【文章內(nèi)容簡介】 在設(shè)計單元的最前面： LIBRARY 庫名； 這樣，在設(shè)計單元內(nèi)的語句就 可以使用庫中的數(shù)據(jù)。由此可見，庫的好處就在于使設(shè)計者可以共享已經(jīng)編譯過的設(shè)計結(jié)果。在 VHDL 語言中可以存在多個不同的庫，但是庫和庫之間是獨立的，不能互相嵌套。實際中一個庫就對應(yīng)一個目錄，預(yù)編譯程序包的文件就放在此目錄中。用戶自建的庫即為設(shè)計文件所在目錄，庫名與目錄名的對應(yīng)關(guān)系可在編譯軟件中指定。 （ Entity） 實體是 VHDL 設(shè)計中最基本的模塊， VHDL 表達的所有設(shè)計均與實體有關(guān)。設(shè)計的最頂層是頂層實體。如果設(shè)計分層次，那么在頂層實體中將包含較低級別的實體。 實體中定義了該設(shè)計所需的輸入 /輸出信號，信號的輸入 /輸出類型被稱為端口模式，同時實體中還定義他們的數(shù)據(jù)類型。 （ Architecture） 結(jié)構(gòu)體是 VHDL 設(shè)計中最主要部分，它具體地指明了該基本設(shè)計單元的行為、元件及內(nèi)部的連接關(guān)系，也就是說它定義了設(shè)計單元具體的功能。結(jié)構(gòu)體對其基本設(shè)計單元的輸入輸出關(guān)系可以用 3 種方式進行描述，即行為描述（基本設(shè)計單元的數(shù)學(xué)模型描述）、寄存器傳輸描述（數(shù)據(jù)流描述）和結(jié)構(gòu)描述（邏輯元件連接描述）。不同的描述方式，只體現(xiàn)在描述語句上，而結(jié)構(gòu)體的結(jié)構(gòu)是完全一樣的。 電子密碼鎖設(shè)計 11 一個完整的、能被綜合實現(xiàn)的 VHDL 設(shè)計必須有一個實體和對應(yīng)的結(jié)構(gòu)體，一個實體可以對應(yīng)一個或多個結(jié)構(gòu)體，由于結(jié)構(gòu)體是對實體功能的具體描述，因此它一定要跟在實體的后面，通常先編譯實體后才能對結(jié)構(gòu)體進行編譯。 CPLD/FPGA FPGA（ Field Programmable Gates Array 現(xiàn)場可編程門陣列，內(nèi)部結(jié)構(gòu)為門陣列構(gòu)成靜態(tài)存儲器（ SRAM）。該 SRAM 可構(gòu)成函數(shù)發(fā)生器，即查找表，通過查找表可實現(xiàn)邏輯函數(shù)功能） ， CPLD（ Complex Programmable Logic Device 復(fù)雜可編程邏輯器件， 內(nèi)部結(jié)構(gòu)為“與或陣列”。該結(jié)構(gòu)來自于典型的 PAL、 GAL器件的結(jié)構(gòu)。任意一個組合邏輯都可以用“與 — 或”表達式來描述，所以該“與或陣列”結(jié)構(gòu)能實現(xiàn)大量的組合邏輯功能）。 FPGA 具有體系結(jié)構(gòu)和邏輯單元靈活、集成度高以及適用范圍寬 FPGA 等特點。兼容了 PLD 和通用門陣列的優(yōu)點，可實現(xiàn)較大規(guī)模的電路，編程也很靈活。與門陣列等其它 ASIC 相比，它又具有設(shè)計開發(fā)什么是周期短、設(shè)計制造成本低、開發(fā)工具先進、標準產(chǎn)品無需測試、質(zhì)量穩(wěn)定以及可實時在線檢驗等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品的原型設(shè)計和產(chǎn)品生產(chǎn)(一般在 10,000 件以 下 )之中。