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1、实验十二 数码锁一 实验目的1 了解数码锁的工作原理。2 了解数码锁的实现方法。3 进一步掌握 44 键盘或 PS/2 键盘接口电路设计方法。4 掌握状态机设计复杂控制电路的基本方法。二 硬件需求1EDA/SOPC 实验箱一台。三 实验原理数码锁又称密码锁，它只需要主人记住自己的开锁密码，开门时只需要将密码输入，就可以开门，所以密码锁的核心问题就是密码的比对问题。假如密码锁有六位，那么在系统复位后，用户按键 6 次，输入一个完整的密码串，输入完 6 次后，系统进行比对，如果发现密码吻合，则开门，否则要求用户继续输入，如果连续 3 次输入的密码串都是错误的，则系统报警。实验中还要用到 44 键盘
2、，在实验三 常用模块电路的设计中已经讲述，可以直接使用已做好的模块。密码输入也可以使用 PS/2 接口键盘，这样可以输入更多的字符。四 实验内容本实验需要完成的任务就是一个密码锁，考虑到系统中有键盘扫描、七段码管显示和报警，系统时钟选择时钟模块的 10KHz 时钟。键盘扫描和显示均是用 10KHz。输入密码时，七段码管从右至左显示按键对应的数值，每按键(09)一次，显示左移一次，6 次密码输入结束后系统开始校验，校验结束后，七段码管全灭。也就是显示部分维持的时间就是按键 6 次的时间和校验的时间。密码输入连续三次错误开始报警，报警声要求为高声2.5KHz，低声 1.25KHz 交替报警，交替周
3、期为 1s（1Hz 时钟，需要对系统时钟进行 10K 分频） 。实验中要求用 LED 模块的 LED1_1 指示键盘状态，如果有按键按下，LED1_1 亮起，直到松开该按键；用 LED2_1 指示门的状态，也就是密码校验结果，如果密码校验正确，LED2_1 亮起，否则如果密码校验错误 LED2_1 闪烁 4 次，然后熄灭，表明密码错误。系统的复位用主芯片模块的复位键，复位时，七段码管全部熄灭。五 实验步骤完成数码锁的实验步骤如下：1首先打开 Quartus II 软件，新建一个工程，并新建一个 VHDL File。2按照自己的想法，编写 VHDL 程序。3对自己编写的 VHDL 程序进行编译并
4、仿真。4仿真无误后，根据附录一的引脚对照表，对实验中用到时钟、七段码显示、44键盘、扬声器、按键以及 LED 对应的 FPGA 引脚进行管脚绑定，然后再重新编译一次。5用下载电缆通过 JTAG 接口将对应的 sof 文件下载到 FPGA 中。6测试数码锁的工作是否满足实验要求。注意:此实验需管脚复用图 12.4 整个设计的原始 VHDL 源码：要求在读懂源码基础上，按图 12.1 改写各模块：密码位数 08 位，用开关“#”作为输入密码开始和结束符，如要输入密码 “1234567”则输入“#1234567#” ，第二个“#”号输入即开始比较密码。可以定义 8 个信号save1、 save2sa
5、ve8 来存储预置的密码。用 “*”号作为设置密码的开始和结束符，即要设置密码为“1234”则输入“*1234*”,第二个“*”号输入即将密码存入 save1save8 中。为便于表示特殊符号（字母、 “-”号、消隐、密码中空余位 ） ，将 BCD 码扩展一位为5 位。 实验设计的各模块图：图 12.1 数字密码锁模块图其中， “Read_Keyboard”，与实验三中的 44 键盘模块一致。“CHECK”模块功能是读取输入的键值并依次送入 buff1buff8，以提供显示（从左到右顺序），并存储密码值（“*”号作为开始和结束符）或与 save1save8 存储的密码相比较（“#”号作为开始和
6、结束符） ，校验密码的情况通过 open_Door、Error_Flag 和 Error_3 输出，以提供彩灯和喇叭控制：Key：键盘输入，输入控制符（*、#等）或数字。open_Door：开门信号，密码校验通过时为“1”（持续 5 秒）Error_Flag：出错标志，密码校验错误时为“1”（持续 4 秒）Error_3：三次出错标志，三次密码校验错误时一直为 “1”， “Reset”为低才能使其恢复为“0”buff1buff8：8 位密码输入，未输入的位用大于 “10000”的特殊符号表示。“manage”模块功能是根据开门或错误标志控制彩灯和喇叭。SPK：扬声器输出，当三次错误后，按 1H
