【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 案三：利用FPGA設(shè)計(jì)電子密碼鎖，其成本低，設(shè)計(jì)方便（有相應(yīng)的開(kāi)發(fā)板），現(xiàn)有資源充足，實(shí)現(xiàn)比較容易，更利于系統(tǒng)的維護(hù)改進(jìn)和升級(jí)，可靠性更高，更安全。通過(guò)以上比較描述，本設(shè)計(jì)采用基于FPGA的電子密碼鎖設(shè)計(jì)方案。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 設(shè)計(jì)一個(gè)具有較高安全性和較低成本的通用電子密碼鎖，具體功能要求如下：（1）數(shù)碼輸入：每按下一個(gè)數(shù)字鍵，就輸入一個(gè)數(shù)值，并在顯示器上的顯示出該數(shù)值，同時(shí)將先前輸入的數(shù)據(jù)依序左移一個(gè)數(shù)字位置。（2）數(shù)碼清除：按下此鍵可清除前面所有的輸入值，清除為“0000”。（3）密碼更改：按下此鍵時(shí)會(huì)將目前的數(shù)字設(shè)定成新的密碼。（4）激活電鎖：按下此鍵可將密碼鎖上鎖。（5）解除電鎖：按下此鍵會(huì)檢查輸入的密碼是否正確，密碼正確即開(kāi)鎖。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)描述本系統(tǒng)為一個(gè)簡(jiǎn)潔型的電子密碼鎖，該系統(tǒng)以開(kāi)發(fā)板為主要核心，采用4*4的鍵盤(pán)，前10個(gè)鍵為數(shù)字鍵，8個(gè)數(shù)碼管顯示密碼輸入，后面的按鍵實(shí)現(xiàn)電子密碼鎖的各個(gè)功能。 電子密碼鎖外觀圖上圖為在實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)板上實(shí)現(xiàn)，使用開(kāi)發(fā)板有十六個(gè)按鍵，分別對(duì)應(yīng)數(shù)字0到9和各個(gè)功能鍵，LED顯示為開(kāi)發(fā)板上數(shù)碼管顯示。 設(shè)計(jì)思路及各功能模塊描述電子密碼鎖可以由三個(gè)部分組成：數(shù)字密碼輸入電路、密碼鎖控制電路、密碼鎖顯示電路。作為密碼鎖的輸入部分，可選擇的方案有數(shù)字機(jī)械式鍵盤(pán)和觸摸式數(shù)字鍵盤(pán)等多種?？紤]種種因素主要是成本和使用壽命因素，本設(shè)計(jì)采用通用的數(shù)字機(jī)械式鍵盤(pán)。數(shù)字電子密碼鎖的顯示信息電路可采用LED數(shù)碼管顯示和液晶屏幕顯示兩種。液晶顯示具有高速顯示、高可靠性、易于擴(kuò)展和升級(jí)等優(yōu)點(diǎn)，但是普通液晶顯示屏存在亮度低、對(duì)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(dòng)電路設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜，因此本設(shè)計(jì)的顯示電路使用通用的LED數(shù)碼管。根據(jù)以上選定的輸入設(shè)備和器件，并考慮到實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)數(shù)字密碼鎖功能的具體要求。本設(shè)計(jì)分為三個(gè)大的功能模塊。 數(shù)字電子密碼功能模塊圖（1） 密碼鎖輸入電路包括時(shí)序產(chǎn)生電路、鍵盤(pán)掃描電路、鍵盤(pán)彈跳消除電路、鍵盤(pán)譯碼電路等幾個(gè)小的功能電路。模塊的功能是：將用戶通過(guò)鍵盤(pán)輸入的數(shù)字密碼，確認(rèn)密碼是否輸入，產(chǎn)生電路中使用的三種不同頻率的工作脈沖波形，即系統(tǒng)時(shí)鐘脈沖、彈跳消除取樣信號(hào)和鍵盤(pán)掃描信號(hào)；為了加強(qiáng)按鍵按下的準(zhǔn)確性加了去抖模塊。作為電子密碼鎖的輸入電路，數(shù)字密碼輸入電路可采用一個(gè)44的通用開(kāi)發(fā)板上的鍵盤(pán)作為本設(shè)計(jì)的輸入設(shè)備。開(kāi)發(fā)板鍵盤(pán)具有低成本、可靠性高、構(gòu)成電路簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟和應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)，因此將其應(yīng)用到通用電子密碼鎖中還是比較適宜的。（2） 密碼鎖控制電路包括按鍵數(shù)據(jù)的緩沖存儲(chǔ)電路，密碼的清除、變更、存儲(chǔ)、激活電鎖電路（寄存器清除信號(hào)發(fā)生電路），密碼核對(duì)（數(shù)值比較電路），解鎖電路（開(kāi)/關(guān)門(mén)鎖電路）等幾個(gè)小的功能電路。