EDA电子密码锁1.docx
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EDA电子密码锁1
电子密码锁
设计要求
1）设计一个密码锁的控制电路，当输入正确代码时，输出开锁信号以推动执行机构工作，用红灯亮、绿灯熄灭表示关锁，用绿灯亮、红灯熄灭表示开锁；
2）在锁的控制电路中储存一个可以修改的4位代码，当开锁按钮开关（可设置成6位至8位，其中实际有效为4位，其余为虚设）的输入代码等于储存代码时，开锁；
3）从第一个按钮触动后的5秒内若未将锁打开，则电路自动复位并进入自锁状态，使之无法再打开，并由扬声器发出持续20秒的报警信号。
1.方案论证与对比
1.1方案一
方案一是用以AT89C2051为核心的单片机控制方案。
共设了9个用户输入键，其中只有4个是有效的密码按键，其它的都是干扰按键，若按下干扰键，键盘输入电路自动清零，原先输入的密码无效，需要重新输入；如果用户输入密码的时间超过40秒（一般情况下，用户不会超过40秒，若用户觉得不便，还可以修改）电路将报警80秒，若电路连续报警三次，电路将锁定键盘5分钟，防止他人的非法操作。
设计方框图如图1所示。
1.2方案二
方案二是用本学期所学的EDA技术中的VHDL语言来实现方案。
设计方框图如图2所示。
1.3比较
由于单片机方案原理复杂，而且调试较为繁琐，并且是用C语言或者汇编语言实现功能，构成的是软件，容易受到外界影响；而有EDA技术中VHDL（硬件描述语言），构成的是硬件本身，不容易受到外界的干扰，所以本文采用后一种方案。
方案一是基于软件的编程语言，对硬件和软件的要求都很高，方案二则是基于硬件设计的语言，很容易对硬件电路实现编程下载；
2.总体模块设计
本设计采用EDA技术和VHDL语言设计了一种按键输入密码并数码管回显，当输入正确密码时轰动绿灯亮、红灯熄灭表示开锁，而当输入错误密码时，红灯亮、绿灯熄灭表示关锁。
根据系统设计要求，系统设计采用自顶向下的设计方法。
顶层设计采用原理图设计方式，系统的整体组装设计原理图如图2-1所示。
它由时钟电路按键控制输入模块、密码锁控制模块、数码管与LED显示模块和报警电路等四部分组成。
程序下载后系统进入原始状态（原始密码000000），按下键8发光二极管8（绿灯）亮、法官二极管7（红灯）灭。
当要重新设置密码时，直接输入自己想要设置的密码并按下键8，持续5S，数码管8由0变为1，此时7段数码管1、2、3、4、5、6对应显示新设置的密码。
当要输入密码时，按下键7，先将密码清零，再随机输入一组6位密码，假如密码正确，发光二极管8（绿灯）立即亮；反之如不正确，等待5S，发光二极管7（红灯）亮并由蜂鸣器发出20S的报警信号。
3.单元模块设计
3.1顶层模块设计
该电子密码锁顶层文件使用原理图输入法，将按键、延时、判断正误、出错红灯亮并报警、正确绿灯亮这几个模块连接在一起实现6位二进制密码锁功能。
具体顶层原理图如图3所示：
图3密码锁顶层文件原理图
3.2密码输入模块
1、本按键输入模块包括设置密码并读取、密码清零、输入密码、系统复位功能。
该模块中我们设置了8个按键，各个按键的功能分别为：
按键1、2、3、4、5、6分别对应6位二进制密码输入、键7为密码清零按键、键8为系统复位和密码读取按键。
2、以上各子模块的设计均采用VHDL语言实现，其具体实现程序如下:
LibraryIEEE;
useIEEE.std_logic_1164.all;
useIEEE.std_logic_unsigned.all;
entitykeyis
port（key_in1,key_in2,key_in3,key_in4,key_in5,key_in6:
instd_logic;
clk:
instd_logic;
str:
instd_logic;
resert:
instd_logic;
clk20:
instd_logic;
ds:
instd_logic;
key_out:
outstd_logic_vector（5downto0）;
key_read:
outstd_logic;
key_resert:
outstd_logic;
key_r:
outstd_logic）;
endkey;
architecturekey_mimaofkeyis
signalm:
std_logic_vector（5downto0）;
signalsa:
std_logic_vector（5downto0）;
signaldd:
std_logic:
='0';
signaldd1:
std_logic;
signalcount:
std_logic_vector（3downto0）;
signalcount2:
std_logic_vector（3downto0）;
signalcount3:
std_logic_vector（3downto0）;
begin
c0:
process（resert,key_in1,key_in2,key_in3,key_in4,key_in5,key_in6）
begin
ifresert='1'thendd<='0';--全部清零
elseifkey_in1='1'orkey_in2='1'orkey_in3='1'orkey_in4='1'orkey_in5='1'orkey_in6='1'
