【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 可以開(kāi)始 ASCI 或 PLD 芯片的投產(chǎn) 。 芯片選擇 本設(shè)計(jì)選用杭州康芯電子有限公司生產(chǎn)的 GW48EDA 系統(tǒng)作為硬件驗(yàn)證系統(tǒng)，同時(shí)選用 A1tera 公司的 EPlK30TCl44— 3 作為主控芯片。該芯片是一種基于查找表結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件，它的基本邏輯單元是可編程的查找表。能夠?qū)崿F(xiàn)組合邏輯運(yùn)算，并可用可編程寄存器實(shí)現(xiàn)時(shí)序邏輯運(yùn)算。設(shè)計(jì)時(shí)只需要對(duì)電子密碼鎖整體設(shè)計(jì)中的輸入輸出引腳作引腳鎖定．然后重新編譯和下載。即可進(jìn)行電子密碼鎖的硬件驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)表明：本設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)電子密碼鎖的全部功能。 7 3 門禁 系統(tǒng) 總體 方案 系統(tǒng) 概述 作為通用 門禁系統(tǒng) ，主要有各個(gè)部分組成：數(shù)字密碼輸入電路、 門禁系統(tǒng) 控制電路和 門禁系統(tǒng) 顯示電路。 作為電子密碼瑣的輸入電路，可供選擇的方案有數(shù)字機(jī) 械式鍵盤和觸摸式鍵盤等多種。雖然機(jī)械式鍵盤存在一些諸如機(jī)械產(chǎn)生的彈跳消除問(wèn)題和機(jī)械部分的接觸等問(wèn)題，但是和出沒(méi)式的 3*4 鍵盤相比，機(jī)械式鍵盤具有低成本、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)用到通用數(shù)字 門禁系統(tǒng) 中還是比較適宜的。本設(shè)計(jì)中采用一個(gè) 3*4的通用數(shù)字機(jī)械鍵盤作為設(shè)計(jì)的輸入設(shè)備。 數(shù)字 門禁系統(tǒng) 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。液晶顯示具有高速度顯示、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)的顯示電路仍使用通用的 LED數(shù)碼管。 根據(jù)以上選定的輸入設(shè)備和顯示器件，并考慮到現(xiàn)實(shí)各項(xiàng)數(shù)字 門禁系統(tǒng) 功能的具體要求，整個(gè) 門禁系統(tǒng) 系統(tǒng)的總體 框圖 如圖 31所示。 (1) 門禁系統(tǒng) 輸入電路包括時(shí)序產(chǎn)生電路、鍵盤掃描電路、 去抖 電路、鍵盤譯碼電路等幾個(gè)小的功能電路。 (2) 門禁系統(tǒng) 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)門鎖電路）等幾個(gè)小的 功能電路。 (3) 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。 8 圖 31 門禁系統(tǒng) 總體框圖 時(shí)序產(chǎn)生電路 鍵盤 鍵盤輸入 彈跳消除電路 鍵盤譯碼電路 掃描信號(hào) 鍵盤掃描電路 密碼鎖輸入電路 密碼鎖控制電路 寄存器清除信號(hào)發(fā)生電路 開(kāi) /關(guān)門鎖電路 數(shù)值比較電路 按鍵數(shù)據(jù)緩 存器 顯示電路 顯示七段譯碼電路 七段譯碼管 9 4 門禁系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 門禁系統(tǒng) 輸入電路的設(shè)計(jì) 圖 41 是 門禁系統(tǒng) 的輸入電路框圖，由鍵盤掃描電路、 去抖 電路、鍵盤譯碼電路、按鍵數(shù)據(jù)緩存器，加上外接一個(gè) 3*4矩陣式鍵盤組成。 圖 41 門禁系統(tǒng) 的輸入電路框圖 矩陣式鍵盤的工作原理 矩陣式鍵盤是一種常見(jiàn)的出入裝置， 在日常的生活中，矩陣式鍵盤在計(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。圖 42 是一個(gè) 3*4 矩陣式鍵盤的面板配置圖，其中數(shù)字 09作為密碼數(shù)字輸入按鍵， *作為“上鎖”功能按鍵，作為“接觸密碼”功能按鍵。 鍵盤輸入 去 抖 電 路 鍵盤譯碼電 路 按鍵數(shù)據(jù) 緩存器 按鍵數(shù)據(jù) 鍵盤掃描電路 工作時(shí)鐘脈沖信 號(hào) 鍵盤掃描信號(hào) 1 2 3 4 5 67 8 9 * 0 10 圖 42 3*4矩陣式鍵盤的面板配置 鍵盤上的每一個(gè)按鍵其實(shí)就是一個(gè)開(kāi)關(guān)電路，當(dāng)某鍵被按下去時(shí)，該按鍵的接點(diǎn)會(huì)呈現(xiàn) 0 的狀態(tài)，反之，未被按下時(shí)則呈現(xiàn)邏輯 1 的狀態(tài)。