一种多功能电子密码锁的VHDL设计

发布时间：2014-02-4 阅读量：1125 来源: 发布人:

【导读】今天介绍一款利用EDA技术，在可编程逻辑器件CPLD上实现了一种多功能电子密码锁的设计方案。为弥补传统密码锁的不足，进一步提高可靠性，该系统中所有数据的存储、运算都完全由硬件实现。利用VHDL语言对电路进行行为描述，EDA工具进行仿真及下载。

传统机械锁的防盗功能差，在现代高科技安防系统中无法起到作用，已逐步被更可靠、更智能的电子数字密码锁代替。目前市场上的大部分密码锁产品是以单片机为核心的，利用软件进行控制，实际应用中系统稳定性较差且成本高。本文研究的是电子密码锁的一种纯硬件实现方案，为弥补传统技术的不足，采用EDA技术在可编程芯片上实现密码的存储、运算等操作，使产品既具有硬件的安全性和高速性，又具有软件开发的灵活性和易维护性。

特点：

（1）利用VHDL语言对电路进行行为描述，QuartusⅡ软件中的EDA工具进行仿真及下载；

（2）整个设计过程采用自顶向下方案，设计效率高，开发成本低；

（3）采用了MAXⅡ系列的CPLD作为硬件核心，其功耗低，逻辑执行速度远高于单片机，在安防行业中有较强的市场竞争力。

设计功能要求：

设计的电子密码锁可以完成以下功能：

（1）设置密码锁的密码位数n;
　　
（2）n 位密码的输入及显示；
　　
（3）密码的核对；
　　
（4）报警功能；
　　
（5）密码的清除和修改。
　　
主要由密码输入电路、核心控制电路和显示输出电路构成。其中，输入电路包括矩阵式键盘、键盘扫描电路、消抖电路、译码电路等；控制电路主要完成密码的输入、核对、清除和修改等功能；输出电路控制数码显示屏上密码值的显示。

硬件电路设计

1 输入电路
　　
本设计采用的是4×3 矩阵式键盘，如图1所示，它是由4 根I/O线作为行线，3根I/O线作为列线，在行列线的每一个交叉点上都设置一个按键，一共有12个按键，分别代表数字0~9、确认键和设置键，如图1所示。

图1 4x3矩阵键盘示意图

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，当某键被按下时，从KEYC2~KEYC0 中读出的相应列信号为“0”,再将此时的4位行信号和3位列信号值送至键盘译码电路进行译码，即可得出准确的按键值。相反，若从KEYC2~KEYC0 读出的值全为“1”,则表示没有键被按下，即不做任何操作。如表1所示。

在键盘扫描过程中，扫描信号在不断变化，以判断按键的按下和抬起。快速变化的扫描信号不仅使增加了系统功耗，而且还会对其他敏感电路造成干扰[6-7].因此必须进行以下改进：将扫描模式改为键按下触发扫描方式，即当某键被按下后，才触发键盘扫描电路产生扫描时序，键被放开后，停止对键盘的扫描，使电路处于相对静止状态，以减少干扰信号。
　　
另外，在按键按下时刻与开始扫描时刻之间加入一段较小的延时，延时结束后才允许电路开始扫描工作，可以最大限度地避免因键盘抖动带来的错误输入。
　　
主要VHDL代码描述如下：

2 控制电路
　　
控制电路是整个系统的核心电路，能根据用户输入的密码位数进行子电路的选择。由于系统允许用户输入4 位、6 位或8 位密码，因此子电路有三个，由三选一选择器决定其中哪个电路为用户服务，见图2。

图2中，en是三选一选择器的工作使能端，它由输入电路的有效重置信号启动。当用户按下矩阵键盘上的重置按键长达3 s后，输入电路将产生en信号为‘1’从而使选择器Mux31 开始工作。如用户要设置为6 位密码，则在提示音后按下键盘上的"6”按键，其按键信号会传递给X6，由选择器决定后续控制电路为kong6。
　　
主要VHDL代码描述如下：

对于后续控制电路kong4~kong8,都应具有密码清除、存储、核对及修改等功能。由于仅仅是操作数位数不同而已，这三个电路的VHDL语言描述过程对设计人员来说，几乎是重复操作，因此大大缩短了设计周期。
　　
控制电路中密码的存储是利用寄存器来实现的。
　　
寄存器是一个典型的时序逻辑电路，在某一特定时钟信号的控制下可以装载一组二进制数据并稳定存储，撤销该控制信号后信息仍然存放在寄存器中。充分利用VHDL中不完整的if语句能产生时序电路的特点，进行电路描述，而不涉及到内部触发器，开发效率高。
　　
3 输出电路
　　
输出电路要准确地将结果以十进制形式直观地显示在输出LED 上，并且当用户每输入一位密码，所有LED上的密码值左移一位。该电路属于纯组合逻辑电路，可以利用VHDL语言中的case语句描述出其电路功能。
　　
部分VHDL代码如下：

其中：movesgl 表示左移位移量；zin 是输入信号；当movesgl为“000”时表示不需要左移；当为“001”时，表示需要移动一次；“010”表示需要移动两次，以此类推。当用户通过矩阵键盘输入6 位密码时，就需要向左移动6 次，从而达到密码在LED数码管上动态左移的现象。
　　
仿真与下载

1 仿真
　　
在编程下载之前，必须利用EDA 工具对设计结果进行模拟测试，即仿真。仿真是EDA 设计过程中的重要步骤。本文采用的时序仿真是最接近真实器件运行特征的仿真，仿真精度较高。以4位密码电路为例，做出了系统仿真图，如图3所示。

从图3中可以看出，通过输入端zin,先后输入了密码值“5623”,s0,s1,s2,s3存储的值在实时更新，分析波形，总结该系统基本达到了预期的功能需求，输出波形正常。

2 下载
　　
在QuartusⅡ9.0软件中，利用集成EDA工具完成的下载步骤如下：
　　
（1）根据开发板中可编程CPLD芯片EPM240T100C5的引脚特性，将本系统的顶层设计实体的端口进行引脚分配。
　　
（2）适配器完成适配后生成了POF 格式的下载文件，再通过JTAG编程电缆向CPLD芯片进行编程。
　　
（3）单击下载按钮Start,即对目标器件进行下载操作。当Process进度显示100%时，表示下载成功。
　　
（4）利用开发板上的外围接口电路，进行了硬件的测试。并利用嵌入式逻辑分析仪SignalTap Ⅱ观察密码输入、修改等运行情况。

结语
　　
本文弥补了传统密码锁技术上的不足，研究出了一种利用VHDL语言，结合EDA技术，在可编程芯片CPLD 上构造逻辑电路。由于所有密码的存储及运算都通过纯硬件实现，其逻辑执行速度远高于单片机。充分利用了CPLD的逻辑可编程性，开发周期短、效率高，设计出来的产品具有较高的可靠性，且功耗低、体积小、易维护，势必会在安防市场中取胜。

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