【正文】 塊圖如圖 213所示，模塊的輸入、輸 出信號定義如下： 1）輸入信號 濟南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論 文 ) 9 DATA ： 4位的 BCD碼輸入信號，由數(shù)碼管掃描模塊提供。 2）輸出信號 A、 B、 C、 D、 E、 F、 G：分別對應(yīng) 7段 LED的 7個輸入端口。 模塊描述 在密碼器中，顯示設(shè)備由 8個 7段 LED組成。前 6個 LED將顯示輸入的 6個密碼，后 2個 LED在用來在誤碼狀態(tài)下顯示還可以輸入的密碼次數(shù)。由于采用動態(tài)掃描顯示，只須輸出一個 LED所須的驅(qū)動信號即可。這里采用共陰極 LED，所以輸出 A～ G高電平有效。 VHDL設(shè)計 數(shù)碼管顯示譯碼模塊 的 VHDL程序為 。 指示電路 模塊設(shè)計 (黑體 小四， 倍行距，段前 行 ) 輸入輸出信號定義 數(shù)碼管掃描模塊 的模塊圖如圖 214所示，模塊的輸入、輸出信號定義如下： 1）輸入信號 CLKSCAN：數(shù)碼管掃描頻率，來源于系統(tǒng)時鐘輸入 CLK。 RESET：數(shù)碼管復(fù)位信號，由控制器模塊提供。 IN1～ IN6：數(shù)字密碼顯示輸入信號，由編碼模塊提供。 IN IN8：剩余密碼輸入次數(shù)顯示輸入信號，由密碼錯誤次數(shù)計數(shù)模塊提供。 2）輸出信號 DATA：用于提供給 數(shù)碼管顯示譯碼模塊 的數(shù)據(jù)輸入。 SEL： 3位的 2進制數(shù) 碼管選擇信號，當(dāng)其為 111 ～ 010 時，選擇前 6位數(shù)碼管，用于顯示輸入的密碼數(shù)字；當(dāng)其為 001～ 000時，選擇后 2位數(shù)碼管，用于顯示剩余密碼輸入次數(shù)。 圖 214 數(shù)碼管掃描 模塊圖 模塊描述 在密碼器中，輸入的數(shù)字密碼需顯示在 LED上，由于輸入由 6 位，所以至少應(yīng)采用 6個 LED進行顯示。若采用傳統(tǒng)靜態(tài)顯示的方法，不僅需要消耗更大的芯片資源和管腳資源，而且還會在電路中會產(chǎn)生一個比較大的電流 ,很容易造成電路燒壞 。 通過 動態(tài) 掃描電路 可以 解決這一問題 ,通過產(chǎn)生一個掃描信號 SEL(000) SEL(111) 來控制 8 個七段顯示器 ,依次點亮 8 個七段顯示器 ,也就是每次只點亮一個七段顯示器。只要掃描信號 SEL(000) SEL(111) 的頻率超過人的眼睛視覺暫留頻率 24Hz 以上 ,就可以達到盡管每次點亮單個七段顯示器 ,卻能具有 8 個同時顯示的視覺效果 ,而且顯示也不致閃爍抖動。 這里數(shù)碼管掃描頻率采用密碼器時鐘輸入 CLK，為 300Hz。 濟南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論 文 ) 10 VHDL設(shè)計 數(shù)碼管 掃描 模塊 的 VHDL程序為 。 數(shù)碼管掃描模塊設(shè)計 (黑體 小四， 倍行距，段前 行 ) 輸入輸出信號 定義 圖 215 指示電路 模塊圖 指示電路模塊 的模塊圖如圖 215所示，模塊的輸入、輸出信號定義如下： 1）輸入信號 WAIT_L、 S_LG、 S_LR:由控制器模塊提供的紅綠燈驅(qū)動信號。 DI: 由編碼模塊提供的按鍵音信號； BJY:由密碼錯誤次數(shù)計數(shù)模塊的警告音信號。 CLK_DIV1:用于報警狀態(tài)下的揚聲器驅(qū)動信號。 2)輸出信號 LED_G:綠燈驅(qū)動信號，高電平有效。 LED_R:紅燈驅(qū)動信號，高電平有效。 ALERT: 揚聲器驅(qū)動信號，高電平有效。 