基于CPLD FPGA的电子密码锁的设计-演示文稿

基于CPLD/FPGA电子密码锁,绪论,在EAD桌面设计环境下用计算机来完成电路的系统综合设计和仿真。目前常用的EDA技术软件有Muhisim、Ptotel、Pspice、Orcad等，其中Muhisim软件被誉为计算机中的实验室，具有界面交互好、画面形象直观等特点。,设计分类,第1章绪论第2章系统设计第3章密码锁工作原理第4章仿真及实验结果分析,第二章,设计要求 设计一个基于CPLD/FPGA的电子密码锁。当输入密码正确时，点亮发光二极管；当输入密码不正确时，发光二极管不亮并且蜂鸣器报警，重新输入，当三次密码输入不正确时，系统应锁定键盘10s。将用户分为管理者和使用者，管理者拥有超级密码，可以修改其他人的密码。使用者不能修改密码。,方案比较,方案一：采用数字逻辑电路制作，用IC组件焊接实现。其特点是直接用现成的IC组合而成，简单方便，但由于使用的器件较多，连线复杂，体积大，功耗大，焊点和线路较多将使成品稳定度与精确度大打折扣。方案二：采用单片机实现，通过软件编程，仿真后将程序用编程器写入到单片机芯片上，该方案成本低，稳定度较好，但外围电路也较多，调试不够直观方便灵活。方案三：采用可编程逻辑器件（CPLD）制作，利用EDA软件编程，下载烧制实现。将所有器件集成在一块芯片上，体积大大减小的同时还提高了稳定性，并且可应用EDA软件仿真，调试，每个设计人员可以充分利用软件代码，提高开发效率，缩短研发周期，降低研发成本。易于进行功能扩展，可以利用频率计的核心技术，改造成其它产品。实现方法灵活，调试方便，修改容易。 比较以上几种方案，易见采用方案三更优。,第三章 密码锁工作原理,本论文设计的电子密码锁主要由输入部分，控制部分和输出部分组成其硬件结构图如图1所示。其中输入部分包括43矩阵键盘、弹跳消除电路、键盘译码电路、键盘扫描电路、控制部分包括按键存储电路、密码存储电路、比较路输出部分包括多路选通器、七段译码器、扫描信号发生器。其中键盘扫描模块、弹跳消除模块、键盘译码块、控制模块、多路选通模块、七段译码模块都是通过软件实现的。下面对本次设计的主要模块进行一一讨论。,主控芯片的选择,本电路的主要控制部分和接口输入部分都是在CPLD内部通过VHDL语言实现的，所以CPLD模块位本设计的核心。根据系统要求的功能，以及CPLD芯片容量的分级，本论文选用ALTERA公司MAX7000S系列的EPM7128SLC器件作为主控芯片，它是一种基于乘机项结构的复杂可编程逻辑器件，它的基本逻辑单元时由一些与、或阵加上触发器构成，其中与或阵列完成组合逻辑功能，触发器完成时序逻辑。它的逻辑控制灵活，可反复编程，有利于系统的扩展和改进，而且其集成度高，保密性好。,矩阵键盘电路,本次设计选用的是4X3矩阵键盘，它是用4条I/O线作为行线，3条I/0线作为列线组成的键盘。在行线和列线的每一个交叉点上，设置一个按键，当某键被按下时，该按键的接点会连接行线和列线，这样有按键按下时行线呈现逻辑0的状态，未按下时则呈现逻辑1状态。键盘电路的工作原理时通过行线送入扫描信号，然后从列线读取状态判断是否有按键按下。其方法时依次给行线送低电平，检查列线的输出。如果列线信号为高电平，则代表低电平信号所在的行中无按键按下；如果列线输入为低电平，则低电平信号所在的行和出现低电平的列的交点处有按键按下。扫描信号由KY3-KY0进入键盘，变化的顺序依次是：1110-1101-1011-0111-1110，每次扫描一行，依次循环。假设现在扫描信号为1101，即扫描4、5、6这一排按键，如果这排当中没有按键被按下的话，则列扫描信号KX2-KX0读出的值为111；反之，当6按键被按下时则由KX2-KX0读出的值位110，其他依次类推。由于矩阵式键盘是无法独自地完成按键工作的，要搭配时序产生电路 键盘扫描电路 弹跳消除电路 键盘译码电路才能可靠工作。键盘上的有效数据是0到9这十个数字键和两个功能键（*键：修改密码键：#键：输入数字小于四位时按下此键表示消除键，输入数字等于四位时表示开锁键）。,键盘扫描电路,键盘扫描电路是用于产生KY3-KY0信号，即键盘的行扫描信号。每扫描一排按键，就检查一次是否有按键被按下，如果这排没有按键被按下就忽略。反之，如果出现被按下的键则立即进行按键编码的动作，且将编码的结果存储于寄存器中。扫描停留在每个状态的时间大约为10ms。更短的停留时间容易采集到陡动信号，会干扰判断。而太长的停留时间则容易丢失某些较快的按键动作。,弹跳消除电路,因为本次设计的按键采用机械式开关结构，在开关切换的瞬间会在接触点出来会弹跳的现象，这种弹跳现象可能造成误动作而影响到正确性。本设计中采用延时的软件方法消除抖动，若采样信号检测到输入由1变到0或由0变为1，先延时2个周期，仍旧检测到是0或1，则说明按键状态确实发生了变化，否则作抖动处理，不予理会。这样就消除了抖动.,键盘译码电路,上述键盘中的按键可分为数字按键和功能按键，每个按键都有自己相应的作用，比如#键可以消除密码和开锁，*键可以设置密码。