1、（2011届）毕业设计题目基于PLD的电子密码锁设计姓名专业电子信息工程班级学号指导教师导师职称年月日I基于PLD的电子密码锁设计摘要本文针对电子密码锁的设计来论述，主要运用的是VHDL语言，这种语言能与PLD器件结合，具有很强的仿真能力和综合能力。电子密码锁系统主要由数字密码输入电路、密码锁控制电路和密码锁的显示电路三部分构成。其中数字密码输入电路的目的是为了完成密码的输入功能；而密码锁控制电路则是整个电路控制的核心，是为了完成对数字键功能键输入的响应和控制；密码锁显示电路是通过七段译码电路从而实现显示功能。此次设计的开发工具基于XILINX公司的ISE软件，仿真工具则为MODELSIMSE
2、。设计中对主要模块的程序进行了仿真，仿真结果表明其功能满足设计的需要。关键词电子密码锁，PLD，VHDLIIDESIGNOFELECTRONICPASSWORDLOCKBASEDONPLDABSTRACTINTHISPAPER,ADESIGNOFELECTRONICPASSWORDLOCKISDISCUSSED,USINGTHEVHDLLANGUAGEWHICHCANBECOMBINEDWITHPLDANDHAVESTRONGSIMULATIONANDSYNTHESISCAPABILITYTHESYSTEMISCOMPOSEDOFTHREEPARTS,WHICHARETHEPASSWORDIN
3、PUTCIRCUIT,THEPASSWORDCONTROLCIRCUITANDTHEDISPLAYCIRCUIT,THEFUNCTIONOFTHEFIRSTPARTISFORTHEPASSWORDINPUTTHESECONDPARTISTHECOREOFTHISDESIGN,WHICHISRESPONSIBLEFORTHECONTROLANDRESPONSEFORTHENUMBERKEYSANDOTHERFUNCTIONKEYSTHELASTPARTISFORTHEDISPLAYOFPASSWORDTHROUGHSEVENSEGMENTDECODERCIRCUITTHEPLATFORMOFTH
4、ISDESIGNISISEFROMXILINXCOMPANYANDTHETOOLOFSIMULATIONISMODELSIMSETHEFUNCTIONMATCHTHEDESIGNREQUIREMENTSAFTERTHETIMINGSIMULATIONFORTHECODESOFMAINMODULESKEYWORDSELECTRONICPASSWORDLOCK,PROGRAMMABLELOGICDEVICE,VERYHARDWAREDESCRIPTIONLANGUAGEIII目录摘要IABSTRACTII1绪论111电子密码锁的意义112电子密码锁的简介及特点113电子密码锁国内外发展现状114可
5、编程器件FPGA/CPLD与单片机比较的优劣215电子密码锁系统的设计要求32设备方案设计与总体设计421电子密码锁系统设计方案422数字密码输入电路的设计5221矩阵式键盘工作原理5222时序产生电路6223弹跳消除电路7224键盘扫描电路9225键盘译码电路10226键盘存储电路1023密码锁控制电路的设计1024密码锁显示的设计1025密码锁整体设计图143软件系统设计1531XILINXISE5X特点介绍1532设计流程16321设计输入17322功能仿真17323设计综合17324设计实现17325时序仿真174系统扩展思路185总结1951本设计的总结归纳1952设计过程中遇到的问
