【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 5 圖 FLEX系列芯片引腳圖 MAX+plusⅡ概述 本設(shè)計(jì)用的是 MAX+plusⅡ軟件。 MAX+plusⅡ是 Altera 提供的 FPGA/CPLD開(kāi)發(fā)集成環(huán)境， Altera 公司是世界最大的可編程邏輯器件供應(yīng)商之一。 MAX+plusⅡ界面友好，使用便捷，被譽(yù)為業(yè)界最 易學(xué)的 EDA 軟件。 MAX+plusⅡ提供了一種與結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)的設(shè)計(jì)環(huán)境，使設(shè)計(jì)者能方便地進(jìn)行設(shè)計(jì)輸入、快速處理和器件編程。利用 MAX+plusⅡ進(jìn)行設(shè)計(jì)的一般流程如圖 所示： 步 驟 2 ： 輸 入 設(shè) 計(jì) 項(xiàng)目 原 理 圖 / V H D L 代 碼步 驟 1 ： 建 立工 作 庫(kù) 文 件 夾步 驟 3 ： 存 盤 ， 注 意原 理 圖 / 文 本 取 名步 驟 4 ： 將 設(shè) 計(jì) 項(xiàng)目 設(shè) 置 成 P r o j e c t步 驟 5 ： 選 擇目 標(biāo) 器 件步 驟 6 ： 啟動(dòng) 編 譯步 驟 7 ： 建 立 仿真 波 形 文 件步 驟 8 ： 仿 真 測(cè)試 和 波 形 分 析步 驟 9 ： 引 腳鎖 定 并 編 譯步 驟 1 0 ： 編程 下 載 / 配 置步 驟 1 1 ： 硬件 測(cè) 試 圖 MAX+plusⅡ一般設(shè)計(jì)流程 7 3 密碼鎖的電路框圖及工作原理 密碼鎖輸入電路的設(shè)計(jì) 電子密碼鎖的輸入電路由時(shí)序產(chǎn)生電路、鍵盤掃描電路、彈跳消除電路、鍵盤譯碼電路、按鍵數(shù)據(jù)緩存器，以及外接一個(gè) 4*4 矩陣式鍵盤組成。如圖 所示 : 圖 密碼鎖的輸入電路框圖 行列式鍵盤的工作原理 行列式鍵盤又叫矩陣式鍵盤，是一種常見(jiàn)的輸入裝置，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。用帶有 I\O 口的線組成行列結(jié)構(gòu)，按鍵設(shè)置在行列的交點(diǎn)上。當(dāng)按鍵數(shù)量平方增長(zhǎng)時(shí)， I\O 口線只是線性增長(zhǎng)，就可以節(jié)省 I\O 口線。行列式鍵盤的電路原 理如圖 所示 1 32 45 6 7 89 A0 BC D E F+ 5 V5 . 1 KF P G AK x 3K x 2K x 1K x 0K y 0K y 1K y 2K y 3 圖 行列式鍵盤的電路原理圖 1 32 45 6 7 89 A0 BC D E F鍵盤譯碼電路按鍵標(biāo)志產(chǎn)生電路掃描電路 時(shí)鐘產(chǎn)生電路Kx [ 3 ... 0 ]Ky [ 3 ... 0 ]k ey v alu efun ctio n k eyk ey p ressed 8 按鍵設(shè)置在行列線交叉點(diǎn)，行、列線分別連接到按鍵開(kāi)關(guān)的兩端。列線通過(guò)上拉 電阻接 +5V 的電壓，即列線的輸出被鉗位到高電平狀態(tài)。 判斷鍵盤中有無(wú)按鍵下是通過(guò)行線送入掃描信號(hào)，然后從列線讀取狀態(tài)得到的。其方法是依次給行線送低電平，檢查列線的輸入。如果列線信號(hào)全是高電平，則代表低電按下平信號(hào)所在的行中無(wú)按鍵；如果列線有輸入為低電平，則低電平信號(hào)所在的行和出現(xiàn)低電平信號(hào)的列的交點(diǎn)處有按鍵按下。 