模塊功能：用于密碼的更改，密碼的清除，以及對(duì)密碼鎖的工作狀態(tài)更改，對(duì)輸入密碼次數(shù)的計(jì)數(shù)功能，還有就是更智能化，更符合人們的思維，按鍵的時(shí)候都是習(xí)慣看輸入數(shù)字的移位情況。（3）密碼顯示電路主要將顯示數(shù)據(jù)的BCD碼轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的編碼。如，若選用七段數(shù)碼管顯示電路，主要將待顯示數(shù)據(jù)的BCD碼轉(zhuǎn)換成數(shù)碼器的七段顯示驅(qū)動(dòng)編碼。：通過(guò)時(shí)序產(chǎn)生鍵盤(pán)掃描信號(hào)，由鍵盤(pán)輸入密碼或者功能按鍵，當(dāng)然在這過(guò)程中要經(jīng)過(guò)按鍵去抖，最后將將所輸入的鍵盤(pán)值譯碼得到具體的數(shù)字或者功能鍵；將輸入值輸入鍵盤(pán)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，在這里面可以將鍵盤(pán)值存儲(chǔ)或者清除，再經(jīng)過(guò)比較電路，比較輸入值與原來(lái)存儲(chǔ)的是否一致，如果一致則開(kāi)啟鎖，如果不一致則報(bào)警（在報(bào)警后可以通過(guò)輸入萬(wàn)能密碼或者斷電復(fù)位等可以解決）；在經(jīng)過(guò)存儲(chǔ)電路時(shí)，同時(shí)將所輸入的值通過(guò)LED顯示出來(lái)，顯示將通過(guò)BCD譯碼電路，將所獲取的值顯示在LED數(shù)碼管上。 系統(tǒng)流程：（不能光有一個(gè)圖，必須配有對(duì)圖的文字說(shuō)明，把系統(tǒng)的流程說(shuō)清楚） 系統(tǒng)流程圖4 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì) 輸入模塊，由鍵盤(pán)掃描電路、彈跳消除電路、鍵盤(pán)譯碼電路、按鍵數(shù)據(jù)緩存器，加上外接的一個(gè)34矩陣式鍵盤(pán)組成。 矩陣式鍵盤(pán)是一種常見(jiàn)的輸入裝置，在日常的生活中，矩陣式鍵盤(pán)在計(jì)算機(jī)、電話、手機(jī)、微波爐等各式電子產(chǎn)品上已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。4矩陣式鍵盤(pán)的面板配置圖，其中數(shù)字0～9作為密碼數(shù)字輸入按鍵，*作為“上鎖”功能按鍵，作為“解鎖/清除”功能按鍵。 34矩陣式鍵盤(pán)的面板配 行掃描信號(hào)、列按鍵輸入信號(hào)與按鍵位置的關(guān)系KY3~KY0111011101110110111011101101110111011011101110111KX2~KX0011101110011101110011101110011101110按鍵號(hào)123456789*0 時(shí)序產(chǎn)生電路本時(shí)序產(chǎn)生電路中使用了三種不同頻率的工作脈沖波形：系統(tǒng)時(shí)鐘脈沖（它是系統(tǒng)內(nèi)部所有時(shí)鐘脈沖的源頭，且其頻率最高）、彈跳消除取樣信號(hào)、鍵盤(pán)掃描信號(hào)。當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)中需使用多種操作頻率的脈沖波形時(shí)，最方便的方法之一就是利用一計(jì)數(shù)器來(lái)產(chǎn)生各種需要的頻率。也就是先建立一個(gè)N位計(jì)數(shù)器，N的大小根據(jù)電路的需求決定，N的值越大，電路可以分頻的次數(shù)就越多，這樣就可以獲得更大的頻率變化，以便提供多種不同頻率的時(shí)鐘信號(hào)。若輸入時(shí)鐘為CLK，N位計(jì)數(shù)器的輸出為Q[N1..0]，則Q(0)為CLK的2分頻脈沖信號(hào)，Q(1)為CLK的4分頻脈沖信號(hào)，Q(2)為CLK的8分頻脈沖信號(hào)……Q(N1)為CLK的2N分頻脈沖信號(hào)；Q(5 DOWNTO 4)取得的是一個(gè)脈沖波形序列，其值依00－01－10－11－00－01周期性變化，其變化頻率為CLK的32分頻。我們利用以上規(guī)律即可得到各種我們所需要頻率的信號(hào)或信號(hào)序列。CLK_1K: IN STD_LOGIC 。 系統(tǒng)原始時(shí)鐘脈沖(1 kHz)KEY_IN: IN STD_LOGIC_VECTOR (2 DOWNTO 0)。 按鍵輸入CLK_SCAN: OUT STD_LOGIC_VECTOR (3 DOWNTO 0) 。 ( 仿真時(shí)用)鍵盤(pán)掃描序列DATA_N: OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0) 。 數(shù)字輸出DATA_F: OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0) 。 功能輸出FLAG_N: OUT STD_LOGIC 。 