6、题及如何解决1953体会19参考文献20IV致谢错误未定义书签。附录I键盘输入消斗电路源程序、原理图及仿真图21附录II密码锁输入源程序、原理图及仿真图23附录III密码锁控制源程序、原理图及仿真图27附录IV按键译码显示源程序、原理图及仿真图31基于PLD的电子密码锁设计11绪论11电子密码锁的意义近年来，随着社会经济的不断发展，人们生活水平的日益提高，安全防盗问题已得到越来越多人的关注。安全可靠、使用方便的电子密码锁成了人们防盗的首选，例如保险柜、门卡系统、自动售货机等都涉及到了密码锁。以EDA开发工具为工作平台，使用PLD可编程器件和VHDL语言设计的电子密码锁具有密码预置，误码锁死等功
7、能。这种设计方法不仅简化了系统结构，而且提高了系统的可靠性和保密性。通过运用该可编程逻辑器件开发的数字系统能方便地对所设计的数字电路进行升级和改进。112电子密码锁的简介及特点电子密码锁是通过密码的输入对电路工作或芯片工作进行控制，再通过电路设备来控制机械的开关闭合，完成控制锁的开关任务的一种电子产品。其在实际生活应用中使用非常之广，主要的功能是用来保护某些需要保密的东西，以避免其他的人员使用不正当的手段对其进行非法操作。2电子密码锁的特点保密性高，即与普通的机械锁相比较，其运用的是密码开锁，随机按键开锁的成功率比较低；便于操作、方便，即出门不用携带钥匙而且无需担心钥匙掉落或忘带，开门时输入密
8、码锁自动打开，轻松又方便；防盗，即当其他人员输入密码多次错误时，会启动报警系统，提醒家人和邻居。13电子密码锁国内外发展现状锁自古以来就是把守护门的铁将军，人们对它要求非常高，不仅要安全可靠的防盗，而且要使用方便，这也是制锁者长期以来研制的目标。随着电子技术的快速发展，各类电子产品都应运而生，电子密码锁就是其中的一个。据有关资料介绍，电子密码锁的研究始于20世纪30年代，在一些特殊场所早就有所应用。这种锁是通过键盘输入一组密码完成开锁过程。研究这种锁的初衷是为提高锁的安全性。当今智能电子密码锁发展已经到了非常高的境界，由于电子元件特别是单片机应用在这几年得到空前发展，无论功能性，稳定性都比较全
9、面，在保密方面已做到人眼识别，指纹识别，人声识别基本上电影上有的现实也有。在国外发展比较早，所以应用也比较广泛，主要在家庭装较贵重地方，银行，保险柜等应用较多，在国内这方面发展也较快，不管自己开发或是引进都有，在重要地方应用也较多，由于价钱比普通弹子锁较贵，早几年应用较少，毕业设计2现在越来越普及到平常化，未来的发展也会越来越被大众采用，由于它的功能、安全是弹子锁无法相比的。3当前使用的电子密码锁大部分是基于单片机技术，以单片机为主要器件，其编码器与解码器的生成为软件方式。在实际应用中，由于程序极易跑飞，系统的可靠性能比较差。基于现场可编程逻辑门阵列FPGA器件的电子密码锁，用FPGA器件构造
10、系统，所有算法完全由硬件电路来实现，使得系统的工作可靠性大大提高。由于FPGA具有现场可编程功能，因此，当设计需要改变时，只需改变FPGA中的控制和接口电路，利用EDA工具将更新后的设计下载到FPGA中即可，无需改变外部电路的设计，大大提高了设计的效率，有极大的发展前景。14可编程器件FPGA/CPLD与单片机比较的优劣1单片机要深入理解是很有难度的。单片机一般适合去处理一些实时性的东西而且速度很快，比较低级的那种是面对硬件工作的，大多数都是比较高级的使用汇编语言对单片机进行软件编程，所以说要会用单片机一定要先学会汇编语言，汇编语言的难度还是很高的。编程还跟硬件的连接方法有关系。FPGA/CP
11、LD是使用标准的硬件描述语言VHDL，它可以对所有型号的FPGA/CPLD进行编程，而且VHDL是一种行为描述语言，它是不需要对系统的硬件结构了解了之后再进行编程的，编程不需要联系硬件那么就突破了软件与硬件之间的联系，做一个电路板只需要很短的时间，那么就让学习与设计的效率得到很大的提高。2FPGA/CPLD的运行速度比单片机来得快。单片机是把指令通过串行形式系统指令的进行执行，这样的过程会影响系统运行的速度，单片机对于用于高速采样系统是难以完成。可是对于FPGA/CPLD来说却是刚好相反的，在实时处理过程中是通过并行的方式工作的，这样就提高了运行的速度。同时，单片机的每个引脚功能都是固定的，而
