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电子密码锁课程设计前言电子密码锁的使用体现了人们消费水平、保安意识和科技水平的提高,而且避免了携带甚至丢失钥匙的麻烦。目前设计密码锁的方法很多,例如用传统的PCB板设计、用PLC设计或者用单片机设计等等。而用VHDL可以更加快速、灵活地设计出符合各种要求的密码锁,优于其他设计方法。VHDL是一种符合IEEE标准的硬件描述语言,其最大的特点是借鉴高级程序设计语言的功能特性,对电路的行为与结构进行高度抽象化、规范化的形式描述,并对设计的不同层次、不同领域的模拟验证与综合优化等处理,使设计过程廷到高度自动化。摘要电子技术获得了飞速的发展,在其推动下,现在电子产品几乎渗透了社会的各个领域,有力地推动了社会生产里的发展和社会信息化程度的提高,同时也使现代电子产品性能进一步提高,产品更新换代的节奏也越来越快。首先EDA技术在进入21世纪后,得到了很大的发展,其基本特征是采用高级语言描述,具有系统级仿真和综合能力。VHDL硬件描述语言是设计源文件可以采用类似与C语言的书写形式,并采用结构设计方法。随着人们生活水平的提高,密码锁作为家庭防盗卫士的作用日趋重要,它与普通机械锁相比有一些独特的优势,如:保密性强,防盗性能好,可以不用钥匙,只要记住密码即可开锁。本文以MAX+PLUSII作为软件平台,用VHDL硬件语言描述,并结合PLD可编程逻辑器件的综合EDA技术使得高可靠性、高保密性的电子锁的设计变得简单易行。 关键词:电子密码锁 电子设计自动化 VHDL 硬件描述语言 设计方案论证1. 多拨式最简单的密码锁，常见於低安全设定的单车锁，使用多个拨圈。每 个圈的中间有凹位。锁的中心的一条轴，上有数个凸出的齿，用来卡住拨圈。当拨圈转到正确的密码组合，锁便可以打开。这种锁是最容易打开的。很多这类锁根本无需知道密码都能开启。除非它的内部组件造得完美无瑕，否则只要把轴向外拉，其中一个齿便会比其他更为拉紧拨圈。这时轮动被拉紧的拨圈，直至听到小小的卡声，表示这个齿已进入了正确的凹位。2单一转盘式 用在挂锁或匣万上的密码锁可以是只有一个转盘。转盘推动背後数个平衡碟片或凸轮。习惯上，开启这种锁时先把转盘顺时针转到第一个数字，然後反时针转到第二个数字，如此直至最後一个数字。凸轮上通常有凹位，当转入正确的密码後，各位成一直线，锁便可以打开。 这种密码锁不是很安全，部分密码挂锁可以拉紧锁头，然後转动转盘直至不能再动，这样便能把密码找出。亦有些转盘密码锁的数字之间有特定关系，使到密码的组合可能性大为降低。廉价的密码挂锁可以用特别的衬片打开，而无需使用密码。 使用在匣万上的密码锁结构较为严密。有经验的锁匠可以一面旋转转盘， 一面使用听筒小心聆听锁内凸轮的声音，判断可能的密码。3.电子密码锁 电子密码锁是一种通过密码输入来控制电路或是芯片工作，从而控制机械开关的闭合，完成开锁、闭锁任务的电子产品。它的种类很多，有简易的电路产品，也有基于芯片的性价比较高的产品。现在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。 其性能和特点如下：1保密性好,编码量多,远远大于弹子锁。随机开锁成功率几乎为零。 2密码可变。 用户可以经常更改密码，防止密码被盗，同时也可以避免因人员的更替而使锁的密级下降。 3误码输入保护。当输入密码多次错误时，报警系统自动启动。 4. 电子密码锁操作简单易行，一学即会。 5.干扰码功能 在输入正确密码前可输入任意码。 6.安保功能 如果连续输错4次密码将会自动断电3分钟。 7.紧急开启功能（Panic Open） 出门时无需其他操作，只需一次的把手动作，可机械的开启门，所以遇到火灾等应急状况下也迅速，安全的开启门。 8.入侵感应功能 在门上锁的状态下，有人破锁而入时，会发出强力的报警音。 9.双重锁定功能 外部强制锁定：在内部不能开启，适用于外出时，防止有人入侵。 内部强制锁定：在外部不能开启，让您在家时更安心、安全。 10.弱电提醒当电量不足时，在启动开门时，会有美妙的音乐提示您及时更换电池。 11.自动上锁功能 采用全自动锁芯，门关后6秒内自动上锁,外出更加安全。 12.外部显示功能 当密码输入错误，锁舌没正常锁到位，室内反锁，弱电等情况下，外部都有提示功能。方案选择 EDA技术在进入21世纪后,得到了很大的发展,其基本特征是采用高级语言描述,具有系统级仿真和综合能力。VHDL硬件描述语言是设计源文件可以采用类似与C语言的书写形式,并采用结构设计方法。随着人们生活水平的提高,密码锁作为家庭防盗卫士的作用日趋重要,它与普通机械锁相比有一些独特的优势,如:保密性强,防盗性能好,可以不用钥匙,只要记住密码即可开锁。本设计以MAX+PLUSII作为软件平台,用VHDL硬件语言描述,并结合PLD可编程逻辑器件的综合EDA技术使得高可靠性、高保密性的电子锁的设计变得简单易行。设计实现作为通用电子密码锁,主要由三个部分组成: 键盘接口电路、电锁控制电路、输出显示电路。1. 键盘接口电路键盘接口电路包括键盘矩阵、键盘扫描、键盘消抖、键盘译码及按键存储。图1-1 键盘接口电路图矩阵式键盘工作原理： 矩阵式键盘是一种常见的输入装置，在计算机、电话、手机、微波炉等各工电子产品中被广泛应用。如图所示为一 34矩阵式键盘。矩阵式键盘以行、列形式排列，图中为 4行 3列，键盘上的每一个按键盘其实是一个开关电路，当某键被按下时，该按键所对应的位置就呈现逻辑 0 的状态，键盘的扫描可以以行扫或列扫方式进行，图中为行扫方式，KEYR3KEYR0为扫描信号，其中的某一位为 0即扫描其中的一行。图1-2 键盘框架图键盘扫描信号 KEYR3 与第一行相连，KEYR2 与第二行相连，依此类推。很显然，扫描信号的变化顺序为：0111、1011、1101、1110，周而复始。