【正文】 在亮度低、對復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力差等缺點(diǎn)，在低亮度的環(huán)境下還需要加入其它輔助的照明設(shè)備，驅(qū)動電路設(shè)計相對復(fù)雜，因此本設(shè)計的顯示電路仍使用通用的LED數(shù)碼管。它是由七段可發(fā)光的二極管組成的。為了使七段數(shù)碼管能夠顯示出所要表示的數(shù)值，需要采用譯碼器將所要表示的數(shù)值譯碼成數(shù)碼管所需要的驅(qū)動信號。這里，數(shù)碼管顯示譯碼模塊的輸入是編碼器的B1—B4這4位輸出，輸出是用來驅(qū)動數(shù)碼管的驅(qū)動信號，它們是高電平有效的信號，因此采用共陰極LED顯示器。下面給出計數(shù)器選擇模塊的頂層原理圖如圖322所示。圖322 計數(shù)器選擇模塊的頂層原理圖從圖323數(shù)碼管顯示譯碼模塊的時序仿真圖中可以看出，當(dāng)b4b3b2b1=0000時，a、b、c、d、e、f呈高電平，即數(shù)碼管顯示“0”，當(dāng)b4b3b2b1=0001時， b、c呈高電平，即數(shù)碼管顯示“1”……，所以數(shù)碼管顯示譯碼如表324所示。程序代碼參考附錄一中的程序10。圖323 數(shù)碼管顯示譯碼模塊的時序仿真圖表324 數(shù)碼管顯示譯碼表數(shù)字按鍵B4b3b2b1數(shù)碼管顯示譯碼七段數(shù)碼管顯示的數(shù)字A0000001111110A1000100001101A2001010110112A3001110011113A4010011001104A5010111011015A6011011111016A7011101001117A8100011111118A9100111011119 指示電路模塊在保險柜密碼器中，指示電路模塊的功能是用來產(chǎn)生紅燈指示LED_R、綠燈指示LED_G和蜂鳴裝置ALERT。根據(jù)圖22所示的模塊劃分框圖不難看出，綠燈指示LED_G是由控制器模塊提供的置位信號S_LG和按下WAIT_T鍵時提供的WAIT_L信號通過RS觸發(fā)器來共同控制的；紅燈指示LED_R是由控制器模塊提供的置位信號S_LR和信號WAIT_L共同控制的；蜂鳴裝置ALERT是由置位信號S_LR、信號WAIT_L反相器和單頻信號CLK_DIV1來共同控制的。指示電路模塊中的主要元件是RS觸發(fā)器，控制器提供的置位和復(fù)位信號都應(yīng)該是低電平有效。下面首先給出RS觸發(fā)器的頂層原理圖，如圖325所示。程序代碼參考附錄一中的程序11。圖325 RS觸發(fā)器的頂層原理圖圖326 RS觸發(fā)器的時序仿真圖從圖326 RS觸發(fā)器的時序仿真圖中可以看出，RS觸發(fā)器的VHDL程序完全實現(xiàn)了RS觸發(fā)器的功能。接下來給出密碼器中指示電路模塊的頂層原理圖，如圖327所示。指示模塊的頂層原理圖是以上面的RS觸發(fā)器為基本元件構(gòu)成的[10]。圖327 指示電路模塊的頂層原理圖在圖328指示電路模塊的時序仿真圖中，當(dāng)s_lr置于高電平，即發(fā)出報警信號時，led_r置低電平，alert隨時鐘信號變化，此時，系統(tǒng)處于報警狀態(tài)，紅燈亮，報警器報警；當(dāng)s_lg置于低電平時，led_g置低電平，密碼鎖處于啟動狀態(tài)。從時序圖中可以看出，報警模塊的設(shè)計符合設(shè)計要求。程序代碼參考附錄一中的程序12。圖328指示電路模塊的時序仿真圖 控制器模塊下面是數(shù)字密碼鎖中的核心部分——控制器模塊，控制器模塊的頂層原理圖如圖329所示。