12、FPGA/CPLD能通过编程的需要来确定引脚的功能。而且如果需要的话，FPGA/CPLD中也可以设计出一个甚至多个CPU，从而达到控制整个电路功能的运行目的。所以说FPGA/CPLD是在EDA的基础上的被大家广泛的接受和应用，从其他意义上来说，这样的工作方式是跟单片机系统的工作方式是完全相背离。现在的FPGA/CPLD不仅仅拥有单片机的所有工作能力，同时还具有串行并行同时应用的工作方式和高速且高可靠性的特点。可见，用单片机实现的电子密码锁其电路比较复杂、灵活不高、成本较大且可靠性和安全性低。而采用先进EDA技术实现的密码锁功耗低、体积小、价格便宜，维护和升级都十分方便，具有较好的发展前景。4基
13、于PLD的电子密码锁设计315电子密码锁系统的设计要求完成基于PLD的电子密码锁的设计开发。即以EDA开发工具为工作平台，使用PLD可编程器件和VHDL语言设计的电子密码锁具有密码预置，误码锁死等功能。1数码输入按下一个数字键，其对应的数字就显示在最右边的数码管上，同时将先前输人的所有数字向左移动一位。设计密码为4位，系统只能显示前4位输人的数码。2数码清除当按下键时，清除前面输入的所有值，并显示为“0000”。3激活电锁按下键时可以使密码锁的门上锁。（上锁前必须预先设定一个四位的数字密码）4密码解锁按下键，再输入数码如果输入与系统储存密码一致，密码锁就能开启否则不能解锁。5毕业设计42设备方
14、案设计与总体设计21电子密码锁系统设计方案电子密码锁主要有三部分组成数字密码输入电路、密码锁控制电路、密码锁显示电路如图21所示。密码锁输入电路包括时序产生电路、弹跳消除电路、键盘扫描电路、键盘译码电路和按键存储电路等几个小的功能电路。密码锁控制电路包括按键数据的缓冲存储电路，密码的清除、变更、存储、激活电锁电路（寄存器清除信号发生电路），密码核对（数值比较电路），解锁电路（开/关门锁电路）等几个小的功能电路。七段数码管显示电路主要将待显示数据的BCD码转换成数码器的七段显键盘扫描电路时序产生电路键盘弹跳消除电路键盘译码电路开/关门锁电路数字比较电路按键数据缓冲器七段数码管显示电路密码锁控制电
15、路寄存器清除信号发生电路BCD至七段译码电路数字密码输入电路图21数字电子密码锁系统总体框图基于PLD的电子密码锁设计5示驱动编码。作为电子密码锁的输入电路，可供选择有数字机械式键盘和触摸式数字键盘等多种方案。虽然机械式键盘存在一些诸如机械产生的弹跳消除问题和机械部分的接触等问题，但是和触摸式的34键盘相比，机械式键盘具有成本低、可靠性高、电路结构简单、技术成熟和应用广泛特点，因此用于数字电子密码锁中比较合适。数字电子密码锁的显示信息电路可采用LED数码显示和液晶屏幕显示两种。液晶显示频率高、可靠性好、易于扩展等优点，但是普通液晶显示屏存在着亮度低、对复杂环境的适应能力差等缺点，因此本设计的显
16、示电路使用通用的LED数码管。622数字密码输入电路的设计密码锁输人模块的电路框图如图22所示，它由时序产生电路、弹跳消除电路、键盘扫描电路、键盘译码电路和按键存储电路五部分组成。221矩阵式键盘工作原理矩阵式键盘由09数字键、键及键构成。其数字键作为密码输入，键作为上锁功能键，键作为清除和解锁键如图23所示。1234567890弹跳消除电路键盘译码电路按键数据缓存器键盘输入键盘扫描电路工作时钟脉冲按键数据键盘扫描信号图22密码锁的输入电路框图毕业设计6键盘扫描信号由KY0KY3四个端口进入，顺序依次为1110110110110111，分别对应扫描第一行、第二行、第三行并重复扫描。当扫描信号为