設(shè)行掃描信號(hào)為 ky3ky0,列線按鍵輸入信號(hào) kx3kx0 與按鍵位置的關(guān)系如表 1 所示： 表 1 行掃描信號(hào)、列線按鍵輸入信號(hào)與按鍵位置的關(guān)系 Ky[3..0] Kx[3..0] 對(duì)應(yīng)的按鍵 1110 1110 1 1101 2 1011 3 0111 4 1101 1110 5 1101 6 1011 7 0111 8 1011 1110 9 1101 0 1011 A 0111 B 0111 1110 C 1101 D 1011 E 0111 F 時(shí)序產(chǎn)生電路 時(shí)序產(chǎn)生電路用于產(chǎn)生電路中三種不同頻率的工作脈沖波形，包括系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)、彈跳消除取樣信號(hào)和鍵盤掃描信號(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 9 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)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)。其程序見(jiàn)附錄。 鍵盤掃描電路 鍵盤掃描電路是用于提供鍵盤掃描信號(hào) ky3ky0 的，其變化的順序依次為1110→ 1101→ 1011→ 0111→??周而復(fù)始地掃描。其停留在每個(gè)狀態(tài)的時(shí)間大約為 10ms。更短的停留時(shí)間是沒(méi)有必要的，因?yàn)槿税存I的時(shí)間大約為 10ms，不可能有更快的按鍵動(dòng)作發(fā)生；另外，更短的時(shí) 間還容易采集到抖動(dòng)信號(hào)，會(huì)干擾判斷。而太長(zhǎng)的停留時(shí)間則容易丟失某些較快的按鍵動(dòng)作。鍵盤掃描電路的外部接口如圖所示。其中 c_diskey 為輸出到鍵盤的掃描信號(hào)，寬度為 4 位。其功能圖如圖 ： 圖 時(shí)序 產(chǎn)生電路和鍵盤掃描電路功能圖 實(shí)體描述： Entity： 系統(tǒng)輸入信號(hào) Clk_1k: 提供系統(tǒng)的總輸入時(shí)鐘信號(hào)，為 1KHZ； 系統(tǒng)輸出信號(hào)： C_debounce ：去抖時(shí)鐘信號(hào)； Clk_ctr ：提供控制電路模塊的工作時(shí)鐘； Clk_scan ：為鍵盤掃描時(shí)序； C_diskey： 輸出到鍵盤的掃描信號(hào) ； 彈跳消除電路 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。 從圖 中可以觀察出彈跳現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，雖然 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)卻不止跳動(dòng)一次，經(jīng)過(guò)取樣信號(hào)的檢查后，將會(huì)造 成誤判斷，以為鍵盤按了兩次。 10 圖 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 (如圖 所示 )，可以發(fā)現(xiàn)彈跳現(xiàn)象獲得了改善。 圖 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抖電路，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肪沖信號(hào)的頻率必須比其他電路使用的脈沖信號(hào)的頻率更高。 彈跳消除電路的實(shí)現(xiàn)原理如圖 所示，先將鍵盤 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。 圖 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 次 /秒，亦即一次 按鍵時(shí)間是 100 11 ms，所以按下的時(shí)間可估算為 50 ms。