VHDL专题--电子密码锁的设计

VHDL 专题--------电子密码锁一、设计要求：设计一个简单的数字电子密码锁，密码为4位。

功能：1、 密码输入：每按下一个键，要求在数码管上显示，并依次左移；2、 密码清除：清除密码输入，并将输入置为”0000”；3、 密码修改：将当前输入设为新的密码；4、 上锁和开锁。

二、 电路组成：为达到以上功能，可将电子密码锁分为以下几个模块： 1、键盘接口电路： 键盘矩阵、键盘扫描、键盘消抖、键盘译码及按键存储。

2、电锁控制电路： 数字按键输入、存储及清除。

功能按键的设计。

密码清除、修改与存储。

电锁的激活与解除。

3、输出显示电路BCD 译码、动态扫描电路。

三、功能电路的设计：1、键盘接口电路：矩阵式键盘工作原理： 矩阵式键盘是一种常见的输入装置，在计算机、电话、手机、微波炉等各工电子产品中被广泛应用。

如图所示为一3×4矩阵式键盘。

矩阵式键盘以行、列形式排列，图中为4行3列，键盘上的每一个按键盘其实是一个开关电路，当某键被按下时，该按键所对应的位置就呈现逻辑0的状态，键盘的扫描可以以行扫或列扫方式进行，图中为行扫方式，KEYR3—KEYR0为扫描信号，其中的某一位为0即扫描其中的一行，具体见表1-1. 键盘扫描信号KEYR3与第一行相连，KEYR2与第二行相连，依此类推。

很显然，扫描信号的变化顺序为：0111、1011、1101、1110，周而复始。

在扫描的过程中，当有键按下时，对应的键位就为逻辑0状态，从而从KEYC2..0读出的键值相应列为0.具体情况如表1-2所示： 若从KEYC2..0读出的值全为1时，表示没有键被按下，则不进行按键的处理。

如果的键被按下，则将KEYC2..0读出的送至键盘译码电路进行译码。

表1-2 键盘扫描与其对应的键值的关系时序产生电路： 在一个系统的设计中，往往需要多种时钟信号，最为方便的方法是利用一个自由计数器来产生各种需要的频率。

本电路需要：系统主时钟、消抖取样时钟和动态扫描时钟。

Ø 时序产生电路举例：有如下VHDL 程序，请分析其输出结果： LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; USE IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL ; USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL ;ENTITY free_counter IS PORT ( CLK : IN STD_LOGIC ;CLK_A : OUT STD_LOGIC ; CLK_B : OUT STD_LOGIC_VECTOR(1 DOWNTO 0) ) ;END free_counter ;ARCHITECTURE a OF free_counter ISSIGNAL Q : STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0); BEGINPROCESS (CLK) BEGIN IF CLK'EVENT AND CLK = '1' THEN Q <= Q + 1; END IF;END PROCESS;KEYR3..0 KEYC2..0 对应的按键011 1 101 2 0111110 3 0114 1015 10111106011 7 101 8 1101 110 9 011 0101 ＊1110 110 ＃CLK_A <= Q(1) ;CLK_B <= Q(4 DOWNTO 3) ;END a ;分析：首选信号Q建立一个9位自由计数器，对输入主时钟进行降频处理；使用CLK_A<=Q(1)语句，取得一个脉冲波形，对主时钟进行2分频，其值为0、1、0、1。

；使用CLK_B<=Q(4 DOWNTO 3)语句，取得一脉冲序列，依次为00、01、10、11、00.。

；Ø键盘扫描电路：目标：提供键盘扫描信号，即表1-1中的KEYR3..0，变化顺序依次为0111、1011、1101、1110.。

依次重复出现。

程序清单：LIBRARY ieee;USE ieee.std_logic_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL ;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL ;ENTITY scan ISPORT (CLK : IN STD_LOGIC ;CLK_SCAN : OUT STD_LOGIC_VECTOR (3 downto 0));END scan ;ARCHITECTURE a OF scan ISSignal S : STD_LOGIC_VECTOR(1 DOWNTO 0);SIGNAL Q: STD_LOGIC_VECTOE(3 DOWNTO 0);BeginPROCESS (Clk)BeginIF CLK'Event AND CLK='1' thenQ <= Q+1;S :=Q(3 DOWNTO 2);END IF;END PROCESS;---排错！SCAN_OUT<= "1110" WHEN S=0 ELSE"1101" WHEN S=1 ELSE"1011" WHEN S=2 ELSE"0111" WHEN S=3 ELSE"1111";END a ;说明：程序中，S信号是用来产生扫描信号的四个状态，Q是为了对输入主时钟进行降频处理。

