【案(àn)例】電(diàn)子密碼鎖設計(jì)（altera版）

 一(yī)、項目背景概述

随着生(shēng)活質(zhì)量(liàng)的(de)不(bù)斷提(tí)高(gāo)，加強(qiáng)家(jiā)庭防盜安(ān)全(quán)變(biàn)得非(fēi)常重(zhòng)要(yào)，但傳統機(jī)械鎖的(de)構造过(guò)于(yú)簡單，很容易被(bèi)打(dǎ)開(kāi)，從而(ér)降低了(le)安(ān)全(quán)性(xìng)。數字(zì)密碼鎖因(yīn)为(wèi)它(tā)的(de)保密性(xìng)很高(gāo)，安(ān)全(quán)系(xì)數也(yě)非(fēi)常高(gāo)，再加上(shàng)其不(bù)需要(yào)攜带(dài)避免了(le)丢失的(de)可(kě)能(néng)，省(shěng)去(qù)了(le)因(yīn)鑰匙丢失而(ér)需要(yào)換鎖的(de)麻(má)煩，受到(dào)了(le)越来(lái)越多(duō)的(de)人(rén)的(de)欢迎。随看(kàn)人(rén)们(men)对(duì)高(gāo)科技産品也(yě)越来(lái)越推崇，在(zài)當今社会(huì)科技的(de)高(gāo)度(dù)集中(zhōng)和(hé)創新，人(rén)们(men)对(duì)日(rì)常生(shēng)活中(zhōng)保護自(zì)身(shēn)及(jí)财産安(ān)全(quán)的(de)物(wù)品非(fēi)常追捧，对(duì)其安(ān)全(quán)性(xìng)的(de)要(yào)求也(yě)非(fēi)常的(de)高(gāo)。

为(wèi)了(le)达(dá)到(dào)人(rén)们(men)对(duì)鎖具安(ān)全(quán)性(xìng)的(de)高(gāo)要(yào)求，加強(qiáng)鎖具的(de)安(ān)全(quán)保密性(xìng)，用(yòng)密碼鎖来(lái)取(qǔ)代(dài)傳統機(jī)械鎖的(de)鎖具是(shì)必然趨勢。數字(zì)密碼鎖比傳統機(jī)械鎖具更(gèng)加的(de)安(ān)全(quán) 。

在(zài)本(běn)案(àn)例的(de)設計(jì)过(guò)程中(zhōng)，應(yìng)用(yòng)了(le)至(zhì)簡設計(jì)法、狀态機(jī)模板應(yìng)用(yòng)等，在(zài)經(jīng)过(guò)逐步改進(jìn)、調試等一(yī)系(xì)列工作之後(hòu)，最(zuì)終(zhōng)达(dá)到(dào)了(le)設計(jì)目标(biāo)。

基于(yú)明(míng)德揚至(zhì)簡設計(jì)法和(hé)明(míng)德揚設計(jì)規範，設計(jì)一(yī)个(gè)基于(yú)FPGA的(de)密碼鎖、并将數值顯示在(zài)數碼管(guǎn)上(shàng)，然後(hòu)根(gēn)據(jù)輸入(rù)的(de)鍵值判斷密碼是(shì)否正(zhèng)确。

二(èr)、項目設計(jì)要(yào)求

1、通(tòng)过(guò)矩阵(zhèn)鍵盤采樣(yàng)輸入(rù)密碼；

2、數碼管(guǎn)顯示輸入(rù)的(de)密碼

3、密碼正(zhèng)确，指示燈(dēng)給(gěi)出(chū)指示，不(bù)正(zhèng)确蜂鳴器給(gěi)出(chū)報警

三(sān)、頂层接收(shōu)設計(jì)

根(gēn)據(jù)所(suǒ)有(yǒu)的(de)功能(néng)要(yào)求，我(wǒ)们(men)先(xiān)对(duì)其進(jìn)行結構劃(huà)分(fēn)如(rú)下(xià)：

Key_in：開(kāi)始模块(kuài)

Key_scan :按鍵掃描模块(kuài)

Code_detect:密碼比較模块(kuài)

