【正文】 如下：1）輸入信號RESET：計數(shù)器的復位信號。CNP ：計數(shù)器的輸入脈沖信號，上升沿有效。2）輸出信號S0、SS2：提供給密碼預置輸出模塊的地址選擇信號。17FULL： 提供給密碼預置輸出模塊，用于表示 6 位密碼是否輸入完畢。圖 212 計數(shù)器選擇模塊圖模塊描述在密碼器中，計數(shù)器選擇模塊的功能是用來給出密碼預置輸出模塊的地址選擇信號 S0、S1 和S2，它的控制信號 RESET 和時鐘信號 CNP 是由控制器模塊來提供的；另外還有一個輸出信號 FULL，它表示 6 個密碼已經(jīng)輸入完畢，控制器可以進入到啟動狀態(tài)。VHDL 設計計數(shù)器選擇模塊的 VHDL 程序為 。 數(shù)碼管顯示譯碼模塊輸入輸出信號定義圖 213 數(shù)碼管顯示譯碼模塊圖數(shù)碼管顯示譯碼模塊的模塊圖如圖 213 所示，模塊的輸入、輸出信號定義如下：1）輸入信號DATA ：4 位的 BCD 碼輸入信號，由數(shù)碼管掃描模塊提供。2）輸出信號A、B、C、D、E、F、G：分別對應 7 段 LED 的 7 個輸入端口。模塊描述在密碼器中，顯示設備由 8 個 7 段 LED 組成。前 6 個 LED 將顯示輸入的 6 個密碼，后 2 個 LED 在用來在誤碼狀態(tài)下顯示還可以輸入的密碼次數(shù)。由于采用動態(tài)掃描顯示，只須輸出一個 LED 所須的驅(qū)動信號即可。這里采用共陰極 LED，所以輸出 A～G 高電平有效。VHDL 設計數(shù)碼管顯示譯碼模塊的 VHDL 程序為 。 數(shù)碼管掃描模塊輸入輸出信號定義數(shù)碼管掃描模塊的模塊圖如圖 214 所示，模塊的輸入、輸出信號定義如下：1）輸入信號CLKSCAN：數(shù)碼管掃描頻率，來源于系統(tǒng)時鐘輸入 CLK。RESET：數(shù)碼管復位信號，由控制器模塊提供。IN1～IN6：數(shù)字密碼顯示輸入信號，由編碼模塊提供。18ININ8：剩余密碼輸入次數(shù)顯示輸入信號，由密碼錯誤次數(shù)計數(shù)模塊提供。2）輸出信號DATA：用于提供給數(shù)碼管顯示譯碼模塊的數(shù)據(jù)輸入。SEL： 3 位的 2 進制數(shù)碼管選擇信號，當其為 111 ～010 時，選擇前 6 位數(shù)碼管，用于顯示輸入的密碼數(shù)字；當其為 001～000 時，選擇后 2 位數(shù)碼管，用于顯示剩余密碼輸入次數(shù)。圖 214 數(shù)碼管掃描模塊圖模塊描述在密碼器中，輸入的數(shù)字密碼需顯示在 LED 上，由于輸入由 6 位，所以至少應采用 6 個 LED 進行顯示。若采用傳統(tǒng)靜態(tài)顯示的方法，不僅需要消耗更大的芯片資源和管腳資源，而且還會在電路中會產(chǎn)生一個比較大的電流,很容易造成電路燒壞。通過動態(tài)掃描電路可以解決這一問題,通過產(chǎn)生一個掃描信號 SEL(000) SEL(111) 來控制 8 個七段顯示器,依次點亮 8 個七段顯示器,也就是每次只點亮一個七段顯示器。只要掃描信號 SEL(000) SEL(111) 的頻率超過人的眼睛視覺暫留頻率 24Hz 以上,就可以達到盡管每次點亮單個七段顯示器,卻能具有 8 個同時顯示的視覺效果,而且顯示也不致閃爍抖動。這里數(shù)碼管掃描頻率采用密碼器時鐘輸入 CLK，為 300Hz。VHDL 設計數(shù)碼管掃描模塊的 VHDL 程序為 。 指示電路模塊輸入輸出信號定義圖 215 指示電路模塊圖指示電路模塊的模塊圖如圖 215 所示，模塊的輸入、輸出信號定義如下：1）輸入信號WAIT_L、S_LG、S_LR:由控制器模塊提供的紅綠燈驅(qū)動信號。