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1、第第4 4章章 电子密码锁的设计与分析电子密码锁的设计与分析 第第4章章 电子密码锁的设计与分析电子密码锁的设计与分析 4.1 系统设计要求系统设计要求4.2 系统设计方案系统设计方案 4.3 主要主要VHDL源程序源程序 4.4 系统仿真系统仿真/硬件验证硬件验证 4.5 设计技巧分析设计技巧分析4.6 系统扩展思路系统扩展思路 第第4 4章章 电子密码锁的设计与分析电子密码锁的设计与分析 4.1 系统设计要求系统设计要求 设计一个具有较高安全性和较低成本的通用电子密码锁，其具体功能要求如下：(1)数码输入：每按下一个数字键，就输入一个数值，并在显示器上的最右方显示出该数值，同时将先前输入的
2、数据依序左移一个数字位置。(2)数码清除：按下此键可清除前面所有的输入值，清除成为“0000”。第第4 4章章 电子密码锁的设计与分析电子密码锁的设计与分析 (3)密码更改：按下此键时会将目前的数字设定成新的密码。(4)激活电锁：按下此键可将密码锁上锁。(5)解除电锁：按下此键会检查输入的密码是否正确，密码正确即开锁。第第4 4章章 电子密码锁的设计与分析电子密码锁的设计与分析 4.2 系统设计方案系统设计方案作为通用电子密码锁，主要由三个部分组成：数字密码输入电路、密码锁控制电路和密码锁显示电路。作为电子密码锁的输入电路，可供选择的方案有数字机械式键盘和触摸式数字键盘等多种。第第4 4章章
3、电子密码锁的设计与分析电子密码锁的设计与分析 根据以上选定的输入设备和显示器件，并考虑到实现各项数字密码锁功能的具体要求，整个电子密码锁系统的总体组成框图如图4.1所示。(1)密码锁输入电路包括时序产生电路、键盘扫描电路、键盘弹跳消除电路、键盘译码电路等几个小的功能电路。第第4 4章章 电子密码锁的设计与分析电子密码锁的设计与分析 (2)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。(3)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示驱动编码。
4、第第4 4章章 电子密码锁的设计与分析电子密码锁的设计与分析 图4.1数字电子密码锁系统总体框图第第4 4章章 电子密码锁的设计与分析电子密码锁的设计与分析 4.2.1密码锁输入电路的设计图4.2是电子密码锁的输入电路框图，由键盘扫描电路、弹跳消除电路、键盘译码电路、按键数据缓存器，加上外接的一个34矩阵式键盘组成。第第4 4章章 电子密码锁的设计与分析电子密码锁的设计与分析 图4.2密码锁的输入电路框图第第4 4章章 电子密码锁的设计与分析电子密码锁的设计与分析 1矩阵式键盘的工作原理矩阵式键盘是一种常见的输入装置，在日常的生活中，矩阵式键盘在计算机、电话、手机、微波炉等各式电子产品上已经被
5、广泛应用。图4.3是一个34矩阵式键盘的面板配置图，其中数字09作为密码数字输入按键，*作为“上锁”功能按键，#作为“解锁/清除”功能按键。第第4 4章章 电子密码锁的设计与分析电子密码锁的设计与分析 图4.334矩阵式键盘的面板配置第第4 4章章 电子密码锁的设计与分析电子密码锁的设计与分析 表4.1按键位置与数码关系第第4 4章章 电子密码锁的设计与分析电子密码锁的设计与分析 2密码锁输入电路各主要功能模块的设计1)时序产生电路本时序产生电路中使用了三种不同频率的工作脉冲波形：系统时钟脉冲(它是系统内部所有时钟脉冲的源头，且其频率最高)、弹跳消除取样信号、键盘扫描信号。2)键盘扫描电路扫描
6、电路的作用是用来提供键盘扫描信号(表4.1中的KY3KY0)的，扫描信号变化的顺序依次为11101101101101111110.依序地周而复始。第第4 4章章 电子密码锁的设计与分析电子密码锁的设计与分析 3)弹跳消除电路由于本设计中采用的矩阵式键盘是机械开关结构，因此在开关切换的瞬间会在接触点出现信号来回弹跳的现象，对于电子密码锁这种灵敏度较高的电路这种弹跳将很可能会造成误动作输入，从而影响到密码锁操作的正确性。从图4.4中可以观察出弹跳现象产生的原因，虽然只是按下按键一次然后放掉，然而实际产生的按键信号却不止跳动一次，经过取样信号的检查后，将会造成误判断，以为键盘按了两次。如果调整抽样频
7、率(如图4.5所示)，可以发现弹跳现象获得了改善。第第4 4章章 电子密码锁的设计与分析电子密码锁的设计与分析 图4.4弹跳现象产生错误的抽样结果第第4 4章章 电子密码锁的设计与分析电子密码锁的设计与分析 图4.5调整抽样频率后得到的抽样结果第第4 4章章 电子密码锁的设计与分析电子密码锁的设计与分析 弹跳消除电路的实现原理如图4.6所示，先将键盘的输入信号D_IN做为电路的输入信号，CLK是电路的时钟脉冲信号，也就是取样信号，D_IN经过两级D触发器延时后再使用RS触发器处理。第第4 4章章 电子密码锁的设计与分析电子密码锁的设计与分析 图4.6弹跳消除电路的内部实现原理图第第4 4章章
