基于FPGA的电子密码锁设计(能力拓展训练).docx

武汉理工大学能力拓展训练学 号： 能力拓展训练题 目电子密码锁设计学 院专 业班 级姓 名指导教师2016年 月 日能力拓展训练任务书学生姓名： 专业班级： 自动化_班 指导教师： 孙晓明 工作单位： 自动化学院 题 目: 电子密码锁设计 初始条件：计算机、max+plus、eda实验箱。要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）设计一个电子密码锁，在锁开的状态下输入密码，设置的密码共4位，用数据开关k1k10分别代表数字1，2，9，0，输入的密码用数码管显示，最后输入的密码显示在最右边的数码管上，即每输入一位数，密码在数码管上的显示左移一位。可删除输入的数字，删除的是最后输入的数字，每删除一位，密码在数码管的显示右移一位，并在左边空出的位上补充“0”。用一位输出电平的状态代表锁的开闭状态。提高部分：为保证密码锁主人能打开密码锁，设置一个万能密码，在主人忘记密码时使用。任务安排：（1) 设计任务及要求分析（2) 方案比较及认证说明（3) 系统原理阐述，写出设计方案结构图（4) 软件设计课题需要说明：软件思想，流程图，源程序及程序注释（5) 调试记录及结果分析（6) 总结（7) 参考资料5篇以上（8) 附录：程序清单时间安排：d1：安排设计任务；收集资料；方案选择d2：程序设计d3：实验室内调试程序并演示d4：撰写报告d5：交能力拓展训练报告主要参考资料：1 谭会生，张昌凡eda 技术及应用西安：西安电子科技大学出版社20042 孙晓明eda实验指导书武汉：武汉理工大学教材中心，20071指导教师签名： 孙晓明 2016 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日摘要锁是保护人类生命财产安全的重要工具。随着社会发展技术进步，人类发明了保密性能和防盗功能更强的电子密码锁，以取代传统的机械锁。电子密码锁的种类很多，有简易的电路产品，也有基于芯片的性价比较高的产品。应用较广的电子密码锁是以芯片为核心，通过编程来实现的。其控制核心一般通过数字电路，单片机或fpga实现。fpga作为专用集成电路领域中的一种半定制电路，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。相比单片机开发需要同时设计硬件电路与编写程序，fpga开发以硬件描述语言来实现，可以更高效地实现电子密码锁的功能。本次电子密码锁设计通过使用verilog hdl硬件描述语言在max+plus软件环境下设计编译并仿真，下载至fpga以实现需要的功能。关键词：电子密码锁；fpga；verilog hdl目录1 设计任务及要求分析11.1 设计任务11.2 任务要求分析12 方案设计及选择22.1 设计思路22.2 单片机设计方案22.3 fpga设计方案22.4 方案选择33 基于fpga的电子密码锁设计43.1 按键消抖模块设计53.2 控制模块设计73.3 编码显示模块设计93.4 各模块组合设计104 调试记录及仿真结果分析124.1 调试记录124.2 仿真结果分析124.2.1 按键消抖模块仿真结果分析124.2.2 控制模块仿真结果分析134.2.3 编码显示模块仿真结果分析155 小结及体会16参考文献17附录18本科生能力拓展训练成绩评定表231 设计任务及要求分析1.1 设计任务设计一个4位电子密码锁：（1）用数据开关k1k10分别代表数字1，2，9，0，输入的密码用数码管显示；（2）最后输入的密码显示在最右边的数码管上，即每输入一位数，密码在数码管上的显示左移一位；（3）可删除输入的数字，删除的是最后输入的数字，每删除一位，密码在数码管的显示右移一位，并在左边空出的位上补充“0”；（4）用一位输出电平的状态代表锁的开闭状态；（5）在锁开的状态下输入密码，可以设置新密码；（6）设置一个万能密码，在主人忘记密码时使用。1.2 任务要求分析该电子密码锁输入信号来源有开关k1k10，设置密码键，密码核对键，退格键，关闭键；其输出信号为开闭状态，以及4个七段数码管显示。该电子密码锁输入输出信号与按键对应关系描述如下：（1）k1k10分别对应数字1，2，9，0，输入的密码用数码管显示；最后输入的密码显示在最右边的数码管上，即每输入一位数，密码在数码管上的显示左移一位；（2）按下退格键，可删除输入的数字，删除的是最后输入的数字，每删除一位，密码在数码管的显示右移一位，并在左边空出的位上补充“0”；（3）在锁开的状态下输入密码，按下设置密码键后，可以设置新密码；（4）输入密码后按下密码核对键，用一位输出电平的状态代表锁的开闭状态；（5）在锁开状态下，按下关闭键，代表锁的开闭状态的一位输出电平出现关闭状态。2 方案设计及选择2.1 设计思路该电子密码锁的设计可以分多个模块进行，主要包括如密码输入模块，数据寄存模块，数码管编码显示模块，密码核对模块等。各个模块被分别设计并仿真成功后，再组合起来以构成完整的电子密码锁。2.2 单片机设计方案该电子密码锁的设计可使用80c51单片机与串行e2prom实现。