基于VHDL的电子密码锁的设计.doc

《EDA仿真与实践实习》 学 院： 信息科学与工程学院 课题名称： 硬件描述语言设计 ——基于VHDL的电子密码锁的设计 班 级： 学 生： 学 号： 指导教师： 1 引言 在日常的生活和工作中, 住宅与部门的安全防范、单位的文件档案、财务报表以及一些个人资料的保存多以加锁 的办法来解决。若使用传统的机械式钥匙开锁，人们常需携带多把钥匙, 使用极不方便, 且钥匙丢失后安全性即大打折扣。随着科学技术的不断发展，人们对日常生活中的安全 保险器件的要求越来越高。为满足人们对锁的使用要求，增加其安全性，用密码代替钥 匙的密码锁应运而生。 基于EDA技术设计的电子密码锁。以其价格便宜、使用方便、安全性高、成本低、功 耗低、易操作等优点，受到了人们的普遍关注。而以可编程逻辑器件(FBDA)为设计载体 ，以硬件描述语言(VHDL)为主要表达方式，以Quartus 5.1开发软件等为设计工具设计的 电子密码锁，由于其能够实现密码输入、密码校验、密码设置和更改等功能，因此，能 够满足社会对安全防盗的需求。 本设计的各个模块由相应的VHDL程序具体实现，并在Quartus 5.1环境下进行了整体 电路的模拟仿真，最终实现"密码锁控制器设计"的要求。 2 设计内容和要求 2.1 设计内容： 题目：电子密码锁 内容：设计一个4位串行数字锁。 (1)开锁代码为4位二进制，当输入代码的位数与锁内给定的密码一致，且按规定程序开 锁时，方可开锁，并点亮一个指示灯。否则进入"错误"状态，并发出报警信号。 (2)锁内的密码可调，且预置方便，保密性好。 (3)串行数字锁的报警由点亮一个灯，直到按下复位开关，报警才停下。此时，数字锁又 自动等待下一个开锁状态。 要求： (1)通过查阅相关技术资料，详细描述电子密码锁的基本原理。 (2)编写电子密码锁的Verilog HDL或VHDL程序，并仿真编译下载验证。 (3)给出完整的系统顶层模块图与波形仿真图。 3 设计分案 密码锁控制器是硬件与软件的结合。根据设计要求，决定以FBDA芯片和VHDL语言设计此 电子密码锁。用一片FBDA芯片实现，从而大大简化了系统结构，降低了成本，提高了系 统的保密性和可靠性。这种设计不仅简化了系统结构，降低了成本，更提高了系统的可 靠性和保密性。另外,采用可编程逻辑器件开发的数字系统，方便地升级和改进。 3.1 系统总框图 本系统的硬件部分主要由密码锁控制电路、密码锁显示电路、LED显示电路、报警电 路、密码更改与设置电路组成。整体系统框图如下图2.1所示。 密码锁总框图 3.2 密码锁的内部结构及主要功能 3.2.1密码锁的主要功能 密码锁控制器的主要功能有： （1）密码输入：有二个按键来控制（分别代表0和1），每按下一个键，要求在数码管 上显示，并依次左移。 （2）密码校验：如果有按键按下，直到松开该按键；红绿灯指示门的状态，也就是密 码校验结果，如果密码校验正确，绿亮起，否则如果密码校验错误红灯亮，并凤鸣器响 ，表明密码错误。 （3）错误报警：密码输入错误开始报警。 （4）密码修改：输入密码正确后4秒内按按键输入要设置和更改的密码，按按键确认 密码设置与更改，则密码设置成功 4 系统硬件电路 4.1 密码锁的显示模块 段数码管是电子开发过程中常用的输出显示设备。在本设计中使用的是8个四位一体 、共阴极型七段数码管。其单个静态数码管如下图所示。 由于七段数码管公共端连接到GND（共阴极型），当数码管的中的一个段被输入高电 平，则相应的这一段被点亮。反之则不亮。共阳极性的数码管与之相反。四位一体的七 段数码管在单个静态数码管的基础上加入了用于选择哪一位数码管的位选信号端口。八 个数码管的a、b、c、d、e、f、g、h、dp都连在了一起，8个数码管分别由各自的位选信 号来控制，被选通的数码管显示数据，其余关闭。 