它在密碼器系統(tǒng)中占有重要的地位，控制器采用有限狀態(tài)機(jī)進(jìn)行設(shè)計，有限狀態(tài)機(jī)克服了純硬件數(shù)字系統(tǒng)中順序方式控制不靈活的缺點(diǎn)[11]。狀態(tài)機(jī)的工作方式是根據(jù)控制信號按預(yù)先設(shè)定的狀態(tài)進(jìn)行的，狀態(tài)機(jī)是純硬件數(shù)字系統(tǒng)中的順序控制電路，其控制靈活方便，結(jié)構(gòu)模式相對簡單，設(shè)計方案相對固定。本設(shè)計中將系統(tǒng)分為7個狀態(tài)，即建立等待狀態(tài)QA、準(zhǔn)備就緒狀態(tài)QB、密碼輸入狀態(tài)QC、啟動狀態(tài)QD、報警狀態(tài)QE、報警返回狀態(tài)QF、密碼修改狀態(tài)QG，各狀態(tài)之間的關(guān)系如框圖330所示。 圖329 控制器模塊的頂層原理圖QF報警返狀態(tài)QA建立等待狀態(tài)QD啟動狀態(tài)QE報警狀態(tài)QC密碼輸入狀態(tài)QB準(zhǔn)備就緒狀態(tài)Start=‘1’open=‘1’I_ setup=‘1’full=‘1’dep=‘0’dep=‘1’full=‘1’Start=‘1’setup=‘1’open=‘1’QG密碼存儲狀態(tài)圖330 控制器狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖建立等待狀態(tài)QA是指密碼器處于上電、啟動或者報警后的狀態(tài)，這時密碼器并沒有進(jìn)入到正常的先行狀態(tài)，因此密碼器不會接收除SETUP信號外的任何輸入號；準(zhǔn)備就緒狀態(tài)QB是指密碼器在被按下SETUP鍵后處于的一種狀態(tài)。這時如果操作人員按下START，密碼器將會進(jìn)入到第三種狀態(tài)，等待密碼數(shù)字的輸入。在這種情況下，密碼器會輸出計數(shù)器清零信號RESET把計數(shù)器復(fù)位置零；密碼輸入狀態(tài)QC是控制器模塊的第三個狀態(tài)，這時密碼器將會進(jìn)入到數(shù)字密碼輸入的操作狀態(tài)。當(dāng)處于這種狀態(tài)時，控制器模塊的輸出EN信號將變?yōu)橛行В馕吨藭r允許數(shù)字密碼A0—A9和OPEN的按鍵輸入；啟動狀態(tài)QD是控制器模塊的第四個狀態(tài)，這時控制器將判斷按鍵輸入的具體信號：如果判斷出按鍵輸入是OPEN信號，那么將發(fā)出S_LG信號；如果出是數(shù)字按鍵輸入，那么控制器模塊將進(jìn)入到報警狀態(tài)；報警狀態(tài)QE，當(dāng)控制器模塊處于這個狀態(tài)時，如果按下START鍵，那么控制器模塊將發(fā)出復(fù)位信號RESET，并使控制器返回到密碼輸入狀態(tài)；如果按下OPEN鍵，那么控制器模塊將輸出置位信號S_LR,并返回到報警返回狀態(tài)；報警返回狀態(tài)QF，當(dāng)控制器模塊處于這個狀態(tài)時，控制器將判斷輸入的具體信號：如果按下I—SETUP，那么控制器模塊將返回到建立等待狀態(tài)。如果按下其他按鍵，那么狀態(tài)將不會發(fā)生變化；密碼存儲狀態(tài)QG，當(dāng)控制器模塊處于這個狀態(tài)時，控制器將發(fā)出清零信號RESET將計數(shù)器清零，然后判斷有無數(shù)字輸入，若有數(shù)字輸入則發(fā)出WR信號，使密碼存儲模塊處于寫狀態(tài)；若沒有數(shù)字輸入則返回本狀態(tài)，等待新密碼輸入。