8、电子密码锁的设计与分析电子密码锁的设计与分析 此处RS触发器的前端连接和非门的处理原则是：(1)因为一般人的按键速度至多是10次/秒，亦即一次按键时间是100ms，所以按下的时间可估算为50ms。以取样信号CLK的周期为8ms计，则可以取样到6次。(2)对于不稳定的噪声，在4ms以下则至多抽样一次。(3)在触发器之前，接上AND-NOT之后，SR的组态如表4.2所示。第第4 4章章 电子密码锁的设计与分析电子密码锁的设计与分析 表4.2RS触发器真值表第第4 4章章 电子密码锁的设计与分析电子密码锁的设计与分析 4)键盘译码电路上述键盘中的按键可分为数字按键和文字按键，每一个按键可能负责不同的
9、功能，例如清除数码、退位、激活电锁、开锁等，详细功能参见表4.3。第第4 4章章 电子密码锁的设计与分析电子密码锁的设计与分析 表4.3键盘参数表第第4 4章章 电子密码锁的设计与分析电子密码锁的设计与分析 5)按键存储电路因为每次扫描会产生新的按键数据，可能会覆盖前面的数据，所以需要一个按键存储电路，将整个键盘扫描完毕后的结果记录下来。按键存储电路可以使用移位寄存器构成。第第4 4章章 电子密码锁的设计与分析电子密码锁的设计与分析 4.2.2密码锁控制电路的设计密码锁的控制电路是整个电路的控制中心，主要完成对数字按键输入和功能按键输入的响应控制。1数字按键输入的响应控制(1)如果按下数字键，
10、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左移一格，以便将新的数字显示出来。第第4 4章章 电子密码锁的设计与分析电子密码锁的设计与分析 (2)假如要更改输入的数字，可以按倒退按键来清除前一个输入的数字，或者按清除键清除所有输入的数字，再重新输入四位数。(3)由于这里设计的是一个四位的电子密码锁，所以当输入的数字键超过四个时，电路不予理会，而且不再显示第四个以后的数字。第第4 4章章 电子密码锁的设计与分析电子密码锁的设计与分析 2功能按键输入的响应控制(1)清除键：清除所有的输入数字，即做归零动作。(2)激活电锁键：按下此键时可将密码锁的门上锁。(上锁前必
11、须预先设定一个四位的数字密码。)(3)解除电锁键：按下此键会检查输入的密码是否正确，若密码正确无误则开门。第第4 4章章 电子密码锁的设计与分析电子密码锁的设计与分析 图4.7电子密码锁的三种模式及关系第第4 4章章 电子密码锁的设计与分析电子密码锁的设计与分析 4.2.3密码锁显示电路的设计密码锁显示电路的设计比较简单，这里直接采用四个4-7译码器来实现。4.2.4密码锁的整体组装设计将前面各个设计好的功能模块进行整合，可得到一个完整的电子密码锁系统的整体组装设计原理图，如图4.8所示。第第4 4章章 电子密码锁的设计与分析电子密码锁的设计与分析 图4.8密码锁的整体组装设计原理图第第4 4
12、章章 电子密码锁的设计与分析电子密码锁的设计与分析 4.3 主要主要VHDL源程序源程序 4.3.1键盘输入去抖电路的VHDL源程序-DCFQ.VHDLIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITYDCFQISPORT(CLK,CLRN,PRN,D:INSTD_LOGIC;Q:OUTSTD_LOGIC);第第4 4章章 电子密码锁的设计与分析电子密码锁的设计与分析 ENDENTITYDCFQ;ARCHITECTUREARTOFDCFQISBEGINPROCESS(CLK,CLRN,PRN)BEGINIFCLRN=0ANDPRN=1THENQ=0;ELS
13、IFCLRN=1ANDPRN=0THENQ=1;第第4 4章章 电子密码锁的设计与分析电子密码锁的设计与分析 ELSIFCLKEVENTANDCLK=1THENQ=D;ENDIF;ENDPROCESS;ENDARCHITECTUREART;-DEBOUNCING.VHDLIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;LIBRARYALTERA;USEALTERA.MAXPLUS2.ALL;第第4 4章章 电子密码锁的设计与分析电子密码锁的设计与分析 ENTITYDEBOUNCINGISPORT(D_IN,CLK:INSTD_LOGIC;DD1,DD0,QQ1,QQ
