VHDL密码锁设计.docx
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VHDL密码锁设计
VHDL语言及应用课程设计论文
----VHDL平台下
密码锁的设计
学院：
电子信息学院
专业：
学号：
姓名：
指导老师：
团队成员：
完成日期：
一.引言-----------------------------------------------------------1
二.实验目的-------------------------------------------------------1三.实验任务与要求-------------------------------------------------1
四.设计原理及工作流程---------------------------------------------2
密码锁设计原理--------------------------------------------------2
密码锁系统框图--------------------------------------------------2
密码锁设计提示--------------------------------------------------2
五.密码锁的顶层设计源程序-----------------------------------------3
六.密码锁各功能模块源程序及其仿真分析-----------------------------5
密码设定锁存器源程序及其仿真分析--------------------------------5
密码输入锁存器源程序及其仿真分析--------------------------------6
开锁控制系统源程序及其仿真分析----------------------------------8
比较器源程序及其仿真分析----------------------------------------9
LED显示源程序及其仿真分析--------------------------------------11
顶层源文件的仿真分析-------------------------------------------12
七.密码锁设计源程序的下载调试------------------------------------13
电路结构-------------------------------------------------------13
管脚分配-------------------------------------------------------14
程序下载调试过程-----------------------------------------------14
八.实验分析与总结------------------------------------------------15
九.组内分工------------------------------------------------------16
十.参考文献------------------------------------------------------16
一.引言
随着社会物质财富的日益增长和人们生活水平的提高，安全成为现代居民最关心的问题之一。
因此人们对锁要求甚高，既要求可靠地防盗，又要使用方便，这也是制锁者长期以来研制的主题。
传统的门锁既要备有大量的钥匙，又要担心钥匙丢失后的麻烦。
数字密码锁是二十一世纪制锁业的一次革命，锁的特点是不用钥匙、无锁孔、机械传动、不易损坏、不磨损、不易被破译、可多次更换密码、换号不换锁、一把锁多个密码，具有防拨、防砸、防撬、防堵等功能。
安装门锁时不破坏原门的结构，避免用钥匙开启旋芯式锁具的一切烦恼（如丢、落、拆、堵门被反锁等）。
数字密码锁是利用数字密码来开启的锁具，其重复概率极低，有着很高的安全性；而旋芯式锁具使用不够安全。
通过对社会各阶层千余人的调查，百分之百的人对目前身上挂着的串串钥匙无可奈何，都愿意一身轻松没有任何顾虑的出入家门，都愿意用上一种既安全方便又不用钥匙的锁具。
因此，数字密码锁产品的市场发展前景极为广阔。
而EDA技术设计电子系统具有用软件的方式设计硬件，设计过程中可用有关软件进行各种仿真，系统可现场编程、在线升级，整个系统可集成在一个芯片上等特点；不但设计周期短、设计成本低，而且将提高产品或设备的性能，缩小产品体积、提高产品的技术含量，提高产品的附加值。
可见，用VHDL可以更加快速、灵活地设计出符合各种要求的密码锁，优于其他设计方法,使设计过程达到高度自动化。
本设计的各个模块由相应的VHDL程序具体实现，并在QuartusⅡ环境下进行了整体电路的模拟仿真，最终实现“密码锁设计”的要求。
二.实验目的
1.掌握VHDL语言的使用，学会用VHDL语言来编程解决实际问题；
2.学会使用EDA开发软件设计小型综合电路，掌握仿真的技巧；
3.学会应用开发系统实现硬件电路，检验电路的功能；
4.设计一个八位二进制密码锁，实现所要求的功能。
三.实验任务与要求
1、安锁状态。
按下开关键SETUP，密码设置灯亮时，方可进行密码设置操作。
设置初始密码0~9（或二进制8位数），必要时可以更换。
再按SETUP键，密码有效。
开锁过程。
、按启动键（START）启动开锁程序，此时系统内部应处于初始状态。
、依次键入0~9（或二进制8位数）。
、按开门键（OPEN）准备开门。