當(dāng)3個新密碼輸入完畢后，計數(shù)器會向控制器發(fā)出FULL信號，此時控制器將又返回建立等待狀態(tài)。4 數(shù)字密碼鎖的綜合調(diào)試與結(jié)果說明在設(shè)計完各個模塊后，需要將各個模塊有機(jī)地組合成一個整體，最后來實現(xiàn)系統(tǒng)的功能在數(shù)字頻率計的設(shè)計中，同時采用了電路原理圖的設(shè)計以及VHDL語言來編寫的頂層電路[12]。 電路原理圖見圖41，具體源代碼見附錄一，仿真圖如圖321所示。圖 43 數(shù)字密碼鎖的頂層原理圖在前面，我們已經(jīng)把數(shù)字密碼鎖各組成模塊的程序進(jìn)行了編寫，并用Quartus II ，從仿真時序圖中可以看出，各模塊實現(xiàn)了各自的功能，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。下面，將就數(shù)字密碼鎖進(jìn)行整體仿真，從而驗證其正確性。圖42顯示的是用戶輸入正確的密碼以及修改數(shù)字密碼時的時序仿真圖，從圖中可以看出：當(dāng)給密碼鎖上電后，密碼鎖進(jìn)入到等待狀態(tài)QA。若用戶按下SETUP按鍵，則c11 產(chǎn)生一個高電平信號，WAIT_L置1，密碼鎖進(jìn)入到準(zhǔn)備狀態(tài)QB。當(dāng)用戶需要開門時，按下START鍵，即c33呈高電平，這時RESET信號置高電平，計數(shù)器清零；S_LR，S_LG和ALERT置于低電平，此時用來指示密碼鎖工作情況的指示燈和揚(yáng)聲器都處于不工作狀態(tài)，密碼鎖進(jìn)入QC輸入密碼狀態(tài)，可以接收外部輸入的密碼數(shù)字。 圖42數(shù)字密碼輸入正確時的時序仿真圖用戶通過A0－A9按鍵輸入第一個數(shù)字密碼后，編碼器會向控制器發(fā)出DATA _IN信號，此時控制器模塊會向計數(shù)器選擇模塊發(fā)出時鐘信號CNP和向密碼存儲模塊發(fā)出RD信號，目的是選出對應(yīng)的預(yù)置密碼與輸入的密碼進(jìn)行比較。如果輸入的密碼正確，則比較器會向控制器發(fā)出1個表示輸入數(shù)字密碼正確的DEP信號，否則將不會發(fā)出DEP信號；當(dāng)用戶輸入第二個數(shù)字密碼后，重復(fù)上述操作；當(dāng)輸完三個數(shù)字密碼后，計數(shù)器會向控制器發(fā)出1個表示密碼已經(jīng)輸入完畢的FULL信號。如果前面用戶輸入的數(shù)字密碼正確，則密碼鎖將進(jìn)入啟動狀態(tài)QD，此時用戶若按下OPEN鍵，則密碼鎖的綠燈亮，密碼鎖開鎖。隨后若用戶沒有按DIP鍵，即不修改密碼，則密碼鎖會重新進(jìn)入到等待狀態(tài)QA。數(shù)字密碼輸入正確后，若用戶需要修改密碼，則需按下DIP鍵，此時，RESET信號置高電平，計數(shù)器清零，若有數(shù)字密碼輸入，則編碼器會向控制器發(fā)出DATA _IN信號，此時控制器將向計數(shù)器發(fā)出時鐘信號CNP，同時向密碼存儲模塊發(fā)出WR信號，使其進(jìn)入到寫狀態(tài)，待3個十進(jìn)行數(shù)字密碼輸入完畢后，計數(shù)器會向控制器發(fā)出一個FULL信號，密碼鎖重新進(jìn)入QA等待狀態(tài)。如果前面用戶輸入的數(shù)字密碼不正確，則密碼鎖將進(jìn)入到報警狀態(tài)QE，如圖42所示。