14、0:OUTSTD_LOGIC;D_OUT,D_OUT1:OUTSTD_LOGIC);ENDENTITYDEBOUNCING;ARCHITECTUREARTOFDEBOUNCINGISCOMPONENTDCFQISPORT(CLK,CLRN,PRN,D:INSTD_LOGIC;Q:OUTSTD_LOGIC);第第4 4章章 电子密码锁的设计与分析电子密码锁的设计与分析 ENDCOMPONENTDCFQ;SIGNALVCC,INV_D:STD_LOGIC;SIGNALQ0,Q1:STD_LOGIC;SIGNALD1,D0:STD_LOGIC;BEGINVCC=1;INV_DCLK,CLRN=INV
15、_D,PRN=VCC,D=VCC,Q=Q0);U2:DCFQPORTMAP(CLK=CLK,CLRN=Q0,PRN=VCC,D=VCC,Q=Q1);PROCESS(CLK)BEGINIFCLKEVENTANDCLK=1THEND0=NOTQ1;D1=D0;ENDIF;第第4 4章章 电子密码锁的设计与分析电子密码锁的设计与分析 ENDPROCESS;DD0=D0;DD1=D1;QQ1=Q1;QQ0=Q0;D_OUT=NOT(D1ANDNOTD0);D_OUT1=NOTQ1;ENDARCHITECTUREART;第第4 4章章 电子密码锁的设计与分析电子密码锁的设计与分析 4.3.2密码锁输入电
16、路的VHDL源程序-KEYBOARD.VHDLIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USEIEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITYKEYBOARDIS第第4 4章章 电子密码锁的设计与分析电子密码锁的设计与分析 PORT(CLK_1K:INSTD_LOGIC;-系统原始时钟脉冲(1kHz)KEY_IN:INSTD_LOGIC_VECTOR(2DOWNTO0);-按键输入 CLK_SCAN:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0);-(仿真时用)键盘扫描序列
17、DATA_N:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0);-数字输出第第4 4章章 电子密码锁的设计与分析电子密码锁的设计与分析 DATA_F:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0);-功能输出FLAG_N:OUTSTD_LOGIC;-数字输出标志FLAG_F:OUTSTD_LOGIC;-功能输出标志CLK_CTR:OUTSTD_LOGIC;-控制电路工作时钟信号 CLK_DEBOUNCE:OUTSTD_LOGIC-(仿真时用)去抖电路工作时钟信号);第第4 4章章 电子密码锁的设计与分析电子密码锁的设计与分析 ENDENTITYKEYBOARD;ARCHI
18、TECTUREARTOFKEYBOARDISCOMPONENTDEBOUNCINGISPORT(D_IN:INSTD_LOGIC;CLK:INSTD_LOGIC;D_OUT:OUTSTD_LOGIC);ENDCOMPONENTDEBOUNCING;第第4 4章章 电子密码锁的设计与分析电子密码锁的设计与分析 SIGNALCLK:STD_LOGIC;-电路工作时钟脉冲SIGNALC_KEYBOARD:STD_LOGIC_VECTOR(1DOWNTO0);-键扫信号“00-01-10-11”寄存器SIGNALC_DEBOUNCE:STD_LOGIC;-去抖时钟信号SIGNALC:STD_LOGIC
19、_VECTOR(2DOWNTO0);-键盘输入去抖后的寄存器第第4 4章章 电子密码锁的设计与分析电子密码锁的设计与分析 SIGNALN,F:STD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0);-数字、功能按键译码值的寄存器SIGNALFN,FF:STD_LOGIC;-数字、功能按键标志值数字、功能按键SIGNALSEL:STD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0);BEGIN第第4 4章章 电子密码锁的设计与分析电子密码锁的设计与分析 -内部连接DATA_N=N;DATA_F=F;FLAG_N=FN;FLAG_F=FF;CLK_CTR=CLK;-扫描信号发生器COUNTER:BLO