thendd<='1';endif;endif;--只要有键按下，dd将为高电平不变
key_r<=dd;
endprocessc0;
cc:
process（key_in5,key_in6,clk,resert）
begin
ifclk'eventandclk='1'then
ifds='1'
then--保持ds='1',持续5秒高电平5秒后产生低电平，第5秒为低电平
--按下键八5秒后读取密码
ifcount<6then
key_read<='0';count<=count+1;elsecount<=count;
endif;
ifcount=5thenkey_read<='1';endif;
elsecount<="0000";key_read<='0';
endif;
endif;
endprocesscc;
cc2:
process（key_in1,key_in2,clk,resert）
begin
ifclk'eventandclk='1'then
ifds='1'
then--保持ds='1',持续3秒高电平3秒后产生低电平，第3秒为低电平
--按下按下键八三秒后对错误复位
ifcount2<4then
key_resert<='0';count2<=count2+1;elsecount2<=count2;
endif;
ifcount2=3thenkey_resert<='1';endif;
elsecount2<="0000";key_resert<='0';
endif;
endif;
endprocesscc2;
c1:
process（key_in1,str,sa）--按键1输入
begin
ifstr='1'orsa（0）='1'thenm（0）<='0';else
ifkey_in1'eventandkey_in1='1'thenm（0）<=notm（0）;endif;
endif;
endprocessc1;
c2:
process（key_in2,str,sa）--按键2输入
begin
ifstr='1'orsa
（1）='1'thenm
（1）<='0';else
ifkey_in2'eventandkey_in2='1'thenm
（1）<=notm
（1）;endif;
endif;
endprocessc2;
c3:
process（key_in3,str,sa）--按键3输入
begin
ifstr='1'orsa
（2）='1'thenm
（2）<='0';else
ifkey_in3'eventandkey_in3='1'thenm
（2）<=notm
（2）;endif;
endif;
endprocessc3;
c4:
process（key_in4,str,sa）--按键4输入
begin
ifstr='1'orsa（3）='1'thenm（3）<='0';else
ifkey_in4'eventandkey_in4='1'thenm（3）<=notm（3）;endif;
endif;
endprocessc4;
c5:
process（key_in5,str,sa）--按键5输入
begin
ifstr='1'orsa（4）='1'thenm（4）<='0';else
ifkey_in5'eventandkey_in5='1'thenm（4）<=notm（4）;endif;
endif;
endprocessc5;
c6:
process（key_in6,str,sa）--按键6输入
begin
ifstr='1'orsa（5）='1'thenm（5）<='0';else
ifkey_in6'eventandkey_in6='1'thenm（5）<=notm（5）;endif;
endif;
endprocessc6;
v22:
process（resert,clk20）
begin
ifclk20'eventandclk20='1'then
ifresert='1'then
ifcount3=7thencount3<=count3;else
count3<=count3+1;sa<="000000";
ifcount3=5thensa<="111111";elsesa<="000000";endif;
endif;
elsecount3<="0000";
endif;endif;
endprocessv22;
key_out<=mand（notsa）;
endkey_mima;
图4密码输入模块
密码输入模块仿真如下（图5）：
3.3显示模块
1、本设计要求输入正确密码时，绿灯亮、红灯熄灭；当输入错误密码时，5S后红灯亮绿灯灭，同时要求发出20S的报警。
为此我们设计发光二极管D7和D8分别表示红灯和绿灯，并用蜂鸣器作为报警电路。
2、LED显示电路的VHDL程序如下：
LibraryIEEE;
useIEEE.std_logic_1164.all;
useIEEE.std_logic_unsigned.all;
entityledis
port（r:
instd_logic;
str:
instd_logic;
str5:
instd_logic;
ar:
outstd_logic）;
endled;
architectureled_mimaofledis