Control:控制信(xìn)号(hào)模块(kuài)

Dis_play:數碼管(guǎn)顯示模块(kuài)

如(rú)果(guǒ)按鍵不(bù)多(duō)的(de)話(huà)，我(wǒ)们(men)可(kě)以(yǐ)直(zhí)接按鍵與(yǔ)FPGA相連(lián)接，但是(shì)如(rú)果(guǒ)按鍵比較多(duō)的(de)时(shí)候，如(rú)何還(huán)繼續使用(yòng)直(zhí)接按鍵與(yǔ)FPGA相連(lián)接的(de)話(huà)，所(suǒ)会(huì)大量(liàng)增加FPGA端口(kǒu)的(de)消耗，为(wèi)了(le)減少(shǎo)FPGA端口(kǒu)的(de)消耗，我(wǒ)们(men)可(kě)以(yǐ)把按鍵設計(jì)成(chéng)矩阵(zhèn)的(de)形式，就(jiù)如(rú)下(xià)图(tú)所(suǒ)示：

由(yóu)上(shàng)图(tú)可(kě)以(yǐ)知道(dào)，矩阵(zhèn)鍵盤的(de)行row（行）與(yǔ)col（列）的(de)交點(diǎn)，都是(shì)通(tòng)过(guò)一(yī)个(gè)按鍵来(lái)相連(lián)接。傳統的(de)一(yī)个(gè)按鍵一(yī)个(gè)端口(kǒu)的(de)方(fāng)法，若要(yào)实現(xiàn)16个(gè)按鍵，則需要(yào)16个(gè)端口(kǒu)，而(ér)現(xiàn)在(zài)这(zhè)个(gè)矩阵(zhèn)鍵盤的(de)設計(jì)，16个(gè)按鍵，僅僅需要(yào)8个(gè)端口(kǒu)，如(rú)果(guǒ)使用(yòng)16个(gè)端口(kǒu)来(lái)做矩阵(zhèn)鍵盤的(de)話(huà)，可(kě)以(yǐ)識别64个(gè)按鍵，端口(kǒu)的(de)利用(yòng)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)比傳統的(de)設計(jì)好(hǎo)的(de)多(duō)，所(suǒ)以(yǐ)如(rú)果(guǒ)需要(yào)的(de)按鍵少(shǎo)的(de)話(huà)，可(kě)以(yǐ)選擇傳統的(de)按鍵設計(jì)，如(rú)果(guǒ)需要(yào)的(de)按鍵比較多(duō)的(de)話(huà)，可(kě)以(yǐ)采用(yòng)这(zhè)種(zhǒng)矩阵(zhèn)鍵盤的(de)設計(jì)。

而(ér)我(wǒ)们(men)現(xiàn)在(zài)就(jiù)以(yǐ)掃描法为(wèi)例来(lái)介紹矩阵(zhèn)鍵盤的(de)工作原理。

在(zài)進(jìn)行鍵盤掃描时(shí)，應(yìng)內(nèi)部(bù)对(duì)信(xìn)号(hào)進(jìn)行按鍵消抖处理。

詳细(xì)內(nèi)容可(kě)以(yǐ)參考明(míng)德揚另(lìng)一(yī)篇(piān)文(wén)章(zhāng)：矩阵(zhèn)鍵盤的(de)檢测。

密碼比較模块(kuài)：Code_detect

每次(cì)輸入(rù)4位數的(de)密碼，所(suǒ)以(yǐ)每次(cì)按下(xià)一(yī)次(cì)，就(jiù)将这(zhè)词的(de)鍵值先(xiān)存到(dào)寄存器中(zhōng)。

所(suǒ)以(yǐ)这(zhè)里(lǐ)需要(yào)一(yī)个(gè)計(jì)數器，来(lái)計(jì)算是(shì)第(dì)幾(jǐ)次(cì)按下(xià)的(de)操作