20、CKISSIGNALQ:STD_LOGIC_VECTOR(5DOWNTO0);第第4 4章章 电子密码锁的设计与分析电子密码锁的设计与分析 SIGNALSEL:STD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0);-1110-1101-1011-0111BEGINPROCESS(CLK_1K)ISBEGINIFCLK_1KEVENTANDCLK_1K=1THENQ=Q+1;ENDIF;第第4 4章章 电子密码锁的设计与分析电子密码锁的设计与分析 C_DEBOUNCE=Q(2);-去抖时钟信号,大约125HzC_KEYBOARD=Q(6DOWNTO5);-产生键扫信号*“00-01-10-11”
21、,大约16Hz-C_DEBOUNCE=Q(1);-仿真时用-C_KEYBOARD=Q(5DOWNTO4);-仿真时用CLK=Q(0);ENDPROCESS;第第4 4章章 电子密码锁的设计与分析电子密码锁的设计与分析 CLK_DEBOUNCE=C_DEBOUNCE;SEL=1110WHENC_KEYBOARD=0ELSE1101WHENC_KEYBOARD=1ELSE1011WHENC_KEYBOARD=2ELSE0111WHENC_KEYBOARD=3ELSE1111;CLK_SCANKEY_IN(0),D_OUT=C(0),CLK=C_DEBOUNCE);U2:DEBOUNCINGPORT
22、MAP(D_IN=KEY_IN(1),D_OUT=C(1),CLK=C_DEBOUNCE);U3:DEBOUNCINGPORTMAP(D_IN=KEY_IN(2),D_OUT=C(2),CLK=C_DEBOUNCE);第第4 4章章 电子密码锁的设计与分析电子密码锁的设计与分析 ENDBLOCKDEBOUNUING;-键盘译码KEY_DECODER:BLOCKSIGNALZ:STD_LOGIC_VECTOR(4DOWNTO0);-按键位置BEGINPROCESS(CLK)BEGINZNNNNNNNNNNNFFF=1000;ENDCASE;ENDIF;ENDPROCESS;第第4 4章章 电子密
23、码锁的设计与分析电子密码锁的设计与分析 FN=NOT(N(3)ANDN(2)ANDN(1)ANDN(0);FF=F(2)ORF(0);ENDBLOCKKEY_DECODER;ENDARCHITECTUREART;第第4 4章章 电子密码锁的设计与分析电子密码锁的设计与分析 4.3.3密码锁控制电路的VHDL源程序-CTRL.VHDLIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USEIEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITYCTRLIS第第4 4章章 电子密码锁的设计与分析电子密码锁
24、的设计与分析 PORT(DATA_N:INSTD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0);DATA_F:INSTD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0);FLAG_N:INSTD_LOGIC;FLAG_F:INSTD_LOGIC;CLK:INSTD_LOGIC;ENLOCK:OUTSTD_LOGIC;-1:LOCK,0:UNLOCKDATA_BCD:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(15DOWNTO0);ENDENTITYCTRL;第第4 4章章 电子密码锁的设计与分析电子密码锁的设计与分析 ARCHITECTUREARTOFCTRLISSIGNAL ACC,REG:STD
25、_LOGIC_VECTOR(15 DOWNTO0);-ACC用于暂存键盘输入的信息，REG用于存储输入的密码SIGNALNC:STD_LOGIC_VECTOR(2DOWNTO0);SIGNALRR2,CLR,BB,QA,QB:STD_LOGIC;SIGNALR1,R0:STD_LOGIC;BEGIN-寄存器清零信号的产生进程第第4 4章章 电子密码锁的设计与分析电子密码锁的设计与分析 PROCESS(CLK)BEGINIFCLKEVENTANDCLK=1THENR1=R0;R0=FLAG_F;ENDIF;RR2=R1ANDNOTR0;CLR=RR2;ENDPROCESS;第第4 4章章 电子密
