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1、课程设计报告题 目： 基于 FPGA 的数字密码锁设计 学生姓名： 汪金涛 学生学号： 1114020232 系 别： 电气信息工程学院 专 业： 电子信息工程 届 别： 2015 届 指导教师： 李 营 电气信息工程学院制2014 年 5 月成绩目 录1 课程设计的任务与要求 .11.1 课程设计的任务 .11.2 课程设计的要求 .12 电子密码锁简介 .12.1 国内外发展和现状 .12.2 课题研究目的和意义 .23 设计方案的制定 .23.1 设计思路 .23.2 总体方案设计 .43.2.1 密码锁输入电路设计 .43.2.2 矩阵式键盘工作原理 .43.2.3 密码锁输入电路主要
2、功能模块设计 .53.2.4 密码锁控制电路设计 .73.2.5 密码锁显示电路设计 .93.2.6 Quartus 软件引脚配置 .94 系统时序仿真结果 .105 总结与体会 .115.1 总结 .115.2 体会 .126 参考文献 .12附录 .13第 1 页基于 FPGA 的数字密码锁设计学生：汪金涛指导教师：李营电气信息工程学院电子信息工程专业1 课程设计的任务与要求1.1 课程设计的任务通用的电子密码锁主要由三个部分组成：数字密码输入电路、密码锁控制电路和密码锁显示电路。（1）密码锁输入电路包括时序产生电路、键盘扫描电路、键盘弹跳消除电路、键盘译码电路等几个小的功能电路。（2）密
3、码锁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）密码显示电路主要将显示数据的 BCD 码转换成相对应的编码。如，若选用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。1.2 课程设计的要求设计一个具有较高安全性和较低成本的通用电子密码锁，具体功能要求如下：（1）数码输入：每按下一个数字键，就输入一个数值，并在显示器上的显示出该数值，同时将先前输入的数据依序左移一个数字位置。（2）数码清除：按下此键可清除前面所有的输入值，清除
4、为“0000” 。（3）密码更改：按下此键时会将目前的数字设定成新的密码。（4）激活电锁：按下此键可将密码锁上锁。（5）解除电锁：按下此键会检查输入的密码是否正确，密码正确即开锁。2 电子密码锁简介2.1 国内外发展和现状随着人们生活水平的提高和安全意识的加强，对安全的要求也就越来越高。锁自古以来就是把守护门的铁将军，人们对它要求甚高，既要安全可靠的防盗，又要使用方便，这也是制锁者长期以来研制的主题。随着电子技术的发展，各类电子产品应运而生，电子密码锁就是其中之一。据有关资料介绍，电子密码锁的研究从 20世纪 30 年代就开始了，在一些特殊场所早就有所应用。这种锁是通过键盘输入一组密码完成开锁
5、过程。研究这种锁的初衷，就是为提高锁的安全性。由于电子锁的密钥量（密码量）极大，可以与机械锁配合使用，并且可以避免因钥匙被仿制而留下 淮南师范学院电气信息工程学院 2015 届电子信息工程专业课程设计报告 第 2 页 安全隐患。电子锁只需记住一组密码，无需携带金属钥匙，免除了人们携带金属钥匙的烦恼，而被越来越多的人所欣赏。电子锁的种类繁多，例如数码锁，指纹锁，磁卡锁，IC 卡锁，生物锁等。但较实用的还是按键式电子密码锁。目前，在西方发达国家，电子密码锁技术相对先进，种类齐全，电子密码锁已被广泛应用于智能门禁系统中，通过多种更加安全，更加可靠的技术实现大门的管理。在我国电子锁整体水平尚处于国际上
6、 70 年代左右，电子密码锁的成本还很高，市场上仍以按键电子锁为主，按键式和卡片钥匙式电子锁已引进国际先进水平，现国内有几个厂生产供应市场。但国内自行研制开发的电子锁，其市场结构尚未形成，应用还不广泛。希望通过不断的努力，使电子密码锁在我国也能得到广泛应用。目前使用的电子密码锁大部分是基于单片机技术，以单片机为主要器件，其编码器与解码器的生成为软件方式。在实际应用中，由于程序容易跑飞，系统的可靠性能较差。基于现场可编程逻辑门阵列 FPGA 器件的电子密码锁，用 FPGA 器件构造系统，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。由于FPGA 具有现场可编程功能，当设计需要更改时
7、，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。2.2 课题研究目的和意义随着人们生活水平的提高，对家庭防盗技术的要求也是越来越高，传统的机械锁由于其构造的简单，被撬的事件屡见不鲜，电子锁由于其保密性高，使用灵活性好，安全系数高，受到了广大用户的欢迎。FPGA 即现场可编程门阵列，它是在 PAL、GAL、EPLD 等可编程器件的基础上进一步发展的产物，是一种超大规模集成电路，具有对电路可重配置能力。相对于基于单片机技术的电子密码锁，用 FPGA 器件来构成系统，可靠性提高，并且由于 FPGA 具有
8、的现场可编程功能，使得电子密码锁的更改与升级更为方便简单。通过本次设计掌握 FPGA 系统设计的方法，熟悉 FPGA 设计的相关软件，以及硬件描述语言的使用，了解电子密码锁的系统构成，利用 FPGA 实现电子密码锁的设计与实现，可以加深自己对所学专业的认识，关联知识，增强自己的动手能力，积累实践经验，为以后的工作打好基础。3 设计方案的制定3.1 设计思路作为通用数字密码锁，主要有三部分组成：数字密码输入电路、密码控制电路和密码显示电路。控制器模块是整个系统的控制核心,负责接收其它模块传来的输入信号,再根据系统的功能产生相应的控制信号送到相关的模块。消抖同步电路用来消去开关电平抖动现象并提供同
9、步信号；编码器接收消抖同步电路传来的数字密码信号后编码输出 淮南师范学院电气信息工程学院 2015 届电子信息工程专业课程设计报告 第 3 页 给比较器和 RAM,并提供一个数字输入信号。作为数字密码锁的输入电路，可供选择的方案有数字机械式键盘和键触式数字键盘等多种。虽然机械式键盘存在一些诸如机械的弹跳消除问题和机械部分的接触问题，但是和接触式 3x4 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，因此是比较合适的。根据以上选定的输入设备和显示器件，并考虑到实现的具体要求，整个数字密码锁系统的总体框图如图 1 所示。密码输入电路包括时序产生电路、键盘扫描电路、键盘弹跳消除电路、键盘译码