DI: 由編碼模塊提供的按鍵音信號；BJY:由密碼錯誤次數(shù)計數(shù)模塊的警告音信號。CLK_DIV1:用于報警狀態(tài)下的揚聲器驅(qū)動信號。2)輸出信號LED_G:綠燈驅(qū)動信號，高電平有效。19LED_R:紅燈驅(qū)動信號，高電平有效。ALERT: 揚聲器驅(qū)動信號，高電平有效。模塊描述在密碼器中，指示電路模塊的功能是用來產(chǎn)生紅燈指示 LED_R、綠燈指示 LED_G 和蜂鳴裝置ALERT。根據(jù)圖 22 的模塊劃分圖可以看出，綠燈指示 LED_G 是由控制器模塊提供的置位信號 S_LG 和按下 WAIT_T 鍵時提供的 WAIT_L 信號通過 RS 觸發(fā)器來共同控制的；紅燈是由控制器模塊提供的置位信號 S_LR、信號 WAIT_L 和 BJY 來來共同控制的；蜂鳴裝置 ALERT 是由由控制器模塊提供的置位信號S_LR、信號 WAIT_L、單頻信號 CLK_DIVDI 和 BJY 來共同控制的。VHDL 設計指示電路模塊的主要元件是 RS 觸發(fā)器，控制器提供的置位和復位信號都應該是低電平有效。所以首先應該進行 RS 觸發(fā)器的 VHDL 設計，然后才能構(gòu)成指示電路模塊的 VHDL 設計。其中 RS 觸發(fā)器的VHDL 程序為 ,指示電路模塊的 VHDL 程序為 。 誤碼模塊輸入輸出信號定義圖 216 誤碼模塊圖誤碼模塊的模塊圖如圖 216 所示，模塊的輸入、輸出信號定義如下：1）輸入信號ANC：由控制器模塊來提供，表示密碼輸入錯誤。DS ：由控制器模塊來提供，作為延時和報警的脈沖信號。CLK：計數(shù)脈沖輸入，當其計為 4 時，延時結(jié)束，這是如果密碼次數(shù)還不到 3 次，則可以再次輸入密碼。RET：復位信號，有控制器提供。2）輸出信號ININ8：用于顯示還可以輸入的密碼次數(shù)。NOTC ：當密碼錯誤次數(shù)達到 3 次時有效，為 1，它將反饋給控制器模塊。DSW ：表示延時結(jié)束，這是密碼器可以由警告狀態(tài)進入到密碼輸入狀態(tài)。BJY ：警告狀態(tài)下的紅燈和蜂鳴器驅(qū)動信號。模塊描述該模塊用于對密碼輸入錯誤次數(shù)進行計數(shù)，當密碼輸入錯誤次數(shù)不達 3 次時，密碼器將進入到警告狀態(tài)，這時紅燈和蜂鳴器會有相應的指示，大約持續(xù) 4 秒后，可以繼續(xù)輸入密碼。當密碼器的密碼錯誤次數(shù)達到 3 次時，密碼器將進入到死鎖狀態(tài)。VHDL 設計根據(jù)前面對該模塊的描述，可以給出其 VHDL 程序，為 。 控制器模塊輸入輸出信號定義控制器模塊的模塊圖如圖 217 所示，模塊的輸入、輸出信號定義如下：20圖 217 控制器模塊圖1）輸入信號C1C2C3C44：由消抖模塊提供，分別對應鍵 WAIT_T、SETUP、READY、OPEN_T。DATA_IN：由編碼模塊提供，表示有密碼輸入。DEP ：由比較模塊提供，當它為 1 時，表示輸入的數(shù)字與預置密碼相等。DSW ：由密碼錯誤次數(shù)計數(shù)器提供，當它為 1 時，表示定時（4S）完，可以進入到下一個狀態(tài)。FULL ：由計數(shù)選擇模塊提供，當它為 1 時，表示已經(jīng)輸入了 6 位的正確密碼，可以進入到啟動狀態(tài)。NOTC ：由密碼錯誤次數(shù)計數(shù)模塊提供，當它為 1 時，表示密碼錯誤次數(shù)已經(jīng)達到 3 次。這時將進入到報警狀態(tài)。CLK ：輸入時鐘，有分頻模塊提供，與消抖模塊的輸入時鐘同步。2）輸出信號EN ：輸入到使能模塊的使能信號。DUS ：輸入到編碼模塊的讀數(shù)脈沖信號。ANC ：輸入到密碼錯誤次數(shù)計數(shù)模塊的密碼錯誤次數(shù)計數(shù)脈沖。