模塊描述 在密碼器中，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的模塊劃分圖可以看出，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；紅燈是由控制器模塊提供的置位信號 S_LR、信號 WAIT_L和 BJY 來來共同控制的；蜂鳴裝置 ALERT 是由由控制器模塊提供的置位信號 S_LR、信號 WAIT_L、單頻信號 CLK_DIV DI和 BJY來共同控制的。 VHDL設(shè)計 指示電路模塊的主要元件是 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。所以首先應(yīng)該進行 RS觸發(fā)器的 VHDL設(shè)計，然后才能構(gòu)成指示電路模塊的 VHDL設(shè)計。其中 RS觸發(fā)器的 VHDL程序為 ,指示電路模塊的 VHDL程序為 。 誤碼模塊設(shè)計 (黑體 小四， 倍行距，段前 行 ) 輸入輸出信號定義 濟南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論 文 ) 11 圖 216 誤碼模塊圖 誤碼 模塊 的模塊圖如圖 216所示，模塊的輸入、輸出信號定義如下： 1）輸入信號 ANC：由控制器模塊來提供，表示密碼輸入錯誤。 DS ：由控制器模塊來提供，作為 延時和報警的脈沖信號。 CLK：計數(shù)脈沖輸入，當(dāng)其計為 4 時，延時結(jié)束，這是如果密碼次數(shù)還不到 3 次，則可以再次輸入密碼。 RET：復(fù)位信號，有控制器提供。 2）輸出信號 IN IN8：用于顯示還可以輸入的密碼次數(shù)。 NOTC ：當(dāng)密碼錯誤次數(shù)達到 3次時有效，為 1，它將反饋給控制器模塊。 DSW ：表示延時結(jié)束，這是密碼器可以由警告狀態(tài)進入到密碼輸入狀態(tài)。 BJY ：警告狀態(tài)下的紅燈和蜂鳴器驅(qū)動信號。 模塊描述 該模塊用于對密碼輸入錯誤次數(shù)進行計數(shù)，當(dāng)密碼輸入錯誤次數(shù)不達 3次時，密碼器將進入到警 告狀態(tài)，這時紅燈和蜂鳴器會有相應(yīng)的指示，大約持續(xù) 4秒后，可以繼續(xù)輸入密碼。當(dāng)密碼器的密碼錯誤次數(shù)達到 3次時，密碼器將進入到死鎖狀態(tài)。 VHDL設(shè)計 根據(jù)前面對該模塊的描述，可以給出其 VHDL程序，為 。 控制器模塊設(shè)計 (黑體 小四， 倍行距，段前 行 ) 輸入輸出信號定義 控制器模塊 的模塊圖如圖 217所示，模塊的輸入、輸出信號定義如下： 圖 217 控制器 模塊圖 1）輸入信號 C1 C2 C3 C44：由消抖模塊提供，分別對應(yīng)鍵 WAIT_T、 SETUP、 READY、 OPEN_T。 濟南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論 文 ) 12 DATA_IN：由編碼模塊提供，表示有密碼輸入。 DEP ：由比較模塊提供，當(dāng)它為 1時，表示輸入的數(shù)字與預(yù)置密碼相等。 DSW ：由密碼錯誤次數(shù)計數(shù)器提供，當(dāng)它為 1 時，表示定時（ 4S）完，可以進入到下一個狀態(tài)。 FULL ：由計數(shù)選擇模塊提供，當(dāng)它為 1 時，表示已經(jīng)輸入了 6 位的正確密碼，可以進入到啟動狀態(tài)。 NOTC ：由密碼錯誤次數(shù)計數(shù)模塊提供，當(dāng)它為 1 時，表示密碼錯誤次數(shù)已經(jīng)達到 3 次。這時將進入到報警狀態(tài)。 CLK ：輸入時鐘，有分頻模塊提供，與消抖模 塊的輸入時鐘同步。 2）輸出信號 EN ：輸入到使能模塊的使能信號。 DUS ：輸入到編碼模塊的讀數(shù)脈沖信號。 ANC ：輸入到密碼錯誤次數(shù)計數(shù)模塊的密碼錯誤次數(shù)計數(shù)脈沖。 