以 取樣信號(hào) CLK 的周期為 8 ms 計(jì)，則可以取樣到 6次。 (2) 對(duì)于不穩(wěn)定的噪聲，在 4 ms 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 2所示。 表 2 RS觸發(fā)器真值表 鍵盤譯碼電路和按鍵標(biāo)志產(chǎn)生電路 鍵盤譯碼電路是從 kx3kx0 和 ky3ky0 信號(hào)中譯碼出按鍵鍵值的電路，它的真值表如表 所示。按鍵標(biāo)志產(chǎn)生電路是產(chǎn)生按鍵標(biāo)志信號(hào)的電路。由于這兩個(gè)電路關(guān)系緊密，因此放入同一個(gè)模塊中實(shí)現(xiàn)。其外部接口如圖 所示。其中clk_1k 為全局時(shí)鐘信號(hào)，它是由 FPGA 芯片的外部晶振給出的。 Clk_1k 在系統(tǒng)中的頻率是最高的，其它時(shí)鐘都由它分頻產(chǎn)生。 Ky[3..0]為鍵盤掃 描信號(hào)， kx[3..0]為鍵盤輸入信號(hào)， data_n、 data_f 為鍵值（代表按鍵所在位置）， ff表示有一個(gè)功能按鍵被按下，每發(fā)生一次按鍵動(dòng)作， ff 就輸出一個(gè)寬度為全局時(shí)鐘的正脈沖。 fn 表示有一個(gè)數(shù)字按鍵被按下，每發(fā)生一次按鍵動(dòng)作， fn 就輸出一個(gè)寬度為全局時(shí)鐘的正脈沖。該信號(hào)用于與其他模塊握手，負(fù)責(zé)通知其他模塊鍵盤上有按鍵發(fā)生。其他模塊當(dāng)知曉 fn 或 ff 有效時(shí)，可以讀取鍵值。其功能圖如圖 所示 圖 鍵盤譯碼電路和按鍵標(biāo)志產(chǎn)生電路功能圖 實(shí)體描述 : Entity 系統(tǒng)輸入信號(hào)： Ky[30]：鍵盤輸入信號(hào)； Kx[30]： 鍵盤掃描信號(hào)，與鍵盤掃描電路中 c_diskey[30]的相連； S R D OUT 0 0 不變 1 0 1 0 1 0 12 Clk：譯碼電路時(shí)鐘信號(hào)； 系統(tǒng)輸出信號(hào)： Data_n：系統(tǒng)輸出數(shù)字鍵值（也代表該按鍵所在位置）； Data_f：系統(tǒng)輸出功能鍵鍵值（也能代表該按鍵所在位置）； fn：表示有一個(gè)數(shù)字鍵按鍵被按下，每發(fā)生一次按鍵動(dòng)作， fn 就輸出一個(gè)正脈沖； ff：表明按鍵是否為功能（功能鍵為 set 、 clear 、 lock 和 back 鍵）。當(dāng)按鍵是功能鍵時(shí)， ff為高電平，否則為低電平。 密碼鎖控制 電路 密碼鎖控制電路原理 密碼鎖的控制電路是整個(gè)電路的控制中心，主要由數(shù)字比較器、寄存器等組成。主要完成對(duì)鍵盤上每個(gè)按鍵的響應(yīng)控制（包括 10 個(gè)數(shù)字按鍵和 4 個(gè)功能按鍵），當(dāng)有鍵按下時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)譯碼所得數(shù)字，判斷出按下的是功能鍵還是數(shù)字鍵，如是功能鍵，則執(zhí)行相應(yīng)鍵的功能。 ● 對(duì)數(shù)字輸入的響應(yīng)控制 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，此后每新按下一個(gè)數(shù)字，顯示器上的數(shù)字必須左移一格，以顯示新輸入的數(shù)字。當(dāng)需要更改輸入的數(shù)字時(shí)，可以按倒退鍵（ back）來(lái)清除前一個(gè)輸入的數(shù)字，或者按 清除鍵清除所有的輸入數(shù)字。 