幾乎所有應(yīng)用門陣列、 PLD 和中小規(guī)模通用數(shù)字集成電路的場合均可應(yīng)用 FPGA。 CPLD 它具有編程靈活、集成度高、設(shè)計開發(fā)周期短、適用范圍寬、開發(fā)工具先進、設(shè)計制造成本低、對設(shè)計者的硬件經(jīng)驗要求低、標準產(chǎn)品 無需測試、保密性強、價格大眾化等特點，可實現(xiàn)較大規(guī)模的電路設(shè)計。 硬件描述語言是 EDA 技術(shù)的重要組成部分， VHDL 是電子設(shè)計的主流硬件描述語言。 VHDL 的英文全名是 VeryHighSpeed Integrated Circuit Hardware Description Language，誕生 于 1982年。 1987年底， VHDL被 IEEE ( The Institute of Electrical and Electronics Engineers)和美國國防部確認為標準硬件描述語言。自 IEEE 公布了 VHDL 的標準版本（ IEEE1076）之后，各 EDA 公司相繼推出了自己的 VHDL 設(shè)計環(huán)境，或宣布自己的設(shè)計工具可以和 VHDL 接口。此后 VHDL在電子設(shè)計領(lǐng)域得到了廣泛的接受，并逐步取代了原有的非標準硬件描述語言。1993 年， IEEE 對 VHDL 進行了修訂，從更高的抽象層次和系統(tǒng)描述能力上擴展電子密碼鎖設(shè)計 12 VHDL 的內(nèi)容，公布了新版本的 VHDL，即 IEEE 標準的 10761993 版本?，F(xiàn)在， VHDL作為 IEEE 的工業(yè)標準硬件描述語言，又得到眾多 EDA 公司的支持，在電子工程領(lǐng)域，已成為事實上的通用硬件描述語言。 VHDL 主要應(yīng)用于數(shù)字電路的設(shè)計中，尤其是在（ FPGA/CPLD/ispPLS 和 IASIC 等芯片的設(shè)計中應(yīng)用更加廣泛。（本次設(shè)計是關(guān)于 CPLD 的設(shè)計） VHDL 的優(yōu)點 VHDL 主要用于描述數(shù)字系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、行為、功能和接口。除了含有許多具有硬件特征的語句外， VHDL 的語言形式和描述風(fēng)格與句法十分類似于 一般的計算機高級語言。 VHDL 的程序結(jié)構(gòu)特點是將一項設(shè)計實體（可以是一個元件、一個電路模塊或一個系統(tǒng)）分成外部和內(nèi)部兩個基本點部分，其中外部為可見部分，即系統(tǒng)的端口，而內(nèi)部則是不可視部分，即設(shè)計實體的內(nèi)部功能和算法完成部分。在對一個設(shè)計實體定義了外部界面后，一旦其內(nèi)部開發(fā)完成后，其他的設(shè)計就可以直接調(diào)用這個實體。這種將設(shè)計實體分成內(nèi)外部分的概念是 VHDL 系統(tǒng)設(shè)計的基本點。應(yīng)用 VHDL 進行工程設(shè)計的優(yōu)點是多方面的，具體如下 : 1) 設(shè)計技術(shù)齊全、方法靈活、支持廣泛。 VHDL 語言可以支持自上至下和基于庫的設(shè)計 法，而且還支持同步電路、異步電路及其他隨機電路的設(shè)計。