掃描信號(hào)由 KY3KY0 進(jìn)入鍵 盤，變化的順序依次為 1110110110111110。每一次掃描一排，依次地周而復(fù)始。例如現(xiàn)在的掃描信號(hào)為 1011，代表目前正在掃描 9 這一排的按鍵，如果這排當(dāng)中沒(méi)有按鍵被按下的話，則由 KX2KX0 讀出的值為 111；反之當(dāng) 7這個(gè)按鍵被按下的話，則由 KX2KX0 讀出的值為 011。 根據(jù)上面所述原理，我們可得到各按鍵的位置與數(shù)碼關(guān)系如表 41 所示。 表 41 按鍵位置與數(shù)碼關(guān)系 KY3KY0 1110 1110 1110 1101 1101 1101 1011 1011 1011 0111 0111 0111 KX2KX0 011 101 110 011 101 110 011 101 110 011 101 110 按鍵號(hào) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 * 0 若從 KX2KX0 讀出的值皆為 1 時(shí)，代表該列沒(méi)有按鍵按下，則不進(jìn)行按鍵譯碼的動(dòng)作，反之，如果有按鍵按下時(shí)，則應(yīng)將 KX2KX0 讀出的值送至譯碼電路進(jìn)行編碼。 KX2 KY0(11) 0111 KY1(10) 1011 KY2(01) 1101 KY3(00) 1110 1110 鍵盤掃描信號(hào) KX1 KX0 經(jīng)提升電 阻至 VCC 1 2 3 4 7 5 6 8 9 0 * 11 門禁系統(tǒng) 輸入電路各主要功能模塊的設(shè)計(jì) (1) 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)、鍵盤掃描信號(hào)。 當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)中需要使用多種操作頻率的脈沖波形時(shí)，最為方便的方法之一就是利用一個(gè)自由計(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)脈沖序列，其值依 000110110001 周期性變化，其變化頻率為 CLK的 25分頻，也就是 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。 (2) 鍵盤掃描電路 掃描電路的作用是用來(lái)提供鍵盤掃描信號(hào)（表 中的 KY3KY0）的，掃描信號(hào)變化的順序依次為 11101101101101111110?? 依序的周而復(fù)始。掃描時(shí)依序分別掃描四列按鍵，當(dāng)掃描信號(hào)為 1110 時(shí)掃描 KY3 這一排按鍵；當(dāng)掃描信號(hào)為 1101時(shí)， 掃描 KY2這一排按鍵；當(dāng)掃描信號(hào)為 1011 時(shí)，掃描 KY1 這一排按鍵；當(dāng)掃描信號(hào)為 0111 時(shí)，掃描 KY0 這一排按鍵。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(méi)有按鍵被按下就忽略，反之，如果出現(xiàn)被按下的鍵則立刻進(jìn)行按鍵編碼的動(dòng)作，且將編碼的結(jié)果儲(chǔ)存于寄存器中。 (3) 去抖 電路 由于本設(shè)計(jì)中采用的矩陣式鍵盤是機(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 門禁系統(tǒng) 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 門禁系統(tǒng) 操作的正確性。 因此必須加上 去抖 電路 ，避免誤操作信號(hào)的發(fā)生。特別要注意的是， 去抖 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 24HZ 左右，而將 去抖 電路的工作頻率定在 128HZ 左右，其工作 12 頻率通常是前者的 4倍或者更高。 去抖電路 Debouncing 的框圖 43如下 。 圖 43 Debouncing 的框圖 彈跳消除電路的實(shí)現(xiàn)原理如圖 44 所示，先將鍵盤的輸入信號(hào) D_IN 作為電路的輸入信號(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。 圖 44 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的處理原則是： ① 因?yàn)橐话闳说陌存I速度至多是 10秒 /次，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， SR 的組態(tài)如表 32所示 。 