若按上述程序执行且拨号正确，则开门指示灯A亮，若按错密码或未按上述程序执行，则按动开门键OPEN后，报警装置鸣叫、灯B亮。
（4）、开锁处理事务完毕后，应将门关上，按SETUP键使系统重新进入安锁状态。
若在报警状态，按SETUP键或START键应不起作用，应另用一按键RESET才能使系统进入安锁状态。
使用者如按错号码可在按OPEN键之前，按START键重新启动开锁程序。
设计符合上述功能的密码锁，并用层次化方法设计该电路。
用功能仿真方法验证，通过观察有关波形确认电路设计是否正确。
完成电路设计后，通过在实验系统中下载，验证设计的正确性。
四.设计原理及工作流程
密码锁设计原理
如下示框图，密码锁系统主要由开锁控制，设置密码的锁存器，输入密码的锁存器，比较器，LED显示和报警系统几个部分组成。
每一个模块功能的实现都是通过VHDL语言实现的，并通过顶层电路与例化语句将功能模块整合起来，之后对整个系统进行模拟仿真和硬件实现。
密码锁系统框图
密码锁设计提示
（1）锁存器：
用于实现设定密码和输入密码的锁存。
（2）比较器：
用于将设定密码与输入密码相比较。
其中，CLK为外部输入的时钟信号。
若输入密码正确，则A灯亮；否则B灯亮，同时比较器输出与CLK一样的信号，驱动蜂鸣器发出报警声。
（3）开锁控制：
当反馈信号下降沿来到时，开锁控制输出低电平，用于在输入错误密码后禁止再次安锁；当RESET脚为高电平时，开锁控制输出高电平，打开与门，这时锁存器1使能端的变化受控于SETUP键，重新进入安锁状态。
（4）LED显示：
用于设定密码或输入密码的显示。
此项设计的目的是为了在下载演示时，能清楚地看到设置和输入的密码值。
五.密码锁的顶层设计源程序
调用各模块形成元件例化语句：
LIBRARYIEEE;
USEtopfileIS
PORT（SETUP,RESET,START,OPN,CLK:
INSTD_LOGIC;
setpassword:
INSTD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0）;
inputpassword:
INSTD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0）;
led_A,led_B,warner:
OUTSTD_LOGIC;
DOUT11,DOUT12,DOUT21,DOUT22:
OUTSTD_LOGIC_VECTOR（6DOWNTO0））;
ENDENTITYtopfile;
ARCHITECTUREbrfOFtopfileIS
COMPONENTlockcontrol
PORT（RESET,FEEDBACK:
INSTD_LOGIC;
Y:
OUTSTD_LOGIC）;
ENDCOMPONENT;
COMPONENTcodeset
PORT（ENABLE:
INSTD_LOGIC;
PASEWORD:
INSTD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0）;
Q:
OUTSTD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0））;
ENDCOMPONENT;
COMPONENTcodeinput
PORT（ENABLE:
INSTD_LOGIC;
PASEWORD:
INSTD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0）;
Q:
OUTSTD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0））;
ENDCOMPONENT;
COMPONENTcomparator
PORT（OPN,CLK,RESET:
INSTD_LOGIC;
rightpassword,password:
INSTD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0）;
A,B,warner:
OUTSTD_LOGIC;
D11,D12,D21,D22:
OUTSTD_LOGIC_VECTOR（3DOWNTO0））;
ENDCOMPONENT;
COMPONENTAND2
PORT（a,b:
INSTD_LOGIC;
c:
OUTSTD_LOGIC）;
ENDCOMPONENT;
COMPONENTNOR2
PORT（e,d:
INSTD_LOGIC;
f:
OUTSTD_LOGIC）;
ENDCOMPONENT;
COMPONENTLED
PORT（DATA:
INSTD_LOGIC_VECTOR（3DOWNTO0）;
DOUT7:
OUTSTD_LOGIC_VECTOR（6DOWNTO0））;
ENDCOMPONENT;
SIGNALnet1,net2:
STD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0）;
SIGNALnet8,net9,net10,net11:
STD_LOGIC_VECTOR（3DOWNTO0）;
SIGNALnet3,net4,net5,net6,net7:
STD_LOGIC;
BEGIN
U0:
lockcontrolPORTMAP（RESET=>RESET,feedback=>net3,y=>net4）;
U1:
AND2PORTMAP（a=>net3,b=>START,c=>net5）;
U2:
AND2PORTMAP（a=>SETUP,b=>net4,c=>net6）;
U3:
CODEINPUTPORTMAP（PASEWORD=>inputpassword,ENABLE=>net5,Q=>net1）;
U4:
codesetPORTMAP（PASEWORD=>setpassword,ENABLE=>net6,Q=>net2）;
U5:
comparatorPORTMAP（rightpassword=>net2,password=>net1,OPN=>OPN,CLK=>CLK,A=>led_A,B=>net7,warner=>warner,RESET=>RESET,D12=>net9,D11=>net8,D21=>net10,D22=>net11）;
U6:
NOR2PORTMAP（e=>net7,d=>net7,f=>net3）;
U7:
LEDPORTMAP（DATA=>net8,DOUT7=>DOUT11）;
U8:
LEDPORTMAP（DATA=>net9,DOUT7=>DOUT12）;
U9:
LEDPORTMAP（DATA=>net10,DOUT7=>DOUT21）;
U10:
LEDPORTMAP（DATA=>net11,DOUT7=>DOUT22）;
led_B<=net7;
ENDARCHITECTUREbrf;
六.密码锁各功能模块源程序及其仿真波形
密码设定锁存器源程序及其仿真波形
源程序为：
LIBRARYIEEE;
USEcodesetIS
PORT（
ENABLE:
INSTD_LOGIC;
PASSWORD:
INSTD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0）;
Q:
OUTSTD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0））;
ENDcodeset;
ARCHITECTUREbhvOFcodesetIS
BEGIN
PROCESS（ENABLE,PASSWORD）BEGIN
IFENABLE='1'THEN
Q（7）<=PASSWORD（7）;
Q（6）<=PASSWORD（6）;
Q（5）<=PASSWORD（5）;
Q（4）<=PASSWORD（4）;
Q（3）<='0';
Q
（2）<='0';
Q
（1）<='0';
Q（0）<='0';
ENDIF;
ENDPROCESS;
ENDbhv;
仿真波形图为：
使能控制端高电平时：
使能控制端变回低电平时：
由于硬件设备限制，不能检验全部端口，因此将低位的四位设置为低电平，通过改变使能控制端与高位的电平观察正确性。
密码输入锁存器源程序及其仿真波形
源程序为：
LIBRARYIEEE;
USEcodeinputIS
PORT（ENABLE:
INSTD_LOGIC;
PASSWORD:
INSTD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0）;
Q:
OUTSTD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0））;
ENDcodeinput;
ARCHITECTUREbhvOFcodeinputIS
BEGIN
PROCESS（ENABLE,PASSWORD）BEGIN
IFENABLE='1'THEN
Q（7）<=PASSWORD（7）;
Q（6）<=PASSWORD（6）;
Q（5）<=PASSWORD（5）;
Q（4）<=PASSWORD（4）;
Q（3）<='0';
Q
（2）<='0';
Q
（1）<='0';
Q（0）<='0';
ENDIF;
IFENABLE='0'THEN
Q<="00000000";
ENDIF;
ENDPROCESS;
ENDbhv;
仿真波形为：
当使能信号为低电平，锁存器输出状态保持不变，输入信号没有读入；当使能信号有低电平变为高电平，锁存器开始读入输入的信号。
开锁控制系统源程序及其仿真波形
源程序为：
LIBRARYIEEE;
USElockcontrolIS
PORT（FEEDBACK,RESET:
INSTD_LOGIC;
Y:
OUTSTD_LOGIC）;
ENDlockcontrol;
ARCHITECTUREbhvOFlockcontrolIS
BEGIN
PROCESS（FEEDBACK,RESET）
BEGIN
Y<='1';
IFFEEDBACK='0'THEN
Y<='0';
ENDIF;
IFRESET='1'THEN
Y<='1';
ENDIF;
ENDPROCESS;
ENDbhv;
仿真波形为：
FEEDBACK为反馈信号，RESET为重置密码信号。
当反馈信号下降沿来到时，开锁控制输出Y低电平，用于在输入错误密码后禁止再次安锁；当RESET脚为高电平时，开锁控制输出高电平。
比较器源程序以及仿真波形
源程序为：
LIBRARYIEEE;
USEcomparatorIS
PORT（rightpassword,password:
INSTD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0）;
OPN,CLK,RESET:
INSTD_LOGIC;
A,B,warner:
OUTSTD_LOGIC;
D11,D12,D21,D22:
OUTSTD_LOGIC_VECTOR（3DOWNTO0））;
ENDcomparator;
ARCHITECTUREbhvOFcomparatorIS
BEGIN
PROCESS（OPN,CLK,RESET,rightpassword,password）
BEGIN
D11（3）<=rightpassword（7）;
D11