圖 42 數(shù)字密碼輸入錯誤時的時序仿真圖當(dāng)用戶在輸入密碼過程中發(fā)現(xiàn)密碼輸入有誤，則可以通過START鍵進(jìn)行重新輸入，此時控制器向計數(shù)器發(fā)出RESET清零信號，密碼鎖重新進(jìn)入到QC密碼輸入狀態(tài)。若用戶在輸入3個數(shù)字密碼過程中沒有按下START按鍵，而是在輸入完3個數(shù)字密碼后按下了開鎖鍵OPEN，則S_LR和ALERT置高電平，密碼鎖的紅燈亮，蜂鳴器報警。密碼鎖同時進(jìn)入到報警返回狀態(tài)QF，這時，START鍵和SETUP按鍵是不起作用的。在這種情況下，密碼鎖必須由內(nèi)部人員通過按鍵ISETUP來對密碼器進(jìn)行重新設(shè)置，才使其重新回到等待狀態(tài)QA。從以上討論，可以看出前面各模塊設(shè)計較好的完成了數(shù)字密碼鎖的功能。其中密碼鎖頂層設(shè)計的各個模塊是以元件的形式給出的，必須首先進(jìn)行元件說明，然后才能進(jìn)行元件的例化調(diào)用。另外，結(jié)構(gòu)體的說明部分還定義了許多中間信號，它們的作用是用來在模塊之間傳遞信息。 過程調(diào)試 PIN腳的設(shè)置、結(jié)果及程序下載圖分別如圖4圖44和圖45所示。圖43 PIN腳的設(shè)置圖44 設(shè)置結(jié)果圖45 程序下載圖在DE2上硬件調(diào)試結(jié)果圖如圖46和圖47所示：圖46 成功的結(jié)果圖圖47 不成功的結(jié)果圖硬件調(diào)試結(jié)果說明：1 給密碼鎖上電后按下SETUP鍵，密碼鎖進(jìn)入等待狀態(tài)當(dāng)用戶需要開門時，按下START鍵，表示密碼鎖準(zhǔn)備就緒，可以接收外部輸入的密碼數(shù)字；這時用來指示密碼鎖工作情況的指示燈和揚(yáng)聲器都處于不工作狀態(tài)。2 通過A0－A9按鍵輸入3位數(shù)字密碼后按下OPEN鍵如果輸入密碼正確并使用按鍵正確，這時密碼鎖將啟動開鎖裝置，同時密碼鎖的綠燈亮；如果輸入密碼錯誤或者按鍵錯誤，這時密碼鎖不會啟動保險柜開啟裝置，它將鳴叫揚(yáng)聲器，同時密碼鎖的紅燈亮。3 密碼鎖開啟結(jié)束后將進(jìn)入到下一次開啟等待狀態(tài)。這時，按下SETUP按鍵，密碼鎖重新進(jìn)入到等待狀態(tài)。4 密碼鎖處于報警狀態(tài)時，START鍵和SETUP按鍵是不起作用的在這種情況下，密碼鎖必須由內(nèi)部人員通過按鍵ISETUP來對密碼器進(jìn)行重新設(shè)置，目的是使其重新回到等待狀態(tài)。為了密碼鎖的安全起見，這里按鍵ISETUP應(yīng)該放在內(nèi)部人員辦公其他室或者其它外部人員不能進(jìn)入的地方。5 如果發(fā)現(xiàn)輸入的3位密碼有錯誤這時操作人員可以在按下OPEN鍵之前按下START鍵重新回到就緒狀態(tài)。因此，密碼鎖需要含有一個輸入數(shù)字密碼的顯示電路，這里采用七段顯示數(shù)碼管來依次顯示輸入的數(shù)字密碼。6 其他數(shù)字密碼0－DIP、START、OPEN、SETUP、ISETUP均為按鍵方式產(chǎn)生，其中數(shù)字密碼0－DIP、START、OPEN和SETUP可以采用外接的鍵盤來進(jìn)行輸入需要注意的是，內(nèi)部按鍵ISETUP不由外接鍵盤提供。這里密碼鎖的工作時鐘由DE2中27MHz分頻來得到。5 展望目前電子鎖產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，安防產(chǎn)品國際標(biāo)準(zhǔn)化認(rèn)證有：ISO、CE、UL、FCC等，但國內(nèi)尚未頒布電子鎖的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。