【文章內(nèi)容簡介】 PGA 采用分布式互聯(lián)結(jié)構(gòu)，具有豐富的布線資源，布線比較靈活；在在編程靈活性方面， FPGA 比 CPLD 具有更大的靈活性；在功耗方面一般情況下 CPLD 的功耗要比 FPGA 大，且集成度越高越明顯；在使用方便程度上， CPLD 比 FPGA 使用起來更方便；在保密性方面， CPLD 保密性好，F(xiàn)PGA 保密性較差；在成本與價格方面， CPLD 成本與價格低，更適合低成本設(shè)計， FPGA成本高，價格高，適合于高速、高密度的高端數(shù)字邏輯設(shè)計領(lǐng)域。 （四） Quartus Ⅱ軟件 Quartus Ⅱ是 Altera 的 CPLD/FPGA 集成開發(fā)軟件，具有完善的可視化設(shè)計環(huán)境，并具有標準的 EDA 工具接口，能運行于各種操作平臺?；?Quartus Ⅱ進行 EDA 設(shè)計開發(fā)主要由設(shè)計輸入、編譯、仿真、編程與驗證幾步組成。在設(shè)計過程中，如果出現(xiàn)錯誤，則需要重新回到設(shè)計輸入階段，改正錯誤或調(diào)整電路后重復上述過程。 [3] Quartus Ⅱ軟件提供完整的多平臺設(shè)計環(huán)境，可以容易地滿足特定的設(shè)計需要，而且它允許用戶在設(shè)計流程的每個階段使用 Quartus Ⅱ軟件圖形用戶界面、 EDA 工具界面或命令行形式。 Quartus Ⅱ具有以下特點： 1. 支持多時鐘定時分析、基于塊的設(shè)計、 SOPC（單芯片可編程系統(tǒng) )，內(nèi)嵌 SignalTap Ⅱ邏輯分析器、功能估計器等高級工具； 2. 易于管腳分配和時序約束； 3. 強大的 HDL 綜合能力； 8 4. 包含 MAX+plus Ⅱ的用戶界面，且易于由 MAX+plus Ⅱ開發(fā)的工程平穩(wěn)的過渡到 Quartus Ⅱ開發(fā)環(huán)境； 5. 支持的器件種類眾多； 6. 支持 Windows、 Solaris、 Hpux 和 Linux 等多種操作系統(tǒng)； 在本例中，建立文件夾 D:\Designs 作為工作庫，以便將設(shè)計過程中的相關(guān)文件存儲于此 ，具體設(shè)計過程為 編輯文件 、 創(chuàng)建工程 、 編譯 、 仿真 幾個步驟。 在編譯前，設(shè)計者 要注意 各種不同的設(shè)置方法 以便 指導編譯器使用各種不同的綜合和適配技術(shù)（如時序驅(qū)動技術(shù)等）， 這樣可以 提高設(shè)計項目的工作速度，優(yōu)化器件的資源利用率 ， 而且在編譯過程中及編譯完成后，可以從編譯報告窗獲得所有相關(guān)的詳細編譯結(jié)果，以利于設(shè)計者及時調(diào)整設(shè)計方案。 仿真時要確保設(shè)計項目的功能和時序特性符合設(shè)計要求，保證最后硬件的功能與原設(shè)計相吻合。 9 二、 電子密碼鎖的簡介 （一）電子密碼鎖的現(xiàn)狀 隨著科學技術(shù)的發(fā)展和社會信息化程度的提高，信息對人們來說越來越重要。個人信息和商業(yè)機密等等都需要更好的保護起來，電子密碼鎖的研究就有著非?，F(xiàn)實的意義。電子密碼鎖與普通機械鎖相比，具有許多獨特的優(yōu)點：保密性好，防盜性強，可以不用鑰匙，記住密碼就 可以開鎖。目前實用的電子密碼鎖大部分是基于單片機技術(shù)，以單片機為主要器件，其編碼器與解碼器的生成為軟件方式。在實際應用中，由于程序容易跑飛，系統(tǒng)的可靠性較差并且采用單片機設(shè)計的密碼鎖硬件復雜，設(shè)計周期長，容易出錯。