各功能模块主要包括：密码输入模块，单片机控制模块，串行e2prom密码存储模块以及编码显示模块。该方案由硬件电路设计与单片机程序编写两部分组成。其设计方案结构图如图2.1所示。图2.1 单片机设计方案结构图2.3 fpga设计方案该电子密码锁的设计也可由fpga现场可编程门阵列实现。各功能模块主要包括：按键输入消抖模块，控制模块以及七段数码管编码显示模块。该方案可以在max+plus软件案件环境下经过使用verilog hdl硬件描述语言编写，编译，调试和仿真等步骤后下载到fpga实现。其设计方案结构图如图2.2所示。图2.2 fpga设计方案结构图2.4 方案选择通过比较以上单片机设计方案与fpga设计方案发现：单片机设计方案包含硬件设计与软件设计两个部分，而fpga设计方案只需通过使用硬件描述语言实现。后者设计时操作方便，仅需在软件环境下调试。因此，该电子密码锁设计选择上述fpga设计方案。3 基于fpga的电子密码锁设计该fpga电子密码锁设计方案使用verilog hdl语言描述，其程序流程图如图3.1所示。图3.1 程序流程图3.1 按键消抖模块设计该按键消抖模块源程序如下：/设置密码键，核对密码键，退格键，关锁键消抖程序module key_jitter_4(clk_in,key_in,set,check,delete,close);input clk_in;input 3:0 key_in;output set,check,delete,close;reg 3:0 key_in_a;reg 3:0 key_in_b;wire 9:0 changed;reg 19:0 timer;reg set,check,delete,close;/检测输入信号变化always (posedge clk_in)beginkey_in_a = key_in;key_in_b = key_in_a;end/输入信号变化计数器assign changed = key_in_b&(key_in_a);always (posedge clk_in)if(changed)timer = 0;elsetimer = timer + 1b1;/输入信号超过20ms不变化即可输出该信号always (posedge clk_in) if(timer = 20hfffff)set,check,delete,close = key_in;endmodule/数字键k1k10消抖程序module key_jitter_10(clk_in,key_in,key_out);input clk_in;input 9:0 key_in;output 9:0 key_out;reg 9:0 key_in_a;reg 9:0 key_in_b;reg 19:0 timer;reg 9:0 key_out;wire 9:0 changed;/检测输入信号变化always (posedge clk_in)beginkey_in_a = key_in;key_in_b = key_in_a;end/输入信号变化计数器assign changed = key_in_b&(key_in_a);always (posedge clk_in) if(changed) timer = 0; elsetimer = timer + 1b1;/输入信号超过20ms不变化即可输出该信号always (posedge clk_in)beginif(timer = 20hfffff)begin key_out = key_in;endendendmodule该4位与10位按键消抖模块电路图分别如图3.2，图3.3所示。图3.2 4位按键消抖模块电路图图3.3 10位按键消抖模块电路图3.2 控制模块设计该控制模块源程序如下：module controller_3(in,back,check,set,close,lock,clk,num1,num2,num3,num4);input back,check,set,close;input 9:0in;input clk;output lock;output3:0num1,num2,num3,num4;reg3:0num1,num2,num3,num4;reg15:0code;reg3:0temp;reg lock;always(posedge clk)beginif(in!