數(shù)字輸出標(biāo)志FLAG_F: OUT STD_LOGIC 。 功能輸出標(biāo)志CLK_CTR: OUT STD_LOGIC。 控制電路工作時(shí)鐘信號(hào)CLK_DEBOUNCE: OUT STD_LOGIC (仿真時(shí)用)去抖電路工作時(shí)鐘信號(hào) 按鍵消抖電路由于設(shè)計(jì)采用的矩陣式鍵盤(pán)是機(jī)械開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)，因此在開(kāi)關(guān)切換的瞬間會(huì)在接觸點(diǎn)出現(xiàn)信號(hào)來(lái)回彈跳的現(xiàn)象，對(duì)于電子密碼鎖這種靈敏度較高的電路這種彈跳將很可能會(huì)造成誤動(dòng)作輸入，從而影響到密碼鎖操作的正確性。，雖然每次只是按下按鍵一次然后放掉，然而實(shí)際產(chǎn)生的按鍵信號(hào)卻不知跳動(dòng)一次，經(jīng)過(guò)取樣信號(hào)的檢查后，將會(huì)造成誤判斷，以為鍵盤(pán)按了兩次。如果調(diào)整抽樣頻率()，可以發(fā)現(xiàn)彈跳現(xiàn)象獲得了改善。 彈跳現(xiàn)象產(chǎn)生錯(cuò)誤的抽樣結(jié)果 如果調(diào)整抽樣頻率，彈跳現(xiàn)象就可以獲得改善。 調(diào)整抽樣頻率后得到的抽樣結(jié)果因此必須加上彈跳消除電路，避免誤操作信號(hào)的發(fā)生。特別要注意的是，彈跳消除電路所使用的脈沖信號(hào)的頻率必須比其他電路使用的脈沖信號(hào)的頻率更高；通常將掃描電路的工作頻率定在100KHz左右，而將彈跳消除電路的工作頻率定在200KHZ左右，其工作頻率通常是前者的2倍或者更高。，先將鍵盤(pán)的輸入信號(hào)D_IN做為電路的輸入信號(hào)，CLK是電路的時(shí)鐘脈沖信號(hào)，也就是取樣信號(hào)，D_IN經(jīng)過(guò)兩級(jí)D觸發(fā)器延時(shí)后再使用RS觸發(fā)器處理。 彈跳消除電路的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)原理圖 此處RS觸發(fā)器的前端連接和非門(mén)的處理原則是： (1)因?yàn)橐话闳说陌存I速度至多是10次/秒，亦即一次按鍵時(shí)間是100ms，所以按下的時(shí)間可估算為50ms。以取樣信號(hào)CLK的周期為8ms計(jì)，則可以取樣到6次。 (2)對(duì)于不穩(wěn)定的噪聲，在4ms以下則至多抽樣一次。 (3)在觸發(fā)器之前，接上ANDNOT之后。 RS觸發(fā)器真值表SRDOUT00不變101010消除抖動(dòng)模塊程序如下：LIBRARY IEEE。 USE 。 LIBRARY ALTERA。 USE 。ENTITY DEBOUNCING ISPORT(D_IN, CLK: IN STD_LOGIC。 DD1, DD0, 1, 0 : OUT STD_LOGIC。 D_OUT, D_OUT1: OUT STD_LOGIC )。 END ENTITY DEBOUNCING 。 ARCHITECTURE ART OF DEBOUNCING ISCOMPONENT DCFQ ISPORT(CLK, CLRN, PRN, D: IN STD_LOGIC。 Q: OUT STD_LOGIC)。 END COMPONENT DCFQ。 SIGNAL VCC, INV_D : STD_LOGIC 。 SIGNAL Q0, Q1 : STD_LOGIC 。 SIGNAL D1, D0 : STD_LOGIC 。 BEGINVCC = 39。139。 。 INV_D = NOT D_IN 。U1: DCFQ PORT MAP (CLK = CLK, CLRN = INV_D, PRN = VCC, D =VCC , Q = Q0)。 U2: DCFQ PORT MAP (CLK = CLK, CLRN = Q0, PRN = VCC, D =VCC , Q = Q1)。 PROCESS (CLK)BEGINIF CLK39。EVENT AND CLK=39。139。 THEND0 = NOT Q1。 D1 = D0。 END IF 。END PROCESS 。 DD0 = D0。 DD1 = D1。 1 = Q1。 0 = Q0。 D_OUT = NOT (D1 AND NOT D0)。 D_OUT1 = NOT Q1 。 END ARCHITECTURE ART。 LIBRARY IEEE。 USE 。 ENTITY DCFQ ISPORT(CLK, CLRN, PRN, D: IN STD_LOGIC。 Q: OUT STD_LOGIC)。END ENTITY DCFQ 。 ARCHITECTURE ART OF DCFQ ISBEGINPROCESS (CLK, CLRN, PRN)BEGINIF CLRN=39。039。 AND PRN=39。139。 THENQ=39。039。 ELSIF CLRN=39。139。 AND PRN=39。039。