17、1110时，即正在扫描1、2、3这样行的按键，如果1、2、3按键一个都没被按下，则KX0KX2输出信号为111；当1、2、3按键中2号按键被按下，则KX0KX2输出信号为101如表21按键输出信号扫描信号KX2KX0011101110KY3KY0扫描第一行1110123扫描第二行1101456扫描第三行1011789扫描第四行01110若从KX2KX0读出的值为111，代表扫描的那列没有按键按下，则不进行按键译码操作，相反，则应将KL0KL3读出的值送至译码电路进行编码。222时序产生电路时序产生电路在电路中用于产生三种不同频率的工作脉冲波形，包括系统时钟信号、键盘扫描信号和弹跳消除取样信号。
18、在电路中我们可以建立一个N为计数器，根据需要让其产生不同频率的时钟信号。设初始的时钟信号为CLK，N位计数器的输出为Q（N10），则Q0为CLK的2分频脉冲信号，Q（2）为CLK的8分频脉冲信号，Q（N1）就为CLK1234567890KX2011KX1101KX0110KY0001110KY1011101KY2101011KY3110111接上拉电阻来自计数模块图2334矩阵式键盘的面板配置表21按键位置与数码关系基于PLD的电子密码锁设计7的2N分频脉冲信号。Q（3DOWNTO2）输出一个脉冲波形序列，其值依次为00011011周期性变化，其变化频率为CLK的8分频，我们可以利用这个规律设
19、计自己所需的频率信号或信号序列。223弹跳消除电路由于本设计采用的是矩阵式键盘，是机械式开关的一种，由于机械式开关的核心部件为弹性金属簧片，因而在开关切换的瞬间会在接触点出现来回弹跳的现象。虽然只是进行了一次按键，结果在按键信号稳定的前后出现了多个脉冲如图24所示。7弹跳消除电路可避免误操作发生。为使电子密码锁可靠工作，必须加上弹跳消除电路。弹跳消除电路采用软件延时的方法消除抖动，如下是弹跳消除电路的程序、原理图25及仿真图26。COMPONENTDCFQISPORTCLK,CLRN,PRN,DINSTD_LOGICQOUTSTD_LOGICENDCOMPONENTDCFQSIGNALVCC,
20、INV_DSTD_LOGICSIGNALQ0,Q1STD_LOGICSIGNALD1,D0STD_LOGICBEGINVCCCLK,CLRNINV_D,PRNVCC,DVCC,QQ0U2DCFQPORTMAPCLKCLK,CLRNQ0,PRNVCC,DVCC,QQ1PROCESSCLKBEGINIFCLKEVENTANDCLK1THEND0Y1Y1Y1Y1Y1Y1Y1Y1Y1Y1Y1CLK,CLRNINV_D,PRNVCC,DVCC,QQ0U2DCFQPORTMAPCLKCLK,CLRNQ0,PRNVCC,DVCC,QQ1PROCESSCLKBEGINIFCLKEVENTANDCLK1THEN
21、D0KEY_IN0,D_OUTC0,CLKC_QUDOUU2XIAODOUPORTMAPD_INKEY_IN1,D_OUTC1,CLKC_QUDOUU3XIAODOUPORTMAPD_INKEY_IN2,D_OUTC2,CLKC_QUDOUENDBLOCKXIAODOUKEY_DECODERBLOCKIS键盘译码SIGNALZSTD_LOGIC_VECTOR6DOWNTO0基于PLD的电子密码锁设计25BEGINPROCESSCLK_1KBEGINZNNNNNNNNNNNFFFY1Y1Y1Y1Y1Y1Y1Y1Y1Y1Y1“0000000“ENDCASEY2Y224DOWNTO0YY1Y_OUTY2毕业设计32ENDPROCESSENDBEHAVIORAL基于PLD的电子密码锁设计33图IV按键译码显示仿真图
