基于FPGA的多功能電子密碼鎖設(shè)計(jì)

3.2 控制電路

控制電路是整個(gè)系統(tǒng)的核心電路，能根據(jù)用戶輸入的密碼位數(shù)進(jìn)行子電路的選擇。由于系統(tǒng)允許用戶輸入4 位、6 位或8 位密碼，因此子電路有三個(gè)，由三選一選擇器決定其中哪個(gè)電路為用戶服務(wù)，見(jiàn)圖2.

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圖2中，en是三選一選擇器的工作使能端，它由輸入電路的有效重置信號(hào)啟動(dòng)。當(dāng)用戶按下矩陣鍵盤上的重置按鍵長(zhǎng)達(dá)3 s后，輸入電路將產(chǎn)生en信號(hào)為‘1',從而使選擇器Mux31 開(kāi)始工作。如用戶要設(shè)置為6 位密碼，則在提示音后按下鍵盤上的“6”按鍵，其按鍵信號(hào)會(huì)傳遞給X6,由選擇器決定后續(xù)控制電路為kong6.

主要VHDL代碼描述如下：

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對(duì)于后續(xù)控制電路kong4~kong8,都應(yīng)具有密碼清除、存儲(chǔ)、核對(duì)及修改等功能。由于僅僅是操作數(shù)位數(shù)不同而已，這三個(gè)電路的VHDL語(yǔ)言描述過(guò)程對(duì)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，幾乎是重復(fù)操作，因此大大縮短了設(shè)計(jì)周期。

控制電路中密碼的存儲(chǔ)是利用寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

寄存器是一個(gè)典型的時(shí)序邏輯電路，在某一特定時(shí)鐘信號(hào)的控制下可以裝載一組二進(jìn)制數(shù)據(jù)并穩(wěn)定存儲(chǔ)，撤銷該控制信號(hào)后信息仍然存放在寄存器中。充分利用VHDL中不完整的if語(yǔ)句能產(chǎn)生時(shí)序電路的特點(diǎn)，進(jìn)行電路描述，而不涉及到內(nèi)部觸發(fā)器，開(kāi)發(fā)效率高。

3.3 輸出電路

輸出電路要準(zhǔn)確地將結(jié)果以十進(jìn)制形式直觀地顯示在輸出LED 上，并且當(dāng)用戶每輸入一位密碼，所有LED上的密碼值左移一位。該電路屬于純組合邏輯電路，可以利用VHDL語(yǔ)言中的case語(yǔ)句描述出其電路功能。

部分VHDL代碼如下：

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其中：movesgl 表示左移位移量;zin 是輸入信號(hào);當(dāng)movesgl為“000”時(shí)表示不需要左移;當(dāng)為“001”時(shí)，表示需要移動(dòng)一次;“010”表示需要移動(dòng)兩次，以此類推。當(dāng)用戶通過(guò)矩陣鍵盤輸入6 位密碼時(shí)，就需要向左移動(dòng)6 次，從而達(dá)到密碼在LED數(shù)碼管上動(dòng)態(tài)左移的現(xiàn)象。

4 仿真與下載

4.1 仿真

在編程下載之前，必須利用EDA 工具對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行模擬測(cè)試，即仿真。仿真是EDA 設(shè)計(jì)過(guò)程中的重要步驟。本文采用的時(shí)序仿真是最接近真實(shí)器件運(yùn)行特征的仿真，仿真精度較高。以4位密碼電路為例，做出了系統(tǒng)仿真圖，如圖3所示。

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從圖3中可以看出，通過(guò)輸入端zin,先后輸入了密碼值“5623”,s0,s1,s2,s3存儲(chǔ)的值在實(shí)時(shí)更新，分析波形，總結(jié)該系統(tǒng)基本達(dá)到了預(yù)期的功能需求，輸出波形正常。

4.2 下載

在QuartusⅡ9.0軟件中，利用集成EDA工具完成的下載步驟如下：

(1)根據(jù)開(kāi)發(fā)板中可編程CPLD芯片EPM240T100C5的引腳特性，將本系統(tǒng)的頂層設(shè)計(jì)實(shí)體的端口進(jìn)行引腳分配。

(2)適配器完成適配后生成了POF 格式的下載文件，再通過(guò)JTAG編程電纜向CPLD芯片進(jìn)行編程。

(3)單擊下載按鈕Start,即對(duì)目標(biāo)器件進(jìn)行下載操作。當(dāng)Process進(jìn)度顯示100%時(shí)，表示下載成功。

(4)利用開(kāi)發(fā)板上的外圍接口電路，進(jìn)行了硬件的測(cè)試。并利用嵌入式邏輯分析儀SignalTap Ⅱ觀察密碼輸入、修改等運(yùn)行情況。

5 結(jié)語(yǔ)

本文彌補(bǔ)了傳統(tǒng)密碼鎖技術(shù)上的不足，研究出了一種利用VHDL語(yǔ)言，結(jié)合EDA技術(shù)，在可編程芯片CPLD 上構(gòu)造邏輯電路。由于所有密碼的存儲(chǔ)及運(yùn)算都通過(guò)純硬件實(shí)現(xiàn)，其邏輯執(zhí)行速度遠(yuǎn)高于單片機(jī)。充分利用了CPLD的邏輯可編程性，開(kāi)發(fā)周期短、效率高，設(shè)計(jì)出來(lái)的產(chǎn)品具有較高的可靠性，且功耗低、體積小、易維護(hù)，勢(shì)必會(huì)在安防市場(chǎng)中取勝。