因此本文介紹一種基于現(xiàn)場可編程門陣列 FPGA 器件的電子密碼鎖的設(shè)計方法。用 FPGA 器件構(gòu)造系統(tǒng)，所有算法完全由硬件電路來實現(xiàn)，使得系統(tǒng)的工作可靠性大為提高。 電子密碼鎖系統(tǒng)主要由電子鎖體、電子密匙等部分組成，一把電子密匙里能存放多組開鎖密碼，用戶在使用過程中能夠隨時修改開鎖密碼，更新或配制鑰匙里開鎖 密碼。一把電子鎖可配制多把鑰匙。電子密碼鎖的體積小、保密性能好、使用方便，是用在保險箱、電話或是房門上不可少的部分。 （二）電子密碼鎖的優(yōu)勢 本文介紹的基于 EDA 技術(shù)的電子密碼鎖的設(shè)計，采用 FPGA 器件構(gòu)造系統(tǒng)，算法完全由硬件電路來實現(xiàn)，使系統(tǒng)工作可靠性很高。由于 FPGA 具有 ISP 功能，當設(shè)計需要更改時，只需更改 FPGA 中的控制和接口電路，利用 EDA 工具將更新后的設(shè)計下載到 FPGA 中即可，無需更改外部電路的數(shù)字系統(tǒng)，大大提高了設(shè)計的效率。因此，采用 FPGA 開發(fā)的數(shù)字系統(tǒng)，不僅具有更高的工作效率，其升級和改進 也及其方便?；?FPGA 的電子密碼鎖已經(jīng)廣泛地應用在辦公室、倉庫、賓館等人員經(jīng)常變動的場所。同時硬件描述語言 VHDL 完成的設(shè)計文件，自動地完成邏輯編譯、化簡、分割、綜合及優(yōu)化、布局線、仿真，直至對于特定目標芯片的適配編譯、邏輯映射和編程下載等工作。設(shè)計者的工作僅限于利用軟件的方式來完成對系統(tǒng)硬件功能的描述，在 EDA 工具的幫助下和應用相應的 FPGA/CPLD 器件，就可以得到最后的設(shè)計結(jié)果。 10 三、電子密碼鎖的具體設(shè)計 （一）電子密碼鎖的總體結(jié)構(gòu) 電子密碼鎖整體結(jié)構(gòu)包括密碼鎖輸入模塊、控制模塊、顯示模塊。電子密碼鎖的總體電路結(jié)構(gòu)圖為： 圖 31 所示為電子密碼鎖的電路結(jié)構(gòu) 設(shè)計一個具有較高安全性和較低成本的通用電子密碼鎖，它的具體功能要求如下： 1．數(shù)碼輸入：按下一個數(shù)字鍵，其相應的數(shù)字就會顯示在最右邊的數(shù)碼管上，同時將先前輸入的所有數(shù)字向左移 動一位。設(shè)計密碼為 4 位，系統(tǒng)只顯示前 4 位輸入的數(shù)碼。 2. 數(shù)碼清除：當按下清除鍵時，清除前面輸入的所有值，并顯示為“ 0000”。 3. 密碼解除：當按下此鍵時，可以將電子密碼鎖的舊密碼解除。 4．密碼更改：將舊密碼解除后，可以進行密碼更改。輸入任意四位數(shù)字，再按 號就可以將輸入的數(shù)碼當作新的密碼。 5. 密碼上鎖：輸入新的密碼之后按下此鍵可以將密碼鎖上鎖。 6. 密碼解鎖：按下此鍵后再輸入密碼，如果輸入與系統(tǒng)存儲密碼一致，密碼鎖就能開鎖，否則不能解鎖。 11 （二） 電子密碼鎖的各模塊設(shè)計 密碼鎖的輸入模塊由時序產(chǎn)生電路、鍵盤掃描電路、彈跳消除電路、鍵盤譯碼電路和按鍵存儲電路組成。輸入模塊的電路框圖如下： 圖 32 輸入模塊各部分電路功能如下： （ 1） 時序產(chǎn)生 電路 本時序產(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)時鐘信號、彈跳消除取樣信號和鍵盤掃描信號。其中系統(tǒng)時鐘脈沖是系統(tǒng)內(nèi)部所有時鐘脈沖的源頭且頻率最高。 （ 2） 鍵盤掃描電路 鍵盤電路可以提供掃描信號。該信號由 ky3～ ky0 進入鍵盤，其變化順序為 1110110110110111…… 依次周而復始。掃描信號 0111 代表掃描的為 *、 0、 這一排按鍵，當 *按鍵被按下時讀出的值為 。 表 33 （ 3） 彈跳消除電路 該電路可避免誤操作發(fā)生。由于設(shè)計中采 用的矩陣式鍵盤是機械開關(guān)結(jié)構(gòu)，因此，在開關(guān)切換的瞬間，會在接觸點出現(xiàn)信號來回彈跳的現(xiàn)象。為使電子密碼鎖可靠工作，必須加上彈跳消除電路。彈跳消除電路實現(xiàn)的原理如圖 34 所示： 12 圖 34 彈跳消除電路的內(nèi)部實現(xiàn)原理圖 其中 D 觸發(fā)器的 VHDL 語言描述為： LIBRARY IEEE。 USE 。 ENTITY DCFQ IS PORT(CLK, CLRN, PRN, D: IN STD_LOGIC。 定義實體 DCFQ Q: OUT STD_LOGIC)。 END ENTITY DCFQ 。 ARCHITECTURE ART OF DCFQ IS。 定義結(jié)構(gòu)體 BEGIN PROCESS (CLK, CLRN, PRN) BEGIN IF CLRN=39。039。 AND PRN=39。139。 THEN Q=39。039。 ELSIF CLRN=39。139。 AND PRN=39。039。 THEN Q=39。139。 ELSIF CLK39。EVENT AND CLK=39。139。 THEN Q =D。 END IF 。 END PROCESS 。 END ARCHITECTURE ART。 P R NCLRND QP R NCLRND QD F FV C C13D _ I NCLKD0D F F1011D18NOTNOT97AND26AND2D _ O U TSR13 彈跳消除電路是先將鍵盤的輸入信號 D_IN 做為電路的輸入信號， CLK 是電路的時鐘脈沖信號，也就是取樣信號， D_IN 經(jīng)過兩級 D 觸發(fā)器延時后再使用 RS 觸發(fā)器處理。RS 觸發(fā)器組態(tài)如下表： 表 35 （ 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，每一個按鍵可能負責不同的功能，例如清除數(shù)碼、退位、激活電鎖、開鎖等，詳細功能參見表 36。 （ 5） 按鍵存儲電路 鍵盤存儲電路可將每次掃描產(chǎn)生的新按鍵數(shù)據(jù)存 儲下來，因此新數(shù)據(jù)可能會覆蓋前面的數(shù)據(jù)，所以需要一個按鍵存儲電路，以將整個鍵盤掃面完畢的結(jié)果記錄下來。按鍵存儲電路可以由移位寄存器構(gòu)成。 表 36 密碼控制電路是整個電路的控制中心，主要完成對數(shù)字鍵輸入和功能鍵輸入的響應和控制。數(shù)字鍵輸入的響應控制過程如下： （ 1） 按下數(shù)字鍵，第一個數(shù)字會在顯示器最右端顯示，隨后每按下一個新數(shù)字，顯示器上已經(jīng)存在的數(shù)字整體會向左移一位，并將新的數(shù)字顯示出來。 14 （ 2） 若要更改輸入數(shù)字，則可按 *鍵清除所有輸入的數(shù)字，在重新輸入數(shù)字。 （ 3） 此密碼鎖密 碼為 4 位，如果輸入超過 4 位電路將不予理會且不顯示。 功能按鍵的輸入響應控制功能如下： （ 1） 清除功能：按下 *鍵可清除所有輸入數(shù)字并顯示為“ ”。 （ 2） 更改密碼：按下此鍵，輸入舊密碼再按 鍵即可解除舊密碼。接著輸入 4位