在扫描的过程中，当有键按下时，对应的键位就为逻辑 0状态，从而从 KEYC2.0读出的键值相应列为0。具体情况如表 1-1所示：若从 KEYC2.0读出的值全为 1时，表示没有键被按下，则不进行按键的处理。如果有键被按下，则将 KEYC2.0读出的送至键盘译码电路进行译码。表 1-1 键盘扫描与其对应的键值的关系1-1时序产生电路在一个系统的设计中，往往需要多种时钟信号，最为方便的方法是利用一个自由计数器来产生各种需要的频率。本电路需要：系统主时钟、消抖取样时钟和动态扫描时钟。时序产生电路举例： LIBRARY IEEE; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; USE IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL ; USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL ; ENTITY free_counter IS PORT ( CLK : IN STD_LOGIC ; CLK_A : OUT STD_LOGIC ; CLK_B : OUT STD_LOGIC_VECTOR(1 DOWNTO 0) ) ; END free_counter ; ARCHITECTURE a OF free_counter IS SIGNAL Q : STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0); BEGIN PROCESS (CLK) BEGIN IF CLKEVENT AND CLK = 1 THEN Q = Q + 1; END IF; END PROCESS; CLK_A = Q(1) ; CLK_B = Q(4 DOWNTO 3) ; END a ; 分析：首选信号 Q建立一个 9位自由计数器，对输入主时钟进行降频处理；使用 CLK_A=Q(1)语句，取得一个脉冲波形，对主时钟进行 2分频，其值为 0、1、0、1等等；使用 CLK_B=Q(4 DOWNTO 3)语句，取得一脉冲序列，依次为 00、01、10、11、00等等； 1-2键盘扫描电路目标：提供键盘扫描信号，即表 1-1中的 KEYR3.0，变化顺序依次为 0111、1011、1101、1110依次重复出现。 程序清单： LIBRARY ieee; USE ieee.std_logic_1164.ALL; USE IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL ; USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL ; ENTITY scan IS PORT ( CLK : IN STD_LOGIC ; CLK_SCAN : OUT STD_LOGIC_VECTOR (3 downto 0) ); END scan ; ARCHITECTURE a OF scan IS Signal S : STD_LOGIC_VECTOR(1 DOWNTO 0); SIGNAL Q: STD_LOGIC_VECTOE(3 DOWNTO 0); Begin PROCESS (Clk) Begin IF CLKEvent AND CLK=1 then Q = Q+1; S :=Q(3 DOWNTO 2); END IF; END PROCESS; SCAN_OUT= 1110 WHEN S=0 ELSE 1101 WHEN S=1 ELSE 1011 WHEN S=2 ELSE 0111 WHEN S=3 ELSE 1111; END a ; 说明：程序中，S信号是用来产生扫描信号的四个状态，Q是为了对输入主时钟进行降频处理。键盘消抖电路：因为按键大多是机械式开关，在开关切换的瞬间会在接解点出现来回弹跳的现象，由图可见，虽然只是按了一次键，实际产生的按键信号却不只跳动一次，经过取样信号的检查后，将会造成误码判，认为是按了两次键。如果调整取样频率，可以发现抖现象得到了改善。 按键信号： 取样信号： 取样结果： 调整取样频率后的情况如下： 程序清单： LIBRARYieee; USE ieee.std_logic_1164.ALL; LIBRARY altera; USE altera.maxplus2.ALL; ENTITY debouncing IS PORT ( d_in, clk : IN STD_LOGIC; dd1, dd0, qq1, qq0 : OUT STD_LOGIC ; d_out,d_out1 : OUT STD_LOGIC ); END debouncing ; ARCHITECTURE a OF debouncing IS signal vcc, inv_d : std_logic ; signal q0, q1 : std_logic ; signal d1, d0 : std_logic ; BEGIN vcc = 1 ; inv_d vcc , q = q0 , clk = clk, clrn = inv_d , prn = vcc); dff2 : dff PORT MAP (d =vcc , q = q1, clk = clk, clrn = q0 , prn = vcc); process (clk) begin if clkevent and clk=1 then d0 = not q1; d1 = d0; end if ; end process ; dd0 = d0; dd1 = d1; qq1 = q1; qq0 = q0; d_out = not (d1 and not d0); d_out1 = not q1 ; END a;1-3键盘消抖电路因为按键大多是机械式开关,在开关切换的瞬间会在接解点出现来回弹跳的现象有时,虽然只是按了一次键,实际产生的按键信号却不只跳动一次,经过取样信号的检查后,将会造成误码判,认为是按了两次键。