在(zài)使用(yòng)一(yī)个(gè)时(shí)序邏輯，将上(shàng)个(gè)模块(kuài)的(de)鍵值存儲到(dào)寄存器。

控制模块(kuài)：control

这(zhè)个(gè)模块(kuài)要(yào)操作的(de)信(xìn)号(hào)較多(duō)，并且每種(zhǒng)情(qíng)況下(xià)，各(gè)个(gè)指示燈(dēng)的(de)情(qíng)況也(yě)不(bù)一(yī)樣(yàng)，为(wèi)了(le)設計(jì)的(de)簡單，我(wǒ)们(men)在(zài)这(zhè)采用(yòng)一(yī)个(gè)狀态機(jī)設計(jì)，每个(gè)狀态下(xià)規定(dìng)不(bù)同(tóng)的(de)操作就(jiù)行了(le)。

狀态機(jī)的(de)設計(jì)主(zhǔ)要(yào)要(yào)有(yǒu)3个(gè)狀态，主(zhǔ)要(yào)是(shì)有(yǒu)空閑狀态，正(zhèng)确狀态，錯誤狀态，狀态轉(zhuǎn)移图(tú)如(rú)下(xià)所(suǒ)示：

空閑狀态：等待檢测

正(zhèng)确狀态：right_led亮(liàng)

錯誤狀态：error_led亮(liàng)，并且BEEP叫1s;

根(gēn)據(jù)MDY的(de)模板設計(jì)出(chū)4段(duàn)狀态機(jī)：

根(gēn)據(jù)模板我(wǒ)们(men)只(zhī)需要(yào)修改很少(shǎo)的(de)部(bù)分(fēn)就(jiù)可(kě)以(yǐ)，

1根(gēn)據(jù)自(zì)己的(de)狀态图(tú)，修改所(suǒ)需要(yào)的(de)狀态轉(zhuǎn)移条(tiáo)件(jiàn)

2修改狀态發(fà)生(shēng)變(biàn)化(huà)的(de)条(tiáo)件(jiàn)

3修改最(zuì)後(hòu)的(de)輸出(chū)信(xìn)号(hào)

本(běn)次(cì)需要(yào)注意(yì)的(de)是(shì)89行中(zhōng)的(de)时(shí)鐘(zhōng)条(tiáo)件(jiàn)被(bèi)修改了(le)，原因(yīn)是(shì)，这(zhè)幾(jǐ)个(gè)狀态中(zhōng)的(de)燈(dēng)亮(liàng)或(huò)者(zhě)蜂鳴器發(fà)出(chū)響聲会(huì)持(chí)續一(yī)段(duàn)时(shí)間(jiān)，狀态改變(biàn)要(yào)等到(dào)每次(cì)小的(de)狀态結束(shù)，或(huò)者(zhě)接收(shōu)到(dào)新的(de)上(shàng)有(yǒu)信(xìn)号(hào)。

數碼管(guǎn)顯示模块(kuài)：dis_play

數碼管(guǎn)動(dòng)态顯示接口(kǒu)是(shì)應(yìng)用(yòng)最(zuì)为(wèi)廣泛的(de)一(yī)種(zhǒng)顯示方(fāng)式之一(yī)，動(dòng)态驅動(dòng)是(shì)将所(suǒ)有(yǒu)數碼管(guǎn)的(de) 8 个(gè)顯示笔(bǐ)劃(huà)"a,b,c,d,e,f,g,dp"的(de)同(tóng)名端連(lián)在(zài)一(yī)起，另(lìng)外(wài)为(wèi)每个(gè)數碼管(guǎn)的(de)公共(gòng)极(jí) COM 增加位選通(tòng)控制電(diàn)路(lù)，位選通(tòng)由(yóu)各(gè)自(zì)独立的(de) I/O 線(xiàn)控制，當要(yào)輸出(chū)字(zì)形碼时(shí)，所(suǒ)有(yǒu)數碼管(guǎn)都接收(shōu)相同(tóng)的(de)字(zì)形碼，但究竟是(shì)哪个(gè)數碼管(guǎn)会(huì)顯示出(chū)字(zì)形，取(qǔ)決于(yú)單片(piàn)機(jī)对(duì)位選通(tòng) COM 端電(diàn)路(lù)的(de)控制，所(suǒ)以(yǐ)我(wǒ)们(men)只(zhī)要(yào)将需要(yào)顯示的(de)數碼管(guǎn)的(de)選通(tòng)控制打(dǎ)開(kāi)，該位就(jiù)顯示出(chū)字(zì)形，沒(méi)有(yǒu)選通(tòng)的(de)數碼管(guǎn)就(jiù)不(bù)会(huì)亮(liàng)。