（2）<=rightpassword（6）;
D11
（1）<=rightpassword（5）;
D11（0）<=rightpassword（4）;
D12（3）<=rightpassword（3）;
D12
（2）<=rightpassword
（2）;
D12
（1）<=rightpassword
（1）;
D12（0）<=rightpassword（0）;
D21（3）<=password（7）;
D21
（2）<=password（6）;
D21
（1）<=password（5）;
D21（0）<=password（4）;
D22（3）<=password（3）;
D22
（2）<=password
（2）;
D22
（1）<=password
（1）;
D22（0）<=password（0）;
IFOPN='1'THEN
IFrightpassword=passwordTHEN
A<='1';
B<='0';
warner<='0';
ENDIF;
IFrightpassword/=passwordTHEN
A<='0';
B<='1';
warner<=CLK;
IFRESET='1'THEN
A<='0';
B<='0';
warner<='0';
ENDIF;
ENDIF;
ELSE
A<='0';
B<='0';
warner<='0';
ENDIF;
ENDPROCESS;
ENDbhv;
仿真波形为：
（1）密码正确时：
密码匹配时，如果OPEN不打开，电路不工作，如果OPEN打开，则A灯变为高电平，B灯和蜂鸣器不工作。
而D11D12始终显示正确密码，D21D22始终显示当前输入密码。
（2）密码错误时：
密码不匹配时，如果OPEN不打开，电路不工作，如果OPEN打开，则A灯不工作，B灯亮，蜂鸣器随CLK周期而周期性鸣响。
此时，关闭OPEN并启动RESET，才可以使比较器停止工作并可以再次输入密码。
LED显示源程序及其仿真波形
源程序为：
LIBRARYIEEE;
USELEDIS
PORT（DATA:
INSTD_LOGIC_VECTOR（3DOWNTO0）;
DOUT7:
OUTSTD_LOGIC_VECTOR（6DOWNTO0））;
ENDENTITYLED;
ARCHITECTUREaOFLEDIS
BEGIN
PROCESS（DATA）
BEGIN
CASEDATAIS
WHEN"0001"=>DOUT7<="0000110";
WHEN"0010"=>DOUT7<="1011011";
WHEN"0000"=>DOUT7<="0111111";
WHEN"0011"=>DOUT7<="1001111";
WHEN"0100"=>DOUT7<="1100110";
WHEN"0101"=>DOUT7<="1101101";
WHEN"0110"=>DOUT7<="1111101";
WHEN"0111"=>DOUT7<="0001111";
WHEN"1000"=>DOUT7<="1111111";
WHEN"1001"=>DOUT7<="1101111";
WHENOTHERS=>DOUT7<="0000000";
ENDCASE;
ENDPROCESS;
ENDARCHITECTUREa;
仿真波形为：
可以由二进制代码的值判断出仿真结果真确，从图中还可以观察到，当输入的四位数中有两位及以上同时跳变时，出现了竞争冒险现象。
顶层源文件的仿真波形分析
（1）密码输入正确时：
按下SETUP设置密码。
按启动键START启动开锁程序，当输入的密码与设定的密码相同，按下OPEN键，A灯亮起，锁打开，B灯和蜂鸣器不工作。
（2）密码输入不正确时：
按下SETUP设置密码。
按启动键START启动开锁程序，当输入密码与设定的密码不同，按下OPEN键，B灯亮，蜂鸣器随CLK周期性鸣响，此时，开关SETUP和START没有作用，只能关闭OPEN并按下RESET，才可以使B灯和蜂鸣器停止工作并可以重新输入密码，如图，在输入正确密码后再次打开OPEN键，A灯亮起，锁可以打开。
七.密码锁设计源程序的下载调试
电路结构
（注：
由于硬件设备限制，部分端口没有绑定引脚，如密码输入、设定和七段显示数码管，均只验证部分功能）
管脚分配图
程序下载调试过程
将写的程序烧录下载到箱子调试，结果如下：
（1）密码输入正确时：
分析：
设定和输入的前四位转换成十进制均为1，密码匹配，此时A灯亮起。
（2）密码输入错误时：
分析：
设定和输入的前四位转换成十进制分别为1和0，密码不匹配，B灯亮起，蜂鸣器随CLK信号周期鸣响，此时改变输入的密码，不能终止B灯和蜂鸣器的工作，只能关闭OPEN开关并按RESET重新输入密码
八.实验分析与总结
在硬件测试过程中遇到了以下问题并已经解决：
（1）虽然开发系统按要求实现了八位二进制密码设定和输入，但由于硬件设备限制，硬件验证时只允许更改后四位，且将后四位的引脚绑定在四位十六进制高低电平按键上，又由于开发系统设计时使用十进制的七段显示译码器，所以数码管实际显示为十进制数。
但是开发系统依然保留了实验要求的功能。
（2）考虑到实验要求中的第四项：
“开锁处理事务完毕后，应将门关上，按SETUP键使系统重新进入安锁状态。
若在报警状态，按SETUP键或START键应不起作用，应另用一按键RESET才能使系统进入安锁状态。
”如要令RESET键具有此功能，需要使它可以直接控制系统后部的比较器，因此对给出的系统原理图稍作修改，从RESET输入端引出连线至比较器作为类似于OPEN的使能
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