如果调整取样频率,现抖现象可得到改善。原理图如图1-3键盘消抖电路原理图。图1-3 键盘消抖电路原理图1-4键盘译码电路从前面所述的键盘扫描电路的输出可以看出，扫描得到的信号规律性不强，例如数字键主要用来输入数字，但键盘扫描输出无法拿来直接使用，必须对其进行译码才能使用。如表1-2所示，只要使用 casewhen 或 when else语句，便可完成设计。 表1-2 键盘译码电路输出值及其功能表键盘译码程序清单： LIBRARY ieee; USE ieee.std_logic_1164.ALL; USE IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL ; USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL ; -* ENTITY KEYBOARD_DEC1 IS PORT ( clk : IN STD_LOGIC ; CLK_KEYBOARD : IN STD_LOGIC_VECTOR (1 downto 0); C: IN STD_LOGIC_VECTOR (2 downto 0); -key code after debounce out_numb : OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0); - for numb. key out_func : OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0); - for func. key flag_numb : OUT STD_LOGIC ; -flag for numb. key flag_func : OUT STD_LOGIC; -flag for func. key ); END KEYBOARD_DEC1 ; ARCHITECTURE a OF KEYBOARD_DEC1 IS signal FF : std_logic ; -FLAG OF FUNC. signal FN : std_logic ; -FLAG OF NUMB. signal Z : std_logic_VECTOR(4 downto 0) ; -SCAN CODE signal F : std_logic_VECTOR(3 downto 0) ; -FOR FUNC. CODE signal N : std_logic_VECTOR(3 downto 0) ; -FOR NUMB. CODE BEGIN PROCESS(clk) begin Z N N N N N N N N N N N F F F = 1000 ; end case ; END IF ; end process ; FN = NOT ( N(3) AND N(2) AND N(1) AND N(0) ) ; FF = ( NOT F(3) AND F(2) AND NOT F(1) AND NOT F(0) OR (NOT F(3) AND NOT F(2) AND NOT F(1) AND F(0) ) ; -CONNECTION FLAG_NUMB = FN ; FLAG_FUNC = FF ; OUT_NUMB = N ; OUT_FUNC = F ; END a; 说明： 1、键盘译码电路除了负责将键盘送出的数据进行译码外，另外就是在译码的同时，必须判别所按下的是数字键还是功能键。 2、若为数字键，则 flag_numb=1，且 out_num输出 BCD码，并送往显示电路。 3、若为功能键，则 flag_func=1，且 out_func输出 4位码，并送往电锁控制电路。 1-5按键存储电路 图1-4密码存储电路 如图1-4两个寄存器组中，左边的寄存器组存储原始密码，右边的存储输入密码即解锁密码。上面的输入端为脉冲输入，提供给全部的74194的脉冲输入。中间的输入端为密码输入端。注意到下面横向的输入端为控制原始密码和解锁密码输入的按键，称为“keep”，根据74194寄存器的特性：当s0、s1都为1时，寄存器将并行输入；当s0、s1都为0时，寄存器为保持状态。故当keep为1时，左端寄存器的s0、s1均为1，可以进行设置原始密码操作。当keep为0时，左边的寄存器的s0、s1均为0，保持状态，即设置了原始密码；而此时右边的寄存器的s0、s1的输入串联后用非门与keep连接，所以右端的s0、s1均为1，此时数据将输入右边的寄存器，并存储，即解锁密码的输入完成。图中纵向有两个按键，左右分别为clean1、clean2。其中clean1为原始密码的清零键，clean2为解锁密码的清零键。按下清零键即可将寄存器中存储的密码清零，重新进行设置原始密码或解锁密码操作。因为每次按键都会产生新的数据，可能会覆盖前面的数据，所以需要一个按键存储电路，将键盘扫描译码后的结果记录下来。这一功能可以用移位寄存器来实现。常见的移位寄存器的下列四种：串行输入/串行输出（SISO），串行输入/并行输出（SIPO），并行输入/串行输出（PISO），并行输入/并行输出（PIPO）。 