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

4.1密码锁设计原理--------------------------------------------------2

4.2密码锁系统框图--------------------------------------------------2

4.3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

6.1密码设定锁存器源程序及其仿真分析--------------------------------5

6.2密码输入锁存器源程序及其仿真分析--------------------------------6

6.3开锁控制系统源程序及其仿真分析----------------------------------8

6.4比较器源程序及其仿真分析----------------------------------------9

6.5LED显示源程序及其仿真分析--------------------------------------11

6.6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

7.1电路结构-------------------------------------------------------13

7.2管脚分配-------------------------------------------------------14

7.3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QuartusⅡ9.0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。

2、开锁过程。

（1）、按启动键（START）启动开锁程序，此时系统内部应处于初始状态。

（2）、依次键入0~9（或二进制8位数）。

（3）、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。

3、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。

4、设计符合上述功能的密码锁，并用层次化方法设计该电路。

5、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。

6、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

4.1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。

4.2密码锁系统框图

4.3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;

USEIEEE.std_logic_1164.All;

ENTITYtopfileIS

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

6.1密码设定锁存器源程序及其仿真波形

源程序为：

LIBRARYIEEE;

USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

ENTITYcodesetIS

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。

6.2密码输入锁存器源程序及其仿真波形

源程序为：

LIBRARYIEEE;

USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

ENTITYcodeinputIS

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。

6.3开锁控制系统源程序及其仿真波形

源程序为：

LIBRARYIEEE;

USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

ENTITYlockcontrolIS

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。

6.4比较器源程序以及仿真波形

源程序为：

LIBRARYIEEE;

USEIEEE.STD_LOGIC_1164.All;

ENTITYcomparatorIS

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。

6.5LED显示源程序及其仿真波形

源程序为：

LIBRARYIEEE;

USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

ENTITYLEDIS

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。

6.6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

7.1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）

7.2管脚分配图

7.3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