完整版基于FPGA的门禁系统毕业设计论文Word格式文档下载.docx
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采用FPGA开发设计,所有算法完全由硬件电路来实现,使得系统的工作可靠性大为提高,同时由于FPGA具有在系统可编程功能,当设计需要更改对,只需更改FPGA中的控制和接口电路,利用EDA工具将更新后的设计下载到FPGA中即可,无需更改外部电路的设计,大大提高了设计的效率。
因此,采用FPGA开发的数字系统,不仅具有很高的工作可靠性,其升级与改进也极其方便。
关键词:
门禁系统FPGAVHDL
Abstract
Thetechnologyofaccesscontrolsystemcombinescomputer,electronicsanddigitalcodingtechnologytogether,andseemstobeaproduct,canbeusedsafelyandeasily.Thispaperdiscussedthewholesystemarchitectureoftheaccesscontrolsystem;
andsoftwaredesignwerepresentedseparately.
Thewholepasswordaccesscontrolsystemconsistsoffourparts:
electroniclock,electronickey,usercardandusercardgenerator.Theelectroniclockisusedtopreservethecurrentunlockpassword,theusercardnumbersandencryptedspaces.Userscanusethecardtounlockthelock,updateorpreparationtheunlockpasswordatanytime.
Thecostandsizeareputmostemphasisinthedesignofaccesscontrolsystem.DesignbasedonFPGAispresented.Thesystemthenisdesignedandverifiedthroughsomeexternalcircuitcomponents,suchaskeyboardandLEDs.
ThepaperisdescribedwithVHDLusingthetop-downapproach.FPGA-baseddevelopmentanddesignwhichisachievedallentirelybythethesystemcanbemadeavailableforthein-systemprogrammablefunction,whenthedesignneedstobechanged,thecontrolandtheinterfacecircuitcanberestructuredintheFPGAconveniently,usingEDAtools,todownloadtheupdateddesigntotheFPGAwithoutchangingtheexternalcircuitdesign.SotheefficiencyofthedesignCanbeproved.Thus,thedigitalsystemimplementedbyFPGAisof)以及新型的参数化的兆功能(Mage-Function)。
(5)模块化工具
设计人员可以从各种设计输入、处理和较验选项中进行选择从而使设计环境用户化。
(6)硬件描述语言(HDL)
Max+plusⅡ软件支持各种HDL设计输入选项,包括VHDL、VerilogHDL和Altera自己的硬件描述语言AHDL。
(7)Opencore特征
Max+plusⅡ软件具有开放核的特点,允许设计人员添加自己认为有价值的宏函数。
2.2FPGA简介
FPGA采用了逻辑单元阵列LCA(LogicCellArray)这样一个概念,内部包括可配置逻辑模块CLB(ConfigurableLogicBlock)、输出输入模块IOB(InputOutputBlock)和内部连线(Interconnect)三个部分。
2.21FPGA基本工作原理
FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的,因此,工作时需要对片内的RAM进行编程。
用户可以根据不同的配置模式,采用不同的编程方式。
加电时,FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中,配置完成后,FPGA进入工作状态。
掉电后,FPGA恢复成白片,内部逻辑关系消失,因此,FPGA能够反复使用。
FPGA的编程无须专用的FPGA编程器,只须用通用的EPROM、PROM编程器即可。
当需要修改FPGA功能时,只需换一片EPROM即可。
这样,同一片FPGA,不同的编程数据,可以产生不同的电路功能。
因此,FPGA的使用非常灵活。
2.22FPGA的基本特点
(1)采用FPGA设计ASIC电路,用户不需要投片生产,就能得到合用的芯片。
(2)FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。
(3)FPGA内部有丰富的触发器和IO引脚。