1、SISO串行输入/串行输出 LIBRARY ieee; USE ieee.std_logic_1164.ALL; ENTITY siso IS PORT( DATA_IN :IN STD_LOGIC; CLK :IN STD_LOGIC; DATA_OUT :OUT STD_LOGIC); END siso ; ARCHITECTURE a OF siso IS SIGNAL Q: STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); BEGIN PROCESS(CLK) BEGIN IF CLKEVENT AND CLK = 1 THEN Q(0) = DATA_IN; FOR I IN 1 TO 3 LOOP Q(I) = Q(I-1); END LOOP; END IF; END PROCESS; DATA_OUT = Q(3); END a; 2、SIPO-串行输入/并行输出 LIBRARY IEEE; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; USE IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL ; USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL ; ENTITY sipo IS PORT( D_IN :IN STD_LOGIC; CLK :IN STD_LOGIC; D_OUT :OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); END sipo; ARCHITECTURE a OF sipo IS SIGNAL Q: STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); BEGIN PROCESS(CLK) BEGIN IF CLKEVENT AND CLK = 1 THEN Q(0) = D_IN; FOR I IN 1 TO 3 LOOP Q(I) = Q(I-1); END LOOP; END IF; END PROCESS; D_OUT = Q; END a; 3、PISO-并行输入/串行输出 LIBRARY ieee; USE ieee.std_logic_1164.ALL; ENTITY piso IS PORT( DATA_IN :IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); CLK :IN STD_LOGIC; nLOAD :IN STD_LOGIC; DATA_OUT :OUT STD_LOGIC); END piso; ARCHITECTURE a OF piso IS SIGNAL Q: STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); BEGIN PROCESS(nLOAD,CLK) BEGIN IF nLOAD = 0 THEN Q = DATA_IN; ELSIF CLKEVENT AND CLK = 1 THEN q(1) = Q(0) ; FOR I IN 1 TO 3 LOOP Q(I) = Q(I-1); END LOOP; END IF; END PROCESS; PROCESS(nLOAD,CLK) BEGIN IF nLOAD = 0 THEN DATA_OUT = 0; ELSIF CLKEVENT AND CLK = 1 THEN DATA_OUT = Q(3); END IF; END PROCESS; END a; 4、PIPO-并行输入/并行输出 LIBRARY ieee; USE ieee.std_logic_1164.ALL; USE IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL ; USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL ; ENTITY piso IS PORT( DATA_IN :IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); CLK :IN STD_LOGIC; DATA_OUT :OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); END piso; ARCHITECTURE a OF piso IS SIGNAL Q: STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); BEGIN PROCESS(nLOAD,CLK) BEGIN IF CLKEVENT AND CLK = 1 THEN Q=DATA_IN; DATA_OUT=Q; END IF; END PROCESS; END A; 2电锁控制电路设计电锁控制电路是整个电路的控制中心，主要完成如下功能2.1数字按输入部分密码的输入 图2-1 密码输入电路图2-1中，9个数字由分配的9个按键进行输入，上面的输出提供给74194寄存器组的脉冲输入，如此，每按下一个按键就可以给寄存器一个高电平脉冲，使其存储数据，按下下一个按键时，寄存器将向上传送数据。如此依次存入四位密码。下面部分为编码电路。数据输入后通过该电路进行编码，把十进制数编成BCD码，并输出，传送给74194寄存器组。如按下按键1，则74194将接收到的是0001。如果输入数字键，第一个数字会从显示器的最右端开始显示，此后每新按一个数字时，显示器上的数字必须往左移动一位。若想要更改输入的数字，可按退格键来清除前一个输入的数字，或按清除键清除输入的所有数字，再重新输入 8位数字。既然设计的是四位电子密码锁，当输入的数字键超过 8位时，电路不应理会。2.2功能键输入部分退格键：只清除前一个输入的数字。清除键：清除所有输入。密码核对：在密码更改，开锁之前必须先核对密码。密码变更：按下此键将目前输入的数字设定为新的密码。激活电锁：上锁，上锁之前必须先设定密码才能上锁。解除电锁：检查输入的密码是否正确，正确才开锁。万用密码：电锁维护者使用。2.3密码的比