4.2 密码锁控制模块 该模块的作用是将输入的密码 （暂时寄存于 ACC中）跟已经存储的密码（REG中的密码信息）进行对比，如果一样，则密码锁开锁。 而在通过密码验证后可以按按键设定密码。在这里值得注意的是有一个密码"0000"为开 始密码，如果改名密码了但是又忘记了密码，重新下载之后的初始密码只要输入的密码 为"0000"则都可通过密码锁。模块lock是整个设计的核心 ,它实现密码锁的逻辑功能。在任何时候按动密码初始化按键内密码设置为程序初始化密 码值(在本模块程序中此值为 "0000"代码为 4 位二进制数 ,当输入代码的位数和位值与锁内给定的密码一致 ,且按规定程序开锁时 ,方可开锁 ,并点亮开锁指示灯（緑灯）亮。否则 ,系统进入 "错误"状态 ,并发出报警信号。串行数字锁的报警方式是点亮指示灯（红灯） ,并使喇叭鸣叫 ,直到按下复位开关 ,报警才停止。此时 ,数字锁又自动进 在当前数字时代，随着电子技术的快速发展，人们对安全性的要求也日益增高。传统的机械式锁具由于携带不便、易丢失钥匙等缺点，已经越来越不能满足人们对安全性的需求。因此，电子密码锁作为替代传统锁具的一种新型安全防范设施，因其独特的优点而被广泛使用。本文将详细介绍基于VHDL（VHSIC Hardware Description Language，即超高速集成电路硬件描述语言）的电子密码锁设计，包括其基本原理、设计内容、系统结构、功能实现以及在EDA仿真中的应用。 引言部分已经指出电子密码锁相较于传统机械锁的优势，如价格便宜、使用方便、安全性高、成本低、功耗低、易操作等。由于其高安全性和便捷性，电子密码锁在住宅、办公室、文件档案室等场所得到普及。为实现一个电子密码锁系统，本设计采用可编程逻辑器件（FBDA）作为硬件基础，并以VHDL为设计语言，利用Quartus 5.1等EDA软件工具进行设计和仿真。 设计内容和要求部分明确了本设计的目标和需要完成的任务。设计内容包括设计一个4位串行数字锁，其开锁代码为4位二进制数，能够实现密码的输入、校验、设置和更改。密码锁控制器是整个设计的核心，它负责整个系统的逻辑控制和安全功能。在具体实现时，密码锁控制器由相应的VHDL程序实现，并在Quartus 5.1环境下进行电路模拟仿真，以确保设计的正确性和可靠性。 设计分案部分详细介绍了密码锁控制器的设计方案。系统总框图展示了密码锁硬件部分的组成，包括密码锁控制电路、显示电路、LED显示电路、报警电路和密码更改与设置电路。密码锁的内部结构和主要功能则进一步细化了各个模块的工作原理和作用。例如，密码输入模块通过两个按键实现，密码校验模块则使用红绿灯指示开锁状态，错误报警模块在密码错误时发出报警信号，而密码修改模块允许用户更改和设置新密码。 系统硬件电路部分则详细说明了电子密码锁的各个硬件模块。密码锁显示模块使用了8个四位一体的共阴极七段数码管，这些数码管通过位选信号独立控制，能够显示相应的数字或字符。密码锁控制模块则负责处理密码的输入、校验和控制逻辑。该模块通过与存储在锁内的密码进行比较，以决定是否解锁。 系统硬件电路部分还介绍了如何在Quartus 5.1软件中对VHDL编写的程序进行仿真编译下载验证。通过系统顶层模块图与波形仿真图，可以直观地检查程序的逻辑正确性，并确保最终的硬件功能符合设计要求。 基于VHDL的电子密码锁设计是将EDA技术与硬件描述语言相结合的产物，其设计过程涉及硬件选择、VHDL程序编写、EDA仿真验证等关键步骤。整个设计不仅体现了现代电子技术的便捷性，还确保了高安全性和低成本。设计完成后，密码锁能够有效防止未授权访问，为用户提供一个安全的锁闭环境。通过本文的介绍，我们可以看到EDA技术在硬件设计领域的强大优势，以及VHDL在实现复杂逻辑功能中的重要性。