目前大多數(shù) EDA 工具都支持 VHDL 語言。 2) VHDL 具有更強的系統(tǒng)硬件描述能力 , VHDL 具有多層次描述系統(tǒng)硬件功能的能力，其描述對象可從系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型直到門級電路。 3) VHDL 語言可以與工藝無關(guān)編程。在用 VHDL 語言設(shè)計系統(tǒng)硬件時，沒有嵌入與工藝有關(guān)的信息。當門級或門級以上層次的描述通過仿真檢驗以后，再用相應(yīng)的工具將設(shè)計映射成不同的工藝。這樣，在工藝更新時，就無須修改原設(shè)計程序，只要改變相應(yīng)的映射工具。 4) VHDL 語言標準、規(guī) 范，易于共享和復(fù)用 電子密碼鎖設(shè)計 13 3 總體設(shè)計 圖 31 系統(tǒng)框圖 鍵盤輸入 彈跳消除電路 鍵盤譯碼電路 按鍵數(shù)據(jù)緩沖器 鍵盤掃描電路 工作時鐘脈沖信號 密碼鎖存器 比較器 多路選通 器 七段譯碼器 時鐘發(fā)生器 掃描信號發(fā)生器 CLK 七段碼輸出 比較結(jié)果輸出 修改密碼時輸入 開鎖時輸入 電子密碼鎖設(shè)計 14 系統(tǒng)原理 鍵盤掃描電路用來產(chǎn)生掃描信號，掃描信號 KY32KY0 按照 1110 1101 1011 0111 1110??的規(guī)律依次變化，通過輸出 KX22KX0 來檢測是否有鍵按下，如掃描信號示 1101，表示正在掃描 4 ,5 ,6 這三個鍵，如果這三個鍵多沒被按下，則 KX[2∶ 0 ]輸出為 111，如果數(shù)字鍵 4 按下， KX[2∶ 0 ]將會輸出為 011。按鍵輸入信號，若被按下的是數(shù)字鍵 ,則解碼成相應(yīng)的 BCD 碼，若被按下的是功能鍵，則解碼成 4 位二進制的碼字，由密碼鎖控制電路作相應(yīng)的動作。為防止每次掃描產(chǎn)生新的按鍵數(shù)據(jù)覆蓋前面的數(shù) 據(jù)，通過按鍵數(shù)據(jù)緩沖器將整個鍵盤掃描后的結(jié)果記錄下來。當按下數(shù)字鍵時，輸入的數(shù)字在最右邊的數(shù)碼管中顯示，數(shù)碼管原先的數(shù)據(jù)向左移動一位；如果不慎輸入錯誤，則按清除鍵清除所輸入的數(shù)字，重新開始輸入四位數(shù)字。由于此處密碼設(shè)置為四位，如果超過四位，則后面的被忽略。輸入四位密碼后，按下激活電鎖鍵，則將所輸入的四位設(shè)置為電鎖密碼。解鎖的過程是先輸入四位數(shù)字，然后按下解除電鎖鍵，如果輸入的四位數(shù)字與密碼相同，則開鎖。反之打不開鎖。按鍵數(shù)據(jù)緩沖器所 存儲的數(shù)據(jù)經(jīng)由 多路選通器 到 七段 譯碼電路 , 將其轉(zhuǎn)換成七段顯示器的顯示碼 , 轉(zhuǎn) 送到七段顯示器 , 多路選通器 與顯示管選擇必須同步。由于設(shè)計的是 4位數(shù)的數(shù)字密碼鎖 , 一位十進制數(shù)需要 4 個二進制位表示 , 所以寄存器必須是 16 位的。因為是以掃描的方式輪流被點亮的 , 因此 顯示緩沖器 上的數(shù)據(jù)必須一組一組地分開傳送 , 每次送4個位。 各部分作用 （ 1）鍵盤輸入 本 設(shè)計選用的是 43 矩陣鍵盤，它是用 4 條 I/O 線作為行線， 3 條 I/O 線作為列線組成的鍵盤。在行線和列線的每一個交叉點上，設(shè)置一個按鍵，當某鍵被按下時，該按鍵的接點會連接行線和列線，這樣有按鍵按下時行線呈現(xiàn)邏輯 0的狀態(tài)，未按下時則 呈現(xiàn)邏輯 1 狀態(tài)。 