的源頭，且其頻率最高)、彈跳消除取樣信號、鍵盤掃描信號。（2）鍵盤掃描電路掃描電路的作用是用來提供鍵盤掃描信號(表3-1中的KY3～KY0)的，掃描信號變化的順序依次為1110－1101－1011－0111－1110依序地周而復(fù)始。（3）彈跳消除電路由于本設(shè)計中采用的矩陣式鍵盤是機(jī)械開關(guān)結(jié)構(gòu)，因此在開關(guān)切換的瞬間會在接觸點出現(xiàn)信號來回彈跳的現(xiàn)象，對于電子密碼鎖這種靈敏度較高的電路這種彈跳將很可能會造成誤動作輸入，從而影響到密碼鎖操作的正確性。表3-1按鍵位置的數(shù)碼關(guān)系3.1.1輸入模塊程序LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USEIEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITYENTERISPORT(CLK_1K:INSTD_LOGIC;KEY_IN:INSTD_LOGIC_VECTOR(2DOWNTO0);DATA_N:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0);DATA_F:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0);FLAG_N:OUTSTD_LOGIC;FLAG_F:OUTSTD_LOGIC;CQD:OUTSTD_LOGIC;KSEL:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0);CSR:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(1DOWNTO0));ENDENTITYENTER;ARCHITECTUREARTOFENTERISSIGNALC_QD:STD_LOGIC;SIGNALC_SR:STD_LOGIC_VECTOR(1DOWNTO0);SIGNALN,F:STD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0);SIGNALFN,FF:STD_LOGIC;SIGNALSEL:STD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0);SIGNALQ:STD_LOGIC_VECTOR(5DOWNTO0);SIGNALC:STD_LOGIC_VECTOR(2DOWNTO0);BEGINDATA_N<=N;DATA_F<=F;FLAG_N<=FN;FLAG_F<=FF;CQD<=C_QD;CSR<=C_SR;KSEL<=SEL;C(0)<=KEY_IN(0);C(1)<=KEY_IN(1);C(2)<=KEY_IN(2);COUNTER:BLOCKISBEGINPROCESS(CLK_1K)ISBEGINIF(CLK_1K'EVENTANDCLK_1K='1')THENQ<=Q+1;ENDIF;C_QD<=Q(3);C_SR<=Q(5DOWNTO4);ENDPROCESS;SEL<="1110"WHENC_SR=0ELSE"1101"WHENC_SR=1ELSE"1011"WHENC_SR=2ELSE"0111"WHENC_SR=3ELSE"1111";ENDBLOCKCOUNTER;KEY_DECODER:BLOCKSIGNALZ:STD_LOGIC_VECTOR(4DOWNTO0);BEGINPROCESS(C_QD)BEGINZ<=C_SR&C;IF(C_QD'EVENTANDC_QD='1')THENCASEZISWHEN"11101"=>N<="0000";WHEN"00011"=>N<="0001";WHEN"00101"=>N<="0010";WHEN"00110"=>N<="0011";WHEN"01011"=>N<="0100";WHEN"01101"=>N<="0101";WHEN"01110"=>N<="0110";WHEN"10011"=>N<="0111";WHEN"10101"=>N<="1000";WHEN"10110"=>N<="1001";WHENOTHERS=>N<="1111";ENDCASE;ENDIF;IFC_QD'EVENTANDC_QD='1'THENCASEZISWHEN"11011"=>F<="0100";WHEN"11110"=>F<="0001";WHENOTHERS=>F<="1000";ENDCASE;ENDIF;ENDPROCESS;FN<=NOT(N(3)ANDN(2)ANDN(1)ANDN(0));FF<=F(2)ORF(0);ENDBLOCKKEY_DECODER;ENDARCHITECTUREART;3.1.2輸入模塊單元有上面的程序經(jīng)過quartusII，我們能夠得到下面這個封裝元件。