目前僅有相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)如GB10409—89《防盜保險柜》和部頒標(biāo)準(zhǔn)GA25—92《防盜安全門通用技術(shù)條件》在這兩上相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中僅對電子鎖有關(guān)性能在技術(shù)上提出了要求和試驗方法，為設(shè)計電子鎖的設(shè)計提價了基本依據(jù)。但要作為產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)卻少了產(chǎn)品分類、規(guī)格和型號，這給生產(chǎn)廠家和用戶帶來諸多不便。電子鎖質(zhì)量的可靠性，在很大程度上依賴于對電子元器件和制造工藝的質(zhì)量控制。目前國內(nèi)電子元器件的市場，對電子鎖產(chǎn)品生產(chǎn)廠家一般很難做到直供，元器件供貨質(zhì)量很難得到保證。我在這方面考慮有所欠缺。另外，數(shù)字密碼鎖的電源，采用的簡單不間斷電源是將電池和電網(wǎng)交流電經(jīng)整流得到的直流低電壓分別串聯(lián)隔離二極管后相并自動切換。目前存在的問題：一是電磁鐵負(fù)載大，整機(jī)功耗高；二是缺少備用電源的自動充電和欠壓提示。當(dāng)上述工作都做完后去把設(shè)計拿到實驗室進(jìn)行硬件下載，在下載過程中并不是一帆風(fēng)順的，出現(xiàn)的問題及解決方法如下：首先是按設(shè)計接好電路，實驗箱通電后，發(fā)現(xiàn)設(shè)計無法下載到試驗箱上的FPGA芯片上。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)是因為沒有裝下載驅(qū)動，當(dāng)裝好驅(qū)動后，這問題迎刃而解。當(dāng)驅(qū)動問題解決后，下載到FPGA芯片上后發(fā)現(xiàn)指示電路的工作情況與設(shè)計中完全相反了。仔細(xì)檢查之后發(fā)現(xiàn)是因為設(shè)計中的LED接了電源，高電平不亮、低電平亮；而實驗箱上的LED是高電平有效（亮）、低電平無效（不亮），把指示燈的狀態(tài)調(diào)整后，問題解決。上述問題都解決后進(jìn)行最后的功能仿真的過程中發(fā)現(xiàn)密碼修改功能無法實現(xiàn)。經(jīng)檢查后發(fā)現(xiàn)是控制器中密碼存儲狀態(tài)部分的程序編寫不周到導(dǎo)致的。在重新編寫之后問題得到解決。致謝經(jīng)過半年的忙碌和工作，本次畢業(yè)設(shè)計已經(jīng)接近尾聲，作為一個本科生的畢業(yè)設(shè)計，由于經(jīng)驗的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒有導(dǎo)師的督促指導(dǎo)，以及同學(xué)們的支持，想要完成這個設(shè)計是難以想象的。\\\\\\\\\。另外，衷心感謝同窗好友們，在我畢業(yè)論文寫作中，與他們的探討交流使我受益頗多；同時，他們也給了我很多無私的幫助和支持，我在此深表謝意。焉得諼草，言樹之背，知育之恩，無以回報。今天，我們即將離開我們的母校，離開朝夕相處的老師和同學(xué)好友們，但學(xué)無止境，明天，又將是我終身學(xué)習(xí)另一天的開始。