CNP ：輸入到計數(shù)器選擇模塊的輸入密碼位數(shù)計數(shù)脈沖。RESET：輸入到編碼模塊、計數(shù)器選擇模塊和數(shù)碼管掃描模塊的復位信號。DS ：輸入到密碼錯誤次數(shù)計數(shù)模塊的定時信號。RET ：輸入到密碼錯誤次數(shù)計數(shù)模塊的密碼錯誤次數(shù)復位信號。WAIT_L、S_LG、S_LR：輸入到指示電路模塊的紅綠燈和蜂鳴器驅(qū)動信號。模塊描述控制器模塊為數(shù)字密碼器的核心部分，它在密碼器系統(tǒng)中占有重要的地位，要編好這一部分的程序，必須先對該模塊的工作原理有清晰的認識。控制器模塊的工作原理如下所示：1）建立等待狀態(tài)建立等待狀態(tài)是指密碼器處于上電、啟動或者報警后的狀態(tài)，這是密碼器并沒有進入到正常的等待狀態(tài)，因此密碼器不會接受除 WAIT_T 信號外的任何輸入信號。當操作人員按下 WAIT_T 鍵后，密碼器將會進入到等待狀態(tài)，這時用來指示密碼器工作情況的指示燈和蜂鳴器都處于不工作狀態(tài)，同時它還將密碼錯誤次數(shù)計數(shù)器復位為 0。2）準備就緒狀態(tài)準備就緒狀態(tài)是指密碼器在被按下 WAIT_T 鍵后處于的一種狀態(tài)。這時如果操作人員按下 READY 鍵，密碼器將會進入到第 3 種狀態(tài)，等待密碼數(shù)字的輸入。在這種情況下，RESET 將被置 1，DS 信號將被置 0。3）密碼輸入狀態(tài)密碼輸入狀態(tài)是控制器模塊的第 3 個狀態(tài)，這是密碼器將進入到密碼輸入的操作狀態(tài)。當處于這種狀態(tài)時，控制器模塊的 EN 輸出信號將變?yōu)橛行?，它意味著此時允許數(shù)字密碼 A0～A9 的按鍵輸入。21在這種情況下，密碼器每收到一個按鍵信號后，控制器模塊應該判斷出該按鍵輸入是數(shù)字密碼還是OPEN_T 信號。如果判斷出按鍵輸入 OPEN_T 信號，那么這是就不符合啟動程序，這是密碼器將轉(zhuǎn)移到報警狀態(tài)，同時還向密碼錯誤次數(shù)計數(shù)模塊發(fā)出 ANC 時鐘，作為密碼錯誤次數(shù)計數(shù)輸入脈沖。是如果判斷出是數(shù)字按鍵輸入，則提供 DUS 時鐘給編碼模塊作為密碼輸入位數(shù)計數(shù)脈沖信號，同時如果判斷出該按鍵輸入為正確密碼，則向計數(shù)器選擇模塊發(fā)出 CNP 時鐘信號，目的是選出對應的預置密碼與輸入的密碼進行比較。對于比較模塊來說，如果 DEP 的輸出為 0，那么控制器模塊應該轉(zhuǎn)移到密碼錯誤狀態(tài)；如果DEP 的輸出為 0，那么這時檢查計數(shù)器選擇模塊的輸出 FULL 是否有效。如果 FULL 有效，那么表示已經(jīng)接收了 6 個正確的數(shù)字密碼，控制器模塊將轉(zhuǎn)移到啟動狀態(tài)，否則將返回本狀態(tài)繼續(xù)接收密碼。4）啟動狀態(tài)啟動狀態(tài)是控制器模塊的第 4 個狀態(tài)，這時控制器將判斷按鍵輸入的具體信號：如果判斷出按鍵輸入是 OPEN_T 信號，那么將發(fā)出 S_LG 信號；如果判斷出是數(shù)字按鍵輸入，那么仍向編碼模塊發(fā)出DUS 時鐘。5）誤碼狀態(tài)當控制器處于這個狀態(tài)時，如果按下 READY 鍵，那么控制器將發(fā)出復位信號 RESET，并使控制器返回到密碼輸入狀態(tài)：如果按下 OPEN_T 鍵，那么控制器將向誤碼模塊發(fā)出 ANC 時鐘，同時轉(zhuǎn)移到報警狀態(tài)；如果判斷出是數(shù)字按鍵輸入，那么向編碼模塊發(fā)出 DUS 時鐘。