CNP ：輸入到計數(shù)器選擇模塊的輸入密碼位數(shù)計數(shù)脈沖。 RESET：輸入到編碼模塊、計數(shù)器選擇模塊和數(shù)碼管掃描模塊的復(fù)位信號。 DS ：輸入到密碼錯誤次數(shù)計數(shù)模塊的定時信號。 RET ：輸入到密碼錯誤次數(shù)計數(shù)模塊的密碼錯誤次數(shù)復(fù)位信號。 WAIT_L、 S_LG、 S_LR：輸入到指示電路模塊的紅綠燈和蜂鳴器驅(qū)動信號。 模塊描述 控制器模塊為數(shù)字密碼器的核心部分，它在密碼器系統(tǒng)中占有重要的地位，要編好這一部分的程序，必須先對該模塊的工作原理有清晰的認(rèn)識。 控制器模塊的工作原理如下所示： 1）建立等待狀態(tài) 建立等待狀態(tài)是指密碼器處于上電、啟動或者報警后的狀態(tài)，這是密碼器并沒有進入到正常的等待狀態(tài)，因此密碼器不會接受除 WAIT_T信號外的任何輸入信號。當(dāng)操作人員按下 WAIT_T鍵后，密碼器將會進入到等待狀態(tài)，這時用來指示密碼器工作情況的指示燈和蜂鳴器都處于不工作狀態(tài)，同時它還將密碼錯誤次數(shù)計數(shù)器復(fù)位為 0。 2）準(zhǔn)備就緒狀態(tài) 準(zhǔn) 備就緒狀態(tài)是指密碼器在被按下 WAIT_T 鍵后處于的一種狀態(tài)。這時如果操作人員按下READY鍵，密碼器將會進入到第 3種狀態(tài)，等待密碼數(shù)字的輸入。在這種情況下， RESET將被置 1，DS信號將被置 0。 3）密碼輸入狀態(tài) 密碼輸入狀態(tài)是控制器模塊的第 3個狀態(tài)，這是密碼器將進入到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 EN輸出信號將變?yōu)橛行?，它意味著此時允許數(shù)字密碼 A0～ A9的按鍵輸入。在這種情況下，密碼器每收到一個按鍵信號后，控制器模塊應(yīng)該判斷出該按鍵輸入是數(shù)字密碼還是 OPEN_T信號。 如果判斷出按鍵輸 入 OPEN_T 信號，那么這是就不符合啟動程序，這是密碼器將轉(zhuǎn)移到報警狀態(tài)，同時還向密碼錯誤次數(shù)計數(shù)模塊發(fā)出 ANC時鐘，作為密碼錯誤次數(shù)計數(shù)輸入脈沖。是如果判斷出是數(shù)字按鍵輸入，則提供 DUS時鐘給編碼模塊作為密碼輸入位數(shù)計數(shù)脈沖信號，同時如果判斷出該按鍵輸入為正確密碼，則向計數(shù)器選擇模塊發(fā)出 CNP時鐘信號，目的是選出對應(yīng)的預(yù)置密碼與輸入的密碼進行比較。對于比較模塊來說，如果 DEP的輸出為 0，那么控制器模塊應(yīng)該轉(zhuǎn)移到密碼錯誤狀態(tài)；如果 DEP的輸出為 0，那么這時檢查計數(shù)器選擇模塊的輸出 FULL是否有效。如果 FULL 有效，那么表示已經(jīng)接收了 6 個正確的數(shù)字密碼，控制器模塊將轉(zhuǎn)移到啟動狀態(tài)，否則將返回本狀態(tài)繼續(xù)接收密碼。 濟南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論 文 ) 13 4）啟動狀態(tài) 啟動狀態(tài)是控制器模塊的第 4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_T信號，那么將發(fā)出 S_LG信號；如果判斷出是數(shù)字按鍵輸入，那么仍向編碼模塊發(fā)出 DUS時鐘。 5）誤碼狀態(tài) 當(dāng)控制器處于這個狀態(tài)時，如果按下 READY 鍵，那么控制器將發(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_T 鍵，那么控制器將向誤碼模塊發(fā)出 ANC 時鐘，同時轉(zhuǎn)移到報 警狀態(tài)；如果判斷出是數(shù)字按鍵輸入，那么向編碼模塊發(fā)出 DUS時鐘。 