Ø键盘消抖电路：因为按键大多是机械式开关，在开关切换的瞬间会在接解点出现来回弹跳的现象，其现象可用图1-2表示：由图可见，虽然只是按了一次键，实际产生的按键信号却不只跳动一次，经过取样信号的检查后，将会造成误码判，认为是按了两次键。

如果调整取样频率，可以发现抖现象得到了改善。

按键信号取样信号取样结果调整取样频率后的情况如下:Ø程序清单：LIBRARY ieee;USE ieee.std_logic_1164.ALL;LIBRARY altera;USE altera.maxplus2.ALL;ENTITY debouncing ISPORT(d_in, clk : IN STD_LOGIC;dd1, dd0, qq1, qq0 : OUT STD_LOGIC ;d_out,d_out1 : OUT STD_LOGIC);END debouncing ;ARCHITECTURE a OF debouncing ISsignal vcc, inv_d : std_logic ;signal q0, q1 : std_logic ;signal d1, d0 : std_logic ;BEGINvcc <= '1' ;inv_d <= not d_in ;dff1 : dff PORT MAP (d =>vcc , q => q0 , clk => clk, clrn => inv_d , prn => vcc);dff2 : dff PORT MAP (d =>vcc , q => q1, clk => clk, clrn => q0 , prn => vcc);process (clk) begin if clk'event and clk='1' then d0 <= not q1; d1 <= d0; end if ; end process ;dd0 <= d0; dd1 <= d1; qq1 <= q1; qq0 <= q0; d_out <= not (d1 and not d0);d_out1 <= not q1 ;END a;Ø 键盘译码电路从前面所述的键盘扫描电路的输出可以看出，扫描得到的信号规律性不强，例如数字键主要用来输入数字，但键盘扫描输出无法拿来直接使用，必须对其进行译码才能使用。

如表所示，只要使用case …when 或when … else 语句，便可完成设计。

键盘译码程序清单：LIBRARY ieee;USEieee.std_logic_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL ; USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL ;--****************************************************** ENTITY KEYBOARD_DEC1 IS PORT ( clk : IN STD_LOGIC ; CLK_KEYBOARD : IN STD_LOGIC_VECTOR (1 downto 0);C: IN STD_LOGIC_VECTOR (2 downto 0); --key code after debounceKEYR3..0KEYC2..0 对应的按键译码输出 功能 011 1 0001 数码输入 101 2 0010 数码输入 0111110 3 0011 数码输入 0114 0100 数码输入 1015 0101 数码输入 1011110 6 0110 数码输入 0117 0111 数码输入 101 8 1000 数码输入 1101110 9 1001 数码输入 0110 0100 激活电锁 101 ＊ 0000 数码输入1110110＃0001out_numb : OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0); -- for numb. keyout_func : OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0); -- for func. keyflag_numb : OUT STD_LOGIC ; --flag for numb. keyflag_func : OUT STD_LOGIC --flag for func. key );END KEYBOARD_DEC1 ;--******************************************************ARCHITECTURE a OF KEYBOARD_DEC1 ISsignal FF : std_logic ; --FLAG OF FUNC.signal FN : std_logic ; --FLAG OF NUMB.signal Z : std_logic_VECTOR(4 downto 0) ; --SCAN CODEsignal F : std_logic_VECTOR(3 downto 0) ; --FOR FUNC. CODEsignal N : std_logic_VECTOR(3 downto 0) ; --FOR NUMB. CODEBEGINPROCESS(clk)beginZ <= CLK_KEYBOARD & C ;IF CLK'EVENT AND CLK = '1' THENcase Z iswhen "11101" => N <= "0000" ;--0when "00011" => N <= "0001" ;--1when "00101" => N <= "0010" ;--2when "00110" => N <= "0011" ;--3when "01011" => N <= "0100" ;--4when "01101" => N <= "0101" ;--5when "01110" => N <= "0110" ;--6when "10011" => N <= "0111" ;--7when "10101" => N <= "1000" ;--8when "10110" => N <= "1001" ;--9when others => N <= "1111" ;end case ;END IF ;--****************************IF CLK'EVENT AND CLK = '1' THENcase Z iswhen "11011" => F <= "0100" ;--*_LOCKwhen "11110" => F <= "0001" ;--#_UNLOCKwhen others => F <= "1000" ;end case ;END IF ;end process ;FN <= NOT ( N(3) AND N(2) AND N(1) AND N(0) ) ;FF <= ( NOT F(3) AND F(2) AND NOT F(1) AND NOT F(0)) OR (NOT F(3) AND NOT F(2) AND NOT F(1) AND F(0) ) ;--CONNECTIONFLAG_NUMB <= FN ;FLAG_FUNC <= FF ;OUT_NUMB <= N ;OUT_FUNC <= F ;END a;说明：1、键盘译码电路除了负责将键盘送出的数据进行译码外，另外就是在译码的同时，必须判别所按下的是数字键还是功能键。