=10b0000000000)/检测数字键输入，并将数值移位寄存begincase(in)10b0000000001:temp=4d1;10b0000000010:temp=4d2;10b0000000100:temp=4d3;10b0000001000:temp=4d4;10b0000010000:temp=4d5;10b0000100000:temp=4d6;10b0001000000:temp=4d7;10b0010000000:temp=4d8;10b0100000000:temp=4d9;10b1000000000:temp=4d0;endcasenum4=num3;num3=num2;num2=num1;num1=temp;endelse if(back)/按下退格键，移位寄存回上一状态beginnum1=num2;num2=num3;num3=num4;num4=1d0;endendalways(posedge clk)beginif(lock=0&check=1)/锁关时，按下核对密码键beginif(code=num4,num3,num2,num1)/与设置的密码想同，开锁lock=1;else if(16h0008=num4,num3,num2,num1)/与万能密码同，开锁lock=1;endelse if(lock=1&close=1) /锁开时，检测关锁键lock=0;endalways(posedge clk)beginif(lock=1&set=1)/锁开时，检测设置密码键code=num4,num3,num2,num1;endendmodule该控制模块电路图如图3.4所示。图3.4 控制模块电路图3.3 编码显示模块设计编码显示模块源程序如下：/共阴极七段数码管编码显示模块module encoder(data_in,data_out);input 3:0 data_in ;output data_out ;reg 6:0 data_out ;always (data_in)begincase(data_in)4d0:data_out=7b1111110;/04d1:data_out=7b0110000;/14d2:data_out=7b1101101;/24d3:data_out=7b1111001;/34d4:data_out=7b0110011;/44d5:data_out=7b1011011;/54d6:data_out=7b1011111;/64d7:data_out=7b1110000;/74d8:data_out=7b1111111;/84d9:data_out=7b1111011;/9default:data_out=7b1111110;/0endcase endendmodule该编码显示模块电路图如图3.5所示。图3.5 控制模块电路图3.4 各模块组合设计将按键消抖模块，控制模块，编码显示模块组合得到该电子密码锁组合后的整体电路图。该各模块组合电路图如图3.6所示。图3.6 各模块组合电路图4 调试记录及仿真结果分析4.1 调试记录max+plus的设计输入、逻辑综合、布局布线、仿真校验和编程下载等功能全部集成在统一的开发环境下，加快了动态开发和调试，缩短开发周期。各模块在max+plus软件环境中，均遵循了新建text editor file，编译成功后建立symbol editor file；新建graphic editor file，使用已生成的symbol editor file作图，编译成功后建立waveform editor file，保存后使用simulator仿真器进行波形仿真等步骤。各模块调试时显示正常。4.2 仿真结果分析4.2.1 按键消抖模块仿真结果分析4位按键消抖模块仿真结果如图4.1所示，10位按键消抖模块仿真结果如图4.2所示。图4.1 4位按键消抖模块仿真结果图4.1中输入信号key_in2置1后一段时间，对应的输出信号check去除了出现时间小于20ms的杂波并保留了大于20ms的波形。实现了按键消抖功能。图4.2 10位按键消抖模块仿真结果图4.2中输入信号key_in9置1后一段时间，对应的输出信号key_out9去除了出现时间小于20ms的杂波并保留了大于20ms的波形。实现了按键消抖功能。4.2.2 控制模块仿真结果分析控制模块仿真波形如图4.3，图4.4，图4.5，图4.6所示。图4.3 输入万能密码解锁仿真结果图4.3中在in9.0输入万能密码后，输入信号check置1，输出信号lock置1。实现了输入万能密码解锁功能。图4.4 按下关锁键关锁仿真结果图4.4中在锁开状态下，输入信号close置1，输出信号lock置0。实现了关锁功能。图4.5 按下退格键删除一位仿真结果图4.5中依次输入了4位数字，输出信号num4num1依次左移一位；输入信号back三次置1，每次back置1，输出信号num4num1依次右移一位。实现了删除一位的功能。图4.6 设置密码仿真结果图4.6中在开锁后输入新的密码，输入信号set置1以设置密码，接着输入信号close置1以关锁；关锁后，输入信号back置1将num1num4清零；清零后输入新密码，再将输入信号check置1以核对密码，输出信号lock置1表示开锁成功。实现了设置密码的功能。4.2.3 编码显示模块仿真结果分析编码显示模块仿真波形如图4.7所示。图4.7 编码显示模块仿真结果图4.7中将输入信号data_in3.0置为0001，接着输出信号data_out6.0置为0110000。实现了编码显示功能。5 小结及体会通过本次设计训练，个人有了很多获得：一，了解了自身各种理论知识的不足之处，强化了自身知识水平；二，知道了理论必须与实践结合，各种技术才能真正达到熟练运用的程度；三，科学技术是严密谨慎的，不能有一丝马虎；四，本次电子密码锁设计在多种方案设计与比较时，进一步明白了单片机与fpga的区别。