6）報警狀態(tài) 當(dāng)控制器處于這個狀態(tài)時，這時控制器將判斷 NOTC 信號是否有效，如果該信號有效，則表示密碼輸入錯誤次數(shù)已經(jīng)達到 3次，這時密碼器將進入到死鎖狀態(tài)，同時控制器將轉(zhuǎn)移到報警返回狀態(tài)；如果 NOTC 信號無效，則向密碼錯誤計數(shù)模塊發(fā)出定時信號，這時指示設(shè)備將發(fā)出警告信號，這時任何按鍵輸入都將不被響應(yīng)；如果定時結(jié)束（ 4s）則，密碼器將再次進入到準(zhǔn)備就緒狀態(tài)，這時允許再次輸入密碼。 7）報警返回狀態(tài) 報警返回狀態(tài)是控制器模塊的最后一個狀態(tài)，這是密 碼器將判斷輸入的具體信號：如果按下SETUP 信號，那么控制器模塊將返回到密碼建立等待狀態(tài)；如果按下其他鍵，那么狀態(tài)將不會發(fā)生變化。 根據(jù)上面對控制器模塊的工作原理的描述，可以畫出該模塊的狀態(tài)圖，如圖 218 所示。其中 QA、 QB、 QC、 QD、 QE、 QF、 QG 分別對應(yīng)控制器的建立等待狀態(tài)、準(zhǔn)備就緒狀態(tài)、密碼輸入狀態(tài)、啟動狀態(tài)、誤碼狀態(tài)、報警狀態(tài)、報警返回狀態(tài)這 7個狀態(tài)。 VHDL設(shè)計 通過前面對控制器模塊的詳細介紹，可以給出控制器模塊的 VHDL 描述， 其 VHDL 程序為。 具體電路及仿真結(jié)果 (黑體小四， 倍行距，段前 行 ) 下面給出主要模塊的仿真波形圖。 頂層模塊 仿真 QA QB QC QD QE QG QF 圖 218 控制器模塊的狀態(tài)圖 WAIT_T READY WAIT_T OPEN_T READY READY FULL OPEN_T DEP OPEN_T NOTC DSW SETUP READY SETUP 濟南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論 文 ) 14 密碼輸入錯誤 圖 31 密碼輸入錯誤狀態(tài)的仿真波形圖 密碼輸入錯誤狀態(tài)的波形仿真圖如圖 31所示，從圖中可以看出：輸入的密碼為 854321，而正確密碼為 654321，所以在按下 OPEN_T鍵后，控制器進入了報警狀態(tài)（ QF），符合控制器工作流程。 密碼輸入正確 密碼輸入正確下的仿真波形圖如圖 32 所示。從圖中可以看出，當(dāng)密碼輸 入 654321 后，控制器進入到了啟動狀態(tài)（ QD）。在按下 OPEN_T鍵后，控制器又返回了建立等待狀態(tài)，同時發(fā)出 LED_G綠燈驅(qū)動信號。這完全符合控制器工作流程，滿足設(shè)計要求。 圖 32 密碼輸入正確下的仿真波形圖 濟南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論 文 ) 15 編碼模塊 仿真 編碼模塊 的仿真波形圖如圖 33所示，從圖中可以看出：當(dāng)檢測到有數(shù)字按鍵輸入是， DATA_IN將輸出一個時鐘周期的高電平，同時該按鍵信號所代表的數(shù)值將通過 B4～ B1和 IN1～ IN6存儲起來。 圖 33 編碼模塊 的仿真波形圖 至此完成了系統(tǒng)軟件上的仿真。由于仿真激勵文件的不完 善，所以時序仿真的通過并不代表加載到 FPGA片上的成功，只是通過了 FPGA的硬件調(diào)試， 才 是系統(tǒng)設(shè)計的真正成功。 由于輸入延時及 仿真 頻率的選擇問題，輸出帶有一定的延時，所以應(yīng)該考慮到輸出的延時問題，才能正確的對輸入進行設(shè)置，從而得到意想的結(jié)果。 FPGA 驗證 (黑體小四， 倍行距，段前 行 ) FPGA 驗證就是將編譯、綜合生成的下載文件下載到指定的芯片上，本設(shè)計采用的 是 ED