signals1:
std_logic:
='0';
begin
b1:
process（str,r,str5）
begin
ifstr='0'then
ifr'eventandr='1'thenifstr5='1'thens1<='1';endif;endif;
elses1<='0';
endif;
endprocessb1;
ar<=s1;
endled_mima;
图6LED显示模块
LED显示模块仿真如下（图7）：
3、报警电路程序设计如下：
LibraryIEEE;
useIEEE.std_logic_1164.all;
useIEEE.std_logic_unsigned.all;
entitysoundis
port（str:
instd_logic;
clk:
instd_logic;
sound_out:
outstd_logic）;
endsound;
architecturexd_soundofsoundis
signalss:
std_logic;
begin
process（str,clk）--产生20报警电路，需要str为高电平20秒
begin
ifstr='1'then
ss<=clk;
elsess<='0';
endif;
sound_out<=ss;
endprocess;
endxd_sound;
图8报警模块
报警模块仿真如下（图9）：
3.4延时模块
1、针对本设计中要求的输入错误密码后5S报错和20S报警，我们设计了5S和20S的两个延时模块。
2、延时5S程序设计：
LibraryIEEE;
useIEEE.std_logic_1164.all;
useIEEE.std_logic_unsigned.all;
entitymcis
port（str:
instd_logic;
clk:
instd_logic;
key_out:
outstd_logic）;
endmc;
architecturemc_mimaofmcis
signalcount:
std_logic_vector（3downto0）;
begin
process（str,clk）
begin
ifclk'eventandclk='1'then
ifstr='1'then--保持str为1，5秒高电平5秒后产生低电平，第6秒为低电平
ifcount<6thenkey_out<='1';
count<=count+1;elsecount<=count;
endif;
ifcount=5thenkey_out<='0';endif;
elsecount<="0000";key_out<='0';
endif;
endif;
endprocess;
endmc_mima;
图10延时5秒模块
延时5秒模块仿真如下（图11）：
3、延时20S程序如下：
LibraryIEEE;
useIEEE.std_logic_1164.all;
useIEEE.std_logic_unsigned.all;
entitym20is
port（str:
instd_logic;
clk:
instd_logic;
key_out:
outstd_logic）;
endm20;
architecturem20_mimaofm20is
signalcount:
std_logic_vector（4downto0）;
begin
process（str,clk）
begin
ifclk'eventandclk='1'then
ifstr='1'then--保持str为1，20秒高电平20秒后产生低电平，第21秒为低电平
ifcount<21thenkey_out<='1';
count<=count+1;elsecount<=count;
endif;
ifcount=20thenkey_out<='0';endif;
elsecount<="00000";key_out<='0';
endif;
endif;
endprocess;
endm20_mima;
图12延时20秒模块
延时20秒模块仿真如下（图13）：
3.5设置密码以及验证模块
1、中要求密码可以设置，为了更清晰的了解密码，我们除了设计密码设置键外，还设置了数码管显示设置好的密码。
该模块采用VHDL语言设计而成。
2、设置密码输入程序如下：
LibraryIEEE;
useIEEE.std_logic_1164.all;
useIEEE.std_logic_unsigned.all;
entityledwis
port（ee:
instd_logic;
str:
instd_logic;
str5:
instd_logic;
aw:
outstd_logic）;
endledw;
architectureledw_mimaofledwis
signals1:
std_logic:
='0';
begin
process（str,ee,str5）
begin
ifstr='0'then
ifstr5'eventandstr5='0'then
ifee='0'then
s1<='1';
endif;
endif;
elses1<='0';endif;
endprocess;
aw<=s1;
endledw_mima;
图14密码及验证模块
密码及验证模块仿真如下（图15）：