(4)FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。
(5)FPGA采用高速CHMOS工艺,功耗低,可以与CMOS、TTL电平兼容。
可以说,FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一[10]。
2.23FPGA设计流程
MAX+PLUSII曾经被普遍认为是最优秀的PLD开发平台之一,适合开发中小规模PLDFPGA。
在这里我们可以先看一看用FPGACPLD开发工具进行电路设计的一般流程,通常可将FPGACPLD设计流程归纳为以下7个步骤,这与ASIC设计有相似之处。
(1)设计输入。
在传统设计中,设计人员是应用传统的原理图输入方法来开始设计的。
自90年代初,Verilog、VHDL、AHDL等硬件描述语言的输入方法在大规模设计中得到了广泛应用。
(2)前仿真(功能仿真)。
设计的电路必须在布局布线前验证电路功能是否有效。
(ASCI设计中,这一步骤称为第一次Sign-off)PLD设计中,有时跳过这一步。
(3)设计编译。
设计输入之后就有一个从高层次系统行为设计向门级逻辑电路设转化翻译过程,即把设计输入的某种或某几种数据格式(网表)转化为软件可识别的某种数据格式(网表)。
(4)优化。
对于上述综合生成的网表,根据布尔方程功能等效的原则,用更小更快的综合结果代替一些复杂的单元,并与指定的库映射生成新的网表,这是减小电路规模的一条必由之路。
(5)布局布线。
在PLD设计中,3-5步可以用PLD厂家提供的开发软件(如Maxplus2)自动一次完成。
(6)后仿真(时序仿真)需要利用在布局布线中获得的精确参数再次验证电路的时序。
(ASCI设计中,这一步骤称为第二次Sign—off)。
(7)生产。
布线和后仿真完成之后,就可以开始ASCI或PLD芯片的投产。
2.3芯片选择
本设计选用杭州康芯电子有限公司生产的GW48EDA系统作为硬件验证系统,同时选用A1tera公司的EPlK30TCl44—3作为主控芯片。
该芯片是一种基于查找表结构的现场可编程逻辑器件,它的基本逻辑单元是可编程的查找表。
能够实现组合逻辑运算,并可用可编程寄存器实现时序逻辑运算。
设计时只需要对电子密码锁整体设计中的输入输出引脚作引脚锁定.然后重新编译和下载。
即可进行电子密码锁的硬件验证。
实验表明:
本设计能够实现电子密码锁的全部功能。
3门禁系统总体方案
3.1系统概述
作为通用门禁系统,主要有各个部分组成:
数字密码输入电路、门禁系统控制电路和门禁系统显示电路。
作为电子密码琐的输入电路,可供选择的方案有数字机械式键盘和触摸式键盘等多种。
虽然机械式键盘存在一些诸如机械产生的弹跳消除问题和机械部分的接触等问题,但是和出没式的3*4键盘相比,机械式键盘具有低成本、可靠性高、构成电路简单、技术成熟和应用广泛等特点,因此将其应用到通用数字门禁系统中还是比较适宜的。
本设计中采用一个3*4的通用数字机械键盘作为设计的输入设备。
数字门禁系统的显示信息电路可采用LED数码管显示和液晶屏幕显示两种。
液晶显示具有高速度显示、高可靠性、易于扩展和升级等优点,但是普通液晶显示屏存在亮度低、对复杂环境的适应能力差等缺点,在低亮度的环境下还需要加入其它辅助的照明设备,驱动电路设计相对复杂,因此本设计的显示电路仍使用通用的LED数码管。
根据以上选定的输入设备和显示器件,并考虑到现实各项数字门禁系统功能的具体要求,整个门禁系统系统的总体框图如图3-1所示。
(1)门禁系统输入电路包括时序产生电路、键盘扫描电路、去抖电路、键盘译码电路等几个小的功能电路。
(2)门禁系统控制电路包括按键数据的缓冲存储电路,密码的清除、变更、存储、激活电锁电路(寄存器清除信号发生电路),密码核对(数值比较电路),解锁电路(开关门锁电路)等几个小的功能电路。
(3)七段数码管显示电路主要将待显示数据的BCD码转换成数码器的七段显示驱动编码。
图3-1门禁系统总体框图
4门禁系统实现
4.1门禁系统输入电路的设计
图4-1是门禁系统的输入电路框图,由键盘扫描电路、去抖电路、键盘译码电路、按键数据缓存器,加上外接一个3*4矩阵式键盘组成。
图4-1门禁系统的输入电路框图
4.1.1矩阵式键盘的工作原理
矩阵式键盘是一种常见的出入装置,在日常的生活中,矩阵式键盘在计算机、电话、手机、微波炉等各式电子产品上已经被广泛应用。
图4-2是一个3*4矩阵式键盘的面板配置图,其中数字0-9作为密码数字输入按键,*作为“上锁”功能按键,#作为“接触密码”功能按键。
图4-23*4矩阵式键盘的面板配置
键盘上的每一个按键其实就是一个开关电路,当某键被按下去时,该按键的接点会呈现0的状态,反之,未被按下时则呈现逻辑1的状态。
扫描信号由KY3-KY0进入键盘,变化的顺序依次为。
每一次扫描一排,依次地周而复始。
例如现在的扫描信号为1011,代表目前正在扫描7、8、9这一排的按键,如果这排当中没有按键被按下的话,则由KX2-KX0读出的值为111;
反之当7这个按键被按下的话,则由KX2-KX0读出的值为011。
根据上面所述原理,我们可得到各按键的位置与数码关系如表4-1所示。
表4-1按键位置与数码关系
KY3-KY0
1110
1101
1011
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