圖3.1電子密碼鎖鍵盤輸入3.1.3輸入模塊仿真圖3.2密碼鎖輸入模塊仿真圖3.2電子密碼鎖系統(tǒng)控制模塊密碼鎖的控制電路是整個電路的控制中心，主要完成對數(shù)字按鍵輸入和功能按鍵輸入的響應(yīng)控制。數(shù)字按鍵輸入的響應(yīng)控制：(1)如果按下數(shù)字鍵，第一個數(shù)字會從顯示器的最右端開始顯示，此后每新按一個數(shù)字時，顯示器上的數(shù)字必須左移一格，以便將新的數(shù)字顯示出來。(2)假如要更改輸入的數(shù)字，能夠按倒退按鍵來清除前一個輸入的數(shù)字，或者按清除鍵清除所有輸入的數(shù)字，再重新輸入四位數(shù)。(3)由于這里設(shè)計的是一個四位的電子密碼鎖，因此當(dāng)輸入的數(shù)字鍵超過四個時，電路不予理會，而且不再顯示第四個以后的數(shù)字。3.2.1控制模塊程序LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USEIEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITYCONTROLISPORT(DATA_N:INSTD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0);DATA_F:INSTD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0);FLAG_N:INSTD_LOGIC;FLAG_F:INSTD_LOGIC;MIMAIN:BUFFERSTD_LOGIC;SETIN:BUFFERSTD_LOGIC;OLD:BUFFERSTD_LOGIC;CQD:INSTD_LOGIC;ENLOCK:OUTSTD_LOGIC;DATA_BCD:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(15DOWNTO0));ENDENTITYCONTROL;ARCHITECTUREARTOFCONTROLISSIGNALACC,REG:STD_LOGIC_VECTOR(15DOWNTO0);BEGINPROCESS(CQD,FLAG_F)ISBEGINIFCQD'EVENTANDCQD='0'THENIFFLAG_F='1'THENIF(DATA_F="0100")THENACC<="1111";MIMAIN<='0';SETIN<='0';OLD<='0';ELSIF(DATA_F="0001")THENIF(MIMAIN='0'ANDSETIN='0')THENCASEACC(7DOWNTO0)ISWHEN"00010001"=>ENLOCK<='1';WHEN"10011001"=>MIMAIN<='1';ACC<="1111";WHEN"01010101"=>SETIN<='1';ACC<="1111";OLD<='1';WHENOTHERS=>NULL;ENDCASE;ELSIF(MIMAIN='1')THENIFACC=REGTHENENLOCK<='0';MIMAIN<='0';ELSEMIMAIN<='0';ENDIF;ELSIF(SETIN='1')THENIF(OLD='1')THENIF(ACC=REG)THENOLD<='0';ELSESETIN<='0';OLD<='0';ENDIF;ELSEIF(ACC<"1001")THENREG<=ACC;SETIN<='0';ENDIF;ENDIF;ENDIF;ENDIF;ELSIFFLAG_N='1'THENACC<=ACC(11DOWNTO0)&DATA_N;ENDIF;ENDIF;ENDPROCESS;DATA_BCD<=ACC;ENDARCHITECTUREART;3.2.2控制模塊單元有上面的程序經(jīng)過quartusII，我們能夠得到下面這個封裝元件。圖3.3電子密碼鎖控制元件3.2.3控制模塊仿真圖圖4.4密碼鎖控制模塊仿真圖3.3電子密碼鎖系統(tǒng)顯示模塊密碼顯示電路主要將顯示數(shù)據(jù)的BCD碼轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的編碼。如，若選用七段數(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。密碼鎖顯示電路的設(shè)計比較簡單，這里直接采用四個4-7譯碼器來實現(xiàn)。3.3.1顯示模塊程序LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITYDISPLAYISPORT(DATA_BCD:INSTD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0);DOUT7:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(6DOWNTO0));ENDDISPLAY;ARCHITECTUR