由于這里設(shè)計(jì)的是一個(gè)四位的電子密碼鎖，所以當(dāng)輸入的數(shù)字超過(guò)四個(gè)時(shí)，電路將無(wú)任何反應(yīng)，而且不再顯示第四個(gè)以后輸入的數(shù)字。 ● 對(duì)功能鍵輸入的響應(yīng)控制 （ 1） 清除鍵（ clea）：此鍵有效時(shí)，清除所有的輸入數(shù)字，即做清零操作。 （ 2） 刪除鍵（ back）：此鍵有效時(shí)，數(shù)字右移，并且每按一次，右移一位。 （ 3） 激活電鎖鍵（ set） ：此鍵有效時(shí)，將密碼鎖的門上鎖。 （ 4） 解除電鎖鍵（ lock）：此鍵有效時(shí)，檢查輸入的密碼是否正確，若正確則開(kāi)門。 密碼鎖控制電路功能圖 系統(tǒng) 輸出信號(hào) Enlock:開(kāi)鎖輸出信號(hào) ,當(dāng)比較器確認(rèn)輸入的密碼正確時(shí) ,電路輸出一個(gè)高電平 ,使得門鎖打開(kāi)； Data_bcd[150]:四位密碼輸出信號(hào) ,即用戶輸入的密碼，它輸入顯示電路，并通過(guò)數(shù)碼管顯示出來(lái)。 如圖 所示 : 13 圖 密碼鎖控制電路功能圖 實(shí)體描述 Entity 系統(tǒng)輸入信號(hào) Data_n:數(shù)字輸入信號(hào)； Data_f:功能輸入信號(hào)； Flag_n:數(shù)字輸入信號(hào)標(biāo)志； Flag_f:功能鍵輸入信號(hào)標(biāo)志； Clk:控制電路時(shí)鐘信號(hào)； 密碼鎖顯示電路 顯示電路原理 LED（ Light Emiting Diode）顯示器由七個(gè)發(fā)光二極管組成，稱七段 LED 顯示器，排列形狀如圖 （ a）所示。此外，顯示器中還有一個(gè)圓點(diǎn)發(fā)光二極管（ dp），用于顯示小數(shù)點(diǎn)。通過(guò)七段發(fā)光二極管亮暗的不同組合，可以顯示多種數(shù)字（ 0～9），字母（ a～ f、 A～ F）及其它符號(hào)。 LED 顯示器中的發(fā)光二極管共有兩種連接方法： （ 1）共陰極接法： 各發(fā)光二極管的陰極連接在一起，接到數(shù)碼管的位控端（公共端），再接地；各發(fā)光二極管的陽(yáng)極分別連接到數(shù)碼管的段控端（ a～ g、 dp），如圖 （ b）。 （ 2）共陽(yáng)極 接法： 各發(fā)光二極管的陽(yáng)極連接在一起，接到數(shù)碼管的位控端（公共端），再接 +5V；各發(fā)光二極管的陰極分別連接到數(shù)碼管的段控端（ a～ g、 dp）， 27（ c） 為了顯示數(shù)字或符號(hào)，要為 LED 顯示器提供代碼，由于這些代碼是為顯示字形的，因此稱之為字形代碼，具體字形代碼這里不作介紹，請(qǐng)參考有關(guān)資料。 14 agdfe cb1 0 9 8 7 6gfG N Da bedG N Dcd p1 2 3 4 5VDVD+ 5 V( a )( b )( c )d pbacdefgd pabcdefgd pG N D 圖 LED數(shù)碼管示意圖 LED 顯示方式有靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示兩種方式，使用靜態(tài)顯示方式時(shí)， LED顯示器各位數(shù)碼管的位控線（公共端）連接在一起并接地（共陰極 ）或 +5V（共陽(yáng)極）；各位數(shù)碼管的段選線（ a～ dp）分別與一８位的鎖存器輸出相連， LED靜態(tài)顯示方式中，顯示器的各位相互獨(dú)立，故其占用 I/O 口線較多（如圖 ）；使用動(dòng)態(tài)顯示方式時(shí)，將 LED 顯示器各位數(shù)碼管的所有段控端（ a～ dp）相應(yīng)地并聯(lián)在一起，由一個(gè)８位 I/O 口控制，形成段選線多路復(fù)用，而各位數(shù)碼管的共陽(yáng)極或共陰極要分別由相應(yīng)的 I/O 口線控制（如圖 ），實(shí)現(xiàn)各位的分時(shí)