通(tòng)过(guò)分(fēn)时(shí)轮流控制各(gè)个(gè)數碼管(guǎn)的(de)的(de) COM 端，就(jiù)使各(gè)个(gè)數碼管(guǎn)轮流受控顯示，这(zhè)就(jiù)是(shì)動(dòng)态驅動(dòng)。在(zài)轮流顯示过(guò)程中(zhōng)，每位數碼管(guǎn)的(de)點(diǎn)亮(liàng)时(shí)間(jiān)为(wèi) 1～2ms，由(yóu)于(yú)人(rén)的(de)視覺暫留現(xiàn)象(xiàng)及(jí)發(fà)光(guāng)二(èr)极(jí)管(guǎn)的(de)餘輝效應(yìng)，盡管(guǎn)实際上(shàng)各(gè)位數碼管(guǎn)并非(fēi)同(tóng)时(shí)點(diǎn)亮(liàng)，但只(zhī)要(yào)掃描的(de)速度(dù)足够快(kuài)，給(gěi)人(rén)的(de)印(yìn)象(xiàng)就(jiù)是(shì)一(yī)組稳定(dìng)的(de)顯示數據(jù)，不(bù)会(huì)有(yǒu)閃爍感(gǎn)，動(dòng)态顯示的(de)效果(guǒ)和(hé)静(jìng)态顯示是(shì)一(yī)樣(yàng)的(de)，能(néng)够节(jié)省(shěng)大量(liàng)的(de) I/O 端口(kǒu)，而(ér)且功耗更(gèng)低。

動(dòng)态掃描是(shì)利用(yòng)人(rén)眼(yǎn)視覺滞留的(de)特(tè)點(diǎn)，點(diǎn)亮(liàng)某一(yī)位後(hòu)，在(zài)人(rén)眼(yǎn)反(fǎn)應(yìng)之前(qián)，進(jìn)行下(xià)一(yī)位的(de)顯示，故而(ér)出(chū)現(xiàn)重(zhòng)影現(xiàn)象(xiàng)。而(ér)人(rén)的(de)視覺暫留时(shí)間(jiān)大約在(zài)1/24秒(miǎo)左(zuǒ)右(yòu)，所(suǒ)以(yǐ)應(yìng)該保持(chí)24幀以(yǐ)上(shàng)才会(huì)保持(chí)連(lián)續而(ér)不(bù)会(huì)出(chū)現(xiàn)閃爍，通(tòng)俗来(lái)講，應(yìng)該在(zài)一(yī)秒(miǎo)內(nèi)至(zhì)少(shǎo)掃描多(duō)次(cì)。也(yě)就(jiù)是(shì)每次(cì)掃描时(shí)間(jiān)至(zhì)少(shǎo)小于(yú)40ms 。

相關(guān)代(dài)碼可(kě)參考之前(qián)設計(jì)：“數字(zì)秒(miǎo)表(biǎo)”一(yī)文(wén)中(zhōng)。

四(sì)、实验(yàn)總(zǒng)結：

事(shì)先(xiān)在(zài)程序中(zhōng)設置內(nèi)置密碼为(wèi)1111，當下(xià)载完成(chéng)後(hòu)輸入(rù)4591，按下(xià)确認鍵之後(hòu)，發(fà)現(xiàn)正(zhèng)确的(de)燈(dēng)不(bù)變(biàn)化(huà)，蜂鳴器会(huì)響持(chí)續1s，重(zhòng)新輸入(rù)1111後(hòu)，正(zhèng)确的(de)燈(dēng)会(huì)先(xiān)滅然後(hòu)恢複，蜂鳴器也(yě)不(bù)發(fà)聲，说(shuō)明(míng)設計(jì)正(zhèng)确。