6）報警狀態(tài)當控制器處于這個狀態(tài)時，這時控制器將判斷 NOTC 信號是否有效，如果該信號有效，則表示密碼輸入錯誤次數(shù)已經(jīng)達到 3 次，這時密碼器將進入到死鎖狀態(tài)，同時控制器將轉(zhuǎn)移到報警返回狀態(tài)；如果 NOTC 信號無效，則向密碼錯誤計數(shù)模塊發(fā)出定時信號，這時指示設備將發(fā)出警告信號，這時任何按鍵輸入都將不被響應；如果定時結(jié)束（4s）則，密碼器將再次進入到準備就緒狀態(tài)，這時允許再次輸入密碼。7）報警返回狀態(tài)報警返回狀態(tài)是控制器模塊的最后一個狀態(tài)，這是密碼器將判斷輸入的具體信號：如果按下SETUP 信號，那么控制器模塊將返回到密碼建立等待狀態(tài)；如果按下其他鍵，那么狀態(tài)將不會發(fā)生變化。根據(jù)上面對控制器模塊的工作原理的描述，可以畫出該模塊的狀態(tài)圖，如圖 218 所示。其中QA、QB、QC、QD、QE、QF、QG 分別對應控制器的建立等待狀態(tài)、準備就緒狀態(tài)、密碼輸入狀態(tài)、啟動狀態(tài)、誤碼狀態(tài)、報警狀態(tài)、報警返回狀態(tài)這 7 個狀態(tài)。QAQB QCQDQEQG QF圖 218 控制器模塊的狀態(tài)圖WAIT_TREADYWAIT_T OPEN_TREADY READYFULLOPEN_TDEPOPEN_TNOTCDSWSETUPREADYSETUPVHDL 設計通過前面對控制器模塊的詳細介紹，可以給出控制器模塊的 VHDL 描述，其 VHDL 程序為22。3 數(shù)字密碼器的 VHDL 程序的編譯、綜合、仿真、驗證本課題中設計的所有模塊均采用 VHDL 硬件描述語言進行描述，在 Altera 公司的 MAX+PLUSⅡ開發(fā)環(huán)境下進行程序的編譯、邏輯綜合和優(yōu)化、功能仿真、布局布線以及時序仿真，由 Altera 公司的FPGA 產(chǎn)品 FLEX10K 系列產(chǎn)品 EPF10K10LC844 實現(xiàn)驗證。 編譯、綜合Altera 公司的 MAX+PLUSⅡ開發(fā)環(huán)境，由于其目的是形成可下載到可編程邏輯器件(FPGA 或 CPLD)中的文件，因此，編譯、綜合過程是一起的。邏輯綜合就是將較高抽象層次的描述自動轉(zhuǎn)換到較低抽象層次描述的一種方法，就設計而言，既將 RTL 級的描述轉(zhuǎn)換成網(wǎng)表的過程，編譯的最終目的是為了生成可以進行仿真、定時分析及下載到可編程邏輯器件的相關(guān)文件，如*.f，*.rPt，*.snf，*.pof 等。由于芯片的資源有限，為了優(yōu)化輸出和工藝映射，就要有相應的約束條件加以控制。以 FPGA 為目標器件時，設計實體中有的電路要盡量壓縮面積而忽略性能要求。而有的電路為了滿足關(guān)鍵信號及性能的要求，則要忽略面積占用。所以，速度和面積優(yōu)化的選擇在多數(shù)情況下是矛盾的，這就要求設計者視具體情況選擇，采用一定的優(yōu)化 [12]設計方法。 模塊仿真下面給出主要模塊的仿真波形圖。 頂層模塊仿真密碼輸入錯誤圖 31 密碼輸入錯誤狀態(tài)的仿真波形圖密碼輸入錯誤狀態(tài)的波形仿真圖如圖 31 所示，從圖中可以看出：輸入的密碼為 854321，而正確密碼為 654321，所以在按下 OPEN_T 鍵后，控制器進入了報警狀態(tài)（QF） ，符合控制器工作流程。密碼輸入正確23密碼輸入正確下的仿真波形圖如圖 32 所示。從圖中可以看出，當密碼輸入 654321 后，控制器進入到了啟動狀態(tài)（QD） 。在按下 OPEN_T 鍵后，控制器又返回了建立等待狀態(tài)，同時發(fā)出 LED_G 綠燈驅(qū)動信號。這完全符合控制器工作流