鍵盤電路的工作原理是通過行線送入掃描信號，然后從列線讀取狀態(tài)判斷是否有按鍵按下。其方法是依次給行線送低電平，電子密碼鎖設(shè)計 15 檢查列線的輸出。如果列線信號為高電平，則代表低電平信號所在的行中無按鍵按下；如果列線輸入為低電平，則低電平信號所在的行和出現(xiàn)低電平的列的交點處有按鍵按下。掃描信號由 KY3— KYO 進入鍵盤，變化的順序依次是：1110— 1101— 1011— 0111— 1110，每次掃描一行，依序循環(huán)。假設(shè)現(xiàn)在掃描信號為 1101，即掃描 “4” 、 “5” 、 “ 6” 這一排按鍵，如果這排當中沒有按鍵被按下的話，則列掃 描信號 KX2KXO 讀出的值為 111；反之，當 “6” 按鍵被按下時則由 KX2KXO 讀出的值為 110,其它依次類推。由于矩陣式鍵盤是無法獨自地完成按鍵工作的，要搭配時序產(chǎn)生電路、鍵盤掃描電路、彈跳消除電路、鍵盤譯碼電路才能可靠工作。鍵盤上的有效數(shù)據(jù)是 0到 9這十個數(shù)字鍵和兩個功能鍵（ *鍵：修改密碼鍵； 鍵：輸入數(shù)字小于四位時按下此鍵表示清除鍵，輸入數(shù)字等于四位時表示開鎖鍵） 。 （ 2）彈跳消除電路 因為本次設(shè)計的按鍵采用機械式開關(guān)結(jié)構(gòu)，在開關(guān)切換的瞬間會在接觸點出現(xiàn)來回彈跳的現(xiàn)象 ,這種彈跳現(xiàn)象可能造成誤動作而影響 到正確性。本設(shè)計中采用延時的軟件方法消除抖動 ,若采樣信號檢測到輸入由 “1” 變到 “0” 或由“0” 變?yōu)?“1”, 先延時 2 個周期 ,仍舊檢測到是 “0” 或 “1”, 則說明按鍵狀態(tài)確實發(fā)生了變化 ,否則當作抖動處理 ,不予理會。這樣就消除了抖動。 （ 3）鍵盤譯碼電路 鍵盤中的按鍵可分為數(shù)字按鍵和功能按鍵，每個按健都有自己相應(yīng)的作用，比如 鍵可以清除密碼和開鎖， *鍵可以設(shè)置密碼。數(shù)字按鍵主要用來輸入數(shù)字，鍵盤所產(chǎn)生的輸出 (KX2KXO)無法直接拿來使用，因此必須由鍵盤譯碼電路來規(guī)劃每個按鍵的輸出形式，以便執(zhí)行相應(yīng)的動作。 （ 4）按鍵數(shù)據(jù)緩沖器 按鍵數(shù)據(jù)緩沖器將整個鍵盤掃描完畢后的結(jié)果記錄下來，防止后面所得的數(shù)據(jù)覆蓋前面掃描得到的數(shù)據(jù)。 （ 5）鍵盤掃描電路 鍵盤掃描電路是用于產(chǎn)生 KY3KY0 信號，即鍵盤的行掃描信號。每掃描一排按鍵，就檢查一次是否有按鍵被按下，如果這排沒有按鍵被按下就忽略。反之，如果出現(xiàn)被按下的鍵則立即進行按鍵編碼的動作，且將編碼的結(jié)果存儲于寄存器電子密碼鎖設(shè)計 16 中。掃描停留在每個狀態(tài)的時間大約為 10ms。更短的停留時間容易采集到陡動信號，會干擾判斷。而太長的停留時間則容易丟失某些較快的按鍵動作。 （ 6）密碼鎖存器 輸入 控制電 路信號由按鍵數(shù)據(jù)緩沖器產(chǎn)生的 ，在按下解鎖信號后其全部數(shù)據(jù)送入比較器，解鎖后，如果按下更改密碼按鍵，則把所有數(shù)據(jù)送入預(yù)存密碼寄存器。 密碼鎖存器 是一個 16位的寄存器，負責保存密碼。 （ 7）比較器 當按下數(shù)字鍵時 ,輸入的數(shù)字在最右邊的數(shù)碼管中顯示 ,數(shù)碼管原先