7、z 频率交替用高声 2.5KHz，低声 1.25KHz报警。Lamp3.0：彩灯输出，出错时一个灯按 1Hz 频率闪烁 3 秒，3 次错误时 4 个灯按1Hz 频率持续闪烁，开门时 4 个灯长亮（持续 5 秒） 。“sel_time”模块功能是数码管动态扫描，并从选择对应的 buff 位按顺序输出到译码器译码显示。“deled”模块功能是 BCD 译码输出。“CHECK”模块设计方法：要求用状态机改写。状态机可以清晰的描述控制过程，如图 12.2 所示。图 12.2 密码设置及检查“CHECK”模块状态转换图用下面所示代码读取按键值，可以保证每按一次键，读取的键值（用 current_key
8、保存）持续一个时钟周期，而其他时间 current_key=“11111”（表示没有按键按下） 。用“current_key”代替状态图中的“key”避免重复读入键值。各个状态要检查的输入、转换条件、输出值分析如下：S0：初始态，复位(Reset=0)或其它未知状态均转入本状态。输入：检查键盘输入。状态转换：当键盘输入“#”号，转到 S1（校验密码） ；当键盘输入“*”号，转到S6（修改密码） 。输出：buff(n)= “11111”（消隐） 。其它：状态转入 S1、S6 时，应将 buff1buff8 置为“10001” （输入提示符“-” ） 。S1：输入密码。输入：检查键盘输入。状态转换
9、：当键盘输入“#”号，转到 S2（输入完成，校验密码） ；当键盘输入“D”号，转到 S0（取消输入） 。输出：如果键盘输入“09”的数字，则 buff(n-1)= buff(n)（左移一位） ，buff82 时转入 S5Error_Num=49999 时转入 S0（开门状态持续 5 秒） 。输出：open_Door=1 ；Count= Count+1；buff1buff8 显示 “OPEndOOR”（选做，在译码器中应添加相应编码用于显示对应字母） 。其它： S4：密码错误。输入：Count 。状态转换：Count=29999 时转入 S0（错误状态持续 3 秒） 。输出：Error_Flag
10、=1 ；Count= Count+1；buff1buff8 显示 “RRROR-错误次数 ”（选做，在译码器中应添加相应编码用于显示对应字母） 。其它： S5：密码错误超过 3 次。输入： 状态转换：死循环，无法转入其它状态（只有通过复位(Reset=0)才能转入 S0） 。输出：Error3 =1；buff1buff8 显示“-LOCKED-” （选做，在译码器中应添加相应编码用于显示对应字母） 。其它： S6：修改密码。输入：检查键盘输入。状态转换：当键盘输入“*”号，则保存密码然后转到 S0；当键盘输入“D”号，转到S0（取消输入） 。输出：如果键盘输入“09”的数字，则 buff(n-
11、1)= buff(n)（左移一位） ，buff8=key ；当输入了 8 个数字后，只接收“*”号和“D ”键。其它： 图 12.3 为“CHECK”模块的 VHDL 代码（去掉了部分实现代码“”部分） ，请按照前面的设计思路补充完整。图 12.3 “CHECK”模块的部分 VHDL 代码图 12.4 整个设计的原始 VHDL 代码六、实验报告要求1详细论述源码中实现各功能的设计方法。2总结用状态机设计控制电路的要点。3. 66 键盘有几种按键状态（不包括组合键） ，应该定义多少编码来表示？如果包含所有组合键，则用于表示按键状态的编码至少应定义为几位？4. 如果用“#” 键作为功能键（类似 PC 键盘上的Ctrl键） ，如何输入“#+C”（类似于“Ctrl+C”）这种组合功能键？（只说思路，不用给出具体实现）5. 实验的心得体会。