3、密码电路程序如下：
LIBRARYieee;
USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
useIEEE.std_logic_unsigned.all;
entitymimais
PORT（clk_mima:
INSTD_LOGIC;
key:
INSTD_LOGIC_VECTOR（5downto0）;
mima_out:
OUTSTD_LOGIC_VECTOR（5downto0））;
endmima;
ARCHITECTUREoneOFmimaIS
signals:
std_logic_vector（5downto0）;
begin
process（clk_mima,key）
begin
ifclk_mima='1'then
s<=key;
elsenull;
endif;
mima_out<=s;
endprocess;
endone;
4、密码校对电路程序设计如下：
LibraryIEEE;
useIEEE.std_logic_1164.all;
useIEEE.std_logic_unsigned.all;
entityxdis--密码校对
port（str:
instd_logic;
a:
instd_logic_vector（5downto0）;
b:
instd_logic_vector（5downto0）;
key_out:
outstd_logic）;
endxd;
architecturexd_mimaofxdis
signalss:
std_logic:
='0';
begin
process（a（0）,a
（1）,a
（2）,a（3）,a（4）,a（5）,str）
begin
ifstr='1'then
ifa=bthen
ss<='1';
elsess<='0';endif;
elsess<='0';endif;
key_out<=ss;
endprocess;
endxd_mima;
图16密码校对模块
密码校对模块的仿真如下（图17）：
4.系统仿真
将程序下载Cyclone系列芯片中，同时在EDA试验箱上进行硬件验证。
本文提出的电子密码锁由于采用VHDL语言设计，用一片FPGA实现，因而体积小，功耗低，稍加修改就可以改变密码的位数和输入密码的次数，具有较好的应用前景。
但由于结构还比较简单，有待进一步完善。
电子密码锁整个系统的仿真如图18
图18电子密码锁整个电路系统仿真图
5.结束语
通过两星期的紧张工作，最后完成了我的设计任务——基于VHDL语言的智能密码锁设计。
通过本次课程设计的学习，我深深的体会到设计课的重要性和目的性所在。
本次设计课不仅仅培养了我们实际操作能力，也培养了我们灵活运用课本知识，理论联系实际，独立自主的进行设计的能力。
它不仅仅是一个学习新知识新方法的好机会，同时也是对我所学知识的一次综合的检验和复习，使我明白了自己的缺陷所在，从而查漏补缺。
希望学校以后多安排一些类似的实践环节。
附录
主控制程序参考如下:
LIBRARYieee;
USEieee.std_logic_1164.all;
USEieee.std_logic_unsigned.all;
LIBRARYwork;
ENTITYlockIS
port（str:
INSTD_LOGIC;
clk20:
INSTD_LOGIC;
clk1:
INSTD_LOGIC;
ds:
INSTD_LOGIC;
key_1:
INSTD_LOGIC_VECTOR（5downto0）;
green:
OUTSTD_LOGIC;
red:
OUTSTD_LOGIC;
sound_1:
OUTSTD_LOGIC;
xianshi:
OUTSTD_LOGIC;
key_read:
OUTSTD_LOGIC;
display:
OUTSTD_LOGIC_VECTOR（5downto0）;
key_tell:
OUTSTD_LOGIC_VECTOR（5downto0））;
ENDlock;
ARCHITECTUREoneOFlockIS
componentled
PORT（r:
INSTD_LOGIC;
str:
INSTD_LOGIC;
str5:
INSTD_LOGIC;
ar:
OUTSTD_LOGIC）;
endcomponent;
componentsound
PORT（str:
INSTD_LOGIC;
clk:
INSTD_LOGIC;
sound_out:
OUTSTD_LOGIC）;
endcomponent;
componentmc
PORT（str:
INSTD_LOGIC;
clk:
INSTD_LOGIC;
key_out:
OUTSTD_LOGIC）;
endcomponent;
componentxd
PORT（str:
INSTD_LOGIC;
a:
INSTD_LOGIC_VECTOR（5downto0）;
b:
INSTD_LOGIC_VECTOR（5downto0）;
key_out:
OUTSTD_LOGIC）;
endcomponent;
componentmima
PORT（clk_mima:
INSTD_LOGIC;
key
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