fpga程序可以并行执行，单片机程序是顺序执行；fpga更偏向于硬件电路，而单片机更偏于软件，两者的应用领域和擅长点大有不同。在具体进行fpga电子密码锁设计时，亦进一步了解了硬件描述语言如verilog hdl语言与程序设计语言如c语言的不同，使用时前者更像是在搭建硬件电路，需要对数字电路等学科知识有一定了解。参考文献1 徐海军，叶卫东fpga在高性能数据采集系统中的应用j计算机技术与应用，20055：44-612 夏宇闻verilog数字系统设计m北京：北京航空航天大学出版社，2013：166-210.3 jbhaskerverilog hdl硬件描述语言m徐振林北京：机械工业出版社，2000：49-90.4 meyerbaese u数字信号处理的fpga实现m刘凌北京：清华大学出版社，2006：1-495 孙晓明eda实验指导书武汉：武汉理工大学教材中心，20071：1-256 李连华基于fpga的电子密码锁设计j中国科技信息，2006，2006.1：1-2附录程序清单：/按键消抖模块/设置密码键，核对密码键，退格键，关锁键消抖程序module key_jitter_4(clk_in,key_in,set,check,delete,close);input clk_in;input 3:0 key_in;output set,check,delete,close;reg 3:0 key_in_a;reg 3:0 key_in_b;wire 9:0 changed;reg 19:0 timer;reg set,check,delete,close;/检测输入信号变化always (posedge clk_in)beginkey_in_a = key_in;key_in_b = key_in_a;end/输入信号变化计数器assign changed = key_in_b&(key_in_a);always (posedge clk_in)if(changed)timer = 0;elsetimer = timer + 1b1;/输入信号超过20ms不变化即可输出该信号always (posedge clk_in) if(timer = 20hfffff)set,check,delete,close = key_in;endmodule/数字键k1k10消抖程序module key_jitter_10(clk_in,key_in,key_out);input clk_in;input 9:0 key_in;output 9:0 key_out;reg 9:0 key_in_a;reg 9:0 key_in_b;reg 19:0 timer;reg 9:0 key_out;wire 9:0 changed;/检测输入信号变化always (posedge clk_in)beginkey_in_a = key_in;key_in_b = key_in_a;end/输入信号变化计数器assign changed = key_in_b&(key_in_a);always (posedge clk_in) if(changed) timer = 0; elsetimer = timer + 1b1;/输入信号超过20ms不变化即可输出该信号always (posedge clk_in)beginif(timer = 20hfffff)begin key_out = key_in;endendendmodule/电子密码锁控制模块module controller_3(in,back,check,set,close,lock,clk,num1,num2,num3,num4);input back,check,set,close;input 9:0in;input clk;output lock;output3:0num1,num2,num3,num4;reg3:0num1,num2,num3,num4;reg15:0code;reg3:0temp;reg lock;always(posedge clk)beginif(in!=10b0000000000)/检测数字键输入，并将数值移位寄存begincase(in)10b0000000001:temp=4d1;10b0000000010:temp=4d2;10b0000000100:temp=4d3;10b0000001000:temp=4d4;10b0000010000:temp=4d5;10b0000100000:temp=4d6;10b0001000000:temp=4d7;10b0010000000:temp=4d8;10b0100000000:temp=4d9;10b1000000000:temp=4d0;endcasenum4=num3;num3=num2;num2=num1;num1=temp;endelse if(back)/按下退格键，移位寄存回上一状态beginnum1=num2;num2=num3;num3=num4;num4=1d