数字按键主要用来输入数字，键盘所产生的输出（KX2-KX0）无法直接拿来使用，因此必须由键盘译码来规划每个按键的输出形式，以便执行相应的动作。,控制部分,控制部分输入电路完成之后，接下来进行电子密码锁的控制电路设计，如图2所示括输入数字寄存部分，预存密码部分和比较部分。图2 控制部分结构框图,图2 控制部分结构框图,其中输入数字寄存器部分是一个16位的寄存器，负责保存输入的4位数字，在按下解说信号后其全部数据送入比较器，解锁后，如果按下更改密码按键，则把所有数据送入预存密码寄存器。预存密码寄存器也是一个16位的寄存器，负责保存密码。比较器的功能是比较输入的数字和预存密码是否相等，相等则解锁，不等则红灯亮。如果输入数字，第一个数字会从显示器的最右端显示，每按一个新数字，显示器上的数字往左移动一格，以便将新数字显示出来；如果想更改输入的数字，按清除键清除所有输入的数字，再重新输入4位数。因为设计的是四位电子密码锁，当输入的数字键超过4格时，电路不予理会，且不显示第四个以后输入的数字功能按键的作用如下：(1) 密码核对：在密码变更、解除电锁之前，必须先核对密码是否正确。(2) 密码变更：按下此键可将目前的数字设定成新的密码。要变更密码前须输入旧的密码。(3) 上锁：按下此键可将密码锁上锁。上锁之前必须先设定密码，才能上锁，此密码必须是四位才有效。(4) 解锁：检查输入的密码是否正确，密码正确即开锁。(5) 密码清除：为了怕使用者忘记密码，设计一个四位数字作为万能密码，不论所设密码是什么，只要输入万能密码即可开锁。,输出部分,输出部分结构框图 该设计的输出电路由显示缓存器、多路选通器、时钟发生器、扫描信号发生器、七段译码器组成，其结构和模块划分如图3所示。,图3 输出部分结构框图,其中显示缓存器是一个存储量为16位的寄存器，它用于存储LED显示的内容。所以4个数码管就需要16位的存储器。多路选通器用于从显示缓存器中选择出某一个LED的内容用于显示。扫描信号用于选择片选信号，片选信号依次并循环地选通各个LED管时钟发生器，通过对全局时钟的分频得到扫描模块所需的时钟。七段译码模块把4位BCD码译成便于显示的七段码。该显示电路的工作过程如下:寄存器所存储的数据经由数据选择器送到译码电路, 将其转换成七段显示器的显示码, 转送到七段显示器, 数据选择与显示管选择必须同步。由于设计的是4位数的数字密码锁, 一位十进制数需要4个二进制位表示, 所以寄存器必须是16 位的。因为是以扫描的方式轮流被点亮的, 因此寄存器上的数据必须一组一组地分开传送, 每次送4个位。,第四章 仿真及实验结果分析,仿真结果 该密码锁利用ALTERA公司的仿真软件MAX+PLUS对所设计的电子密码锁进行编译和综合仿真，其仿真结果如图4所示。,仿真说明,KX是输入列扫描信号，即按下键盘后键盘输出的信号。当在行扫描信号为B时，列扫描信号输入为3，则代表数字键7按下，这时输入数字计数器NUMB_CNT自动加一，输入数字缓存器值变为0007，数字键标志FLAG-NUMB发出一个时钟周期的脉冲；当行扫描信号为E时，列扫描信号输入为5，经过译码后知数字键2按下，NUMB_CNT自动又加一，数字键标志又发出脉冲；行扫描信号为7时，列扫描信号送入3代表功能解锁键按下，这时功能键标志FLAG-FUNC发出一个时钟周期的脉冲，并且把输入的数字清除，把送入的数字和密码寄存器的数字进行比较后ENLOCK输出为1代表输入密码正确，并且解锁。DBOUT、SEGOUT、SELOUT是独立的模块，只是负责包BCD _CODE的值依次轮流的输出到数码管上。至此密码锁的整体程序的仿真结果表明本设计完全可以达到所要求的功能。,实验结果,将程序下载到EPM7128SLC84-15芯片中，在自己制作的板上进行硬件测试，经实验验证，该电子密码锁达到了设计要求，其试验结果如下： （1）当使用时，输入4位密码，然后按上锁键*，如果这个键时开的，那么用户刚输入4位密码就时预存密码，等下一次开锁时输入在4位密码，按解锁键#，就可开锁；如果锁这时时锁的，输入的4位密码按解锁键#后就和原来预存密码进行比较，正确的话，锁自动打开，错误的话，刚输入的4位密码被清零，重新输入4位密码。其中号键即为开锁键又为清零键。 （2）输入4位万能密码锁时，锁自动开。 （3）当用户不小心按错数字时，按#键，可作清零处理，显示器显示为0000，重新输入4位密码。 （4）当需要修改密码时，先开锁，然后输入四位新密码，并按下密码修改键（*号键）完成密码修改。,总 结,从仿真及实验结果可以看出，本文提出的电子密码锁具有很强的实践性，对于不同的场合所需要的不同的密码的位数和输入密码的次数，只需稍加修改就可实现，这样升级和维护都很方便。若要求更复杂的功能还可以进一步完善。 通过这三周的学习，我感觉有很大的收获：首先，通过学习使自己对课本上的知识可以应用于实际，使的理论与实际相结合，