26、码锁的设计与分析电子密码锁的设计与分析 -按键输入数据的存储、清零进程KEYIN_PROCESS:BLOCKISSIGNALRST,D0,D1:STD_LOGIC;BEGINRST=RR2;PROCESS(FLAG_N,RST)ISBEGINIFRST=1THENACC=0000000000000000;-CLEARINPUTNC=000;第第4 4章章 电子密码锁的设计与分析电子密码锁的设计与分析 ELSEIFFLAG_NEVENTANDFLAG_N=1THENIFNC4THENACC=ACC(11DOWNTO0)&DATA_N;NC=NC+1;ENDIF;ENDIF;ENDIF;ENDPR
27、OCESS;ENDBLOCKKEYIN_PROCESS;第第4 4章章 电子密码锁的设计与分析电子密码锁的设计与分析 -上锁/开锁控制进程LOCK_PROCESS:BLOCKISBEGINPROCESS(CLK,DATA_F)ISBEGINIF(CLKEVENTANDCLK=1)THENIFNC=4THENIFDATA_F(2)=1THEN-上锁控制信号有效REG=ACC;-密码存储第第4 4章章 电子密码锁的设计与分析电子密码锁的设计与分析 QA=1;QB=0;ELSIFDATA_F(0)=1THEN-开锁控制信号有效IFREG=ACCTHEN-密码核对QA=0;QB=1;ENDIF;ELS
28、IFACC=1000100010001000THEN-设置“8888”为万用密码QA=0;QB=1;ENDIF;ENDIF;ENDIF;第第4 4章章 电子密码锁的设计与分析电子密码锁的设计与分析 ENDPROCESS;ENDBLOCKLOCK_PROCESS;-输出上锁/开锁控制信号ENLOCK=QAANDNOTQB;-输出显示信息DATA_BCD=ACC;ENDARCHITECTUREART;第第4 4章章 电子密码锁的设计与分析电子密码锁的设计与分析 4.3.4其他电路的VHDL源程序对于密码锁显示电路及电子密码锁整体组装的VHDL源程序，请读者根据图4.8密码锁的整体组装设计原理图自行
29、完成。第第4 4章章 电子密码锁的设计与分析电子密码锁的设计与分析 4.4 系统仿真系统仿真/硬件验证硬件验证 4.4.1系统的有关仿真1.键盘输入去抖电路的仿真图4.9为键盘输入去抖电路的仿真结果图，图中的输出信号QQ0，QQ1，D_OUT1，DD0，DD1是为便于仿真时观察中间结果而增加的观测点的输出，调试好后程序中的相应语句应注释掉。第第4 4章章 电子密码锁的设计与分析电子密码锁的设计与分析 图4.9键盘输入去抖电路DEBOUNCING.VHD的仿真结果图第第4 4章章 电子密码锁的设计与分析电子密码锁的设计与分析 2密码锁输入电路的仿真图4.10为密码锁输入电路的仿真结果图，图中的输
30、出信号CLK_SCAN，C_DEBOUNCE是为便于仿真时观察中间结果而增加的观测点的输出，调试好后程序中的相应语句应注释掉。第第4 4章章 电子密码锁的设计与分析电子密码锁的设计与分析 图4.10密码锁输入电路仿真结果图第第4 4章章 电子密码锁的设计与分析电子密码锁的设计与分析 3密码锁控制电路的仿真图4.11、图4.12分别是两个密码锁控制电路仿真结果图。其中图4.11的仿真过程为先输入上锁密码“1234”，再按下上锁键激活电锁，接着输入万能解锁密码“8888”，最后按下解锁键解锁。第第4 4章章 电子密码锁的设计与分析电子密码锁的设计与分析 图4.11密码锁控制电路仿真结果图(一)第第
31、4 4章章 电子密码锁的设计与分析电子密码锁的设计与分析 图4.12密码锁控制电路仿真结果图(二)第第4 4章章 电子密码锁的设计与分析电子密码锁的设计与分析 4.其他电路的仿真请读者根据实际需要自行完成。第第4 4章章 电子密码锁的设计与分析电子密码锁的设计与分析 4.4.2系统的硬件验证请读者根据自己所拥有的实验设备自行完成。第第4 4章章 电子密码锁的设计与分析电子密码锁的设计与分析 4.5 设计技巧分析设计技巧分析(1)密码锁输入电路KEYBOARD.VHD中对各种分频信号/信号序列的设计有独到之处。(2)键盘输入去抖电路的设计程序DEBOUNCING.VHD在实际系统的开发中有较好的
32、参考价值。(3)密码锁控制电路CTRL.VHD中对于数据的更新及移位方法比较好。第第4 4章章 电子密码锁的设计与分析电子密码锁的设计与分析 (4)在密码锁输入电路等模块的程序的设计和仿真中，为了便于观察一些中间结果，在程序中增加了一些观测输出点。第第4 4章章 电子密码锁的设计与分析电子密码锁的设计与分析 4.6 系统扩展思路系统扩展思路(1)本系统基本达到作为数字密码锁的绝大部分功能，但还有许多不足或需完善的地方。比如说采用34的通用机械键盘受到键盘数量的限制，在很大的程度上限制了其功能的扩展。(2)设计外围电路：系统用方波信号源，直流工作电源。(3)若为毕业设计，可要求设计调试程序、外围电路等，还可要求设计制作整个系统，包括PCB的制作。