OFF OFF S Q R Q D_OUT NOT NOT AND2 AND2 D0 D1 VCC PRN D Q CLRN PRN D Q CLRN D_IN CLK 13 表 42 RS觸發(fā)器真值表 S R D_OUT 0 0 不變 1 0 1 0 1 0 D0 為 1，且 D1 也為 1，結(jié)果 S=1， R=0， D_OUT 才會(huì)輸出 1。這代表被取樣的 D_IN信號(hào)能被連續(xù)取樣到兩次 1，此時(shí)認(rèn)定它已經(jīng)穩(wěn)定地按下按鈕 D0 為 0，且 D1 也為 0時(shí)，結(jié)果 S=0， R=1， D_OUT 才會(huì)輸出 0。這代表被取樣的D_IN 信號(hào)能被連續(xù)取樣到兩次 0，此時(shí)認(rèn)定它已經(jīng)穩(wěn)定地放掉按鈕 D0 為 1，且 D1 也 0 為 0，結(jié)果 S=0， R=0， D_OUT將維持先前的輸出信號(hào)不變。D0=0， D1=1 也是如此。 總之，必須取樣到兩次 1才會(huì)輸出 1，兩次 0才會(huì)輸出 0。最后，由于 D_OUT 的信號(hào)輸出時(shí)間寬度過(guò)長(zhǎng)，所以輸出必須再接一級(jí)微分電路后，才接到譯碼電路。 (4) 鍵盤譯碼電路 上述鍵盤中的按鍵可分為數(shù)字按鍵和文字按鍵，每一個(gè)按鍵可能負(fù)責(zé)不同的功能，例如清除數(shù)碼、退位、激活電鎖、開(kāi)鎖等，詳細(xì)功能見(jiàn)表 43。 表 43 鍵盤參數(shù)表 掃描位置 KY3KY0 鍵盤輸出 KX2KX0 相對(duì)應(yīng)的 鍵盤按鍵 鍵盤譯碼 電路輸出 按鍵功能 1110 011 1 F=0001 數(shù)碼輸入 101 2 F=0010 數(shù)碼輸入 110 3 F=0011 數(shù)碼輸入 1101 011 4 F=0100 數(shù)碼輸入 101 5 F=0101 數(shù)碼輸入 110 6 F=0110 數(shù)碼輸入 1011 011 7 F=0111 數(shù)碼輸入 101 8 F=1000 數(shù)碼輸入 110 9 F=1001 數(shù)碼輸入 14 0111 011 * T=0100 激活電鎖 101 0 F=0000 數(shù)碼輸入 110 T=0001 清除 /解除電鎖 注：當(dāng)沒(méi)有任何數(shù)字按鍵被按下時(shí)，鍵盤譯碼輸出“ 1111”；當(dāng)某功能按鍵尚未定義其功能時(shí)，鍵盤譯碼輸出“ 1000”。 數(shù)字按鍵主要是用來(lái)輸入數(shù)字的，但是鍵盤所產(chǎn)生的輸出，也就是掃描回復(fù)信號(hào)，是無(wú)法直接拿來(lái)用做 門禁系統(tǒng) 控制電路的輸入的；另外，不同的按鍵（數(shù)字按鍵和功能按鍵）具有不同的功能，所以必須由鍵盤譯碼電路來(lái)規(guī)劃每個(gè)按鍵的輸出形式，以便執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。 鍵盤譯碼電路主要負(fù)責(zé)的工作是：首先判別是否有鍵按下；若被按下的是數(shù)字按鍵，則解碼成相應(yīng)的 BCD 碼，若被按下的是功能按鍵，則解碼成四位數(shù)的碼字，由門禁系統(tǒng) 控制 電路做相應(yīng)的動(dòng)作。 (5) 按鍵存儲(chǔ)電路 因?yàn)槊看螔呙钑?huì)產(chǎn)生新的按鍵數(shù)據(jù)，可能會(huì)覆蓋前面的數(shù)據(jù)，所以需要一個(gè)按鍵存儲(chǔ)電路，將整個(gè)鍵盤掃描完畢后的結(jié)果紀(jì)錄下來(lái)。按鍵存儲(chǔ)電路可以使用移位寄存器構(gòu)成。本設(shè)計(jì)將采用串行輸入 /串行輸出（ Serial In/Serial Out）移位寄存器硬件作為按鍵存儲(chǔ)電路。所謂的串行輸入 /串行輸出移位寄存器，即數(shù)據(jù)一個(gè)接一個(gè)的依序進(jìn)來(lái)，輸出時(shí)采用先進(jìn)先出的順序，同樣是一個(gè)接著一個(gè)依序輸出。 根據(jù)以上設(shè)計(jì)思路， 門禁系統(tǒng) 輸入電路的 KEYBOARD 的框圖 45如下 ，其中調(diào)用的程序（元件 ） 為鍵盤輸入去抖電路的 VHDL 源程序。 圖 45 KEYBOARD的框圖 15 門禁系統(tǒng) 控制電路的設(shè)計(jì) 門禁系統(tǒng) 控制電路是整個(gè)電路的控制中心，主要完成對(duì)數(shù)字按鍵輸入和功能按鍵輸入的響應(yīng)控制。 數(shù)字按鍵輸入的響應(yīng)控制 (1) 如果按下數(shù)字鍵，第一個(gè)數(shù)字會(huì)從顯示器的最右端開(kāi)始顯示，此后每新按一個(gè)數(shù)字時(shí)，顯示器上的數(shù)字必須左移一格，以便將新的數(shù)字顯示出來(lái)。 (2) 假如需要更改