电子密码锁的VHDL程序与仿真开题报告

电子密码锁的VHDL程序与仿真开题报告本文简介：毕业设计(论文)开题报告题目电子密码锁的VHDL程序与仿真学院电气与控制工程学院专业及班级微电子1102班姓名学号指导教师日期2015.3.23西安科技大学毕业设计(论文)开题报告题目电子密码锁的ＶＨＤＬ程序与仿真选题类型应用研究一、选题依据1.1国内外研究现状及发展趋势随着人们生活水平的提高和

电子密码锁的VHDL程序与仿真开题报告本文内容：

毕业设计(论文)

开

题

报

告

题

目

电子密码锁的VHDL程序与仿真

学

院

电气与控制工程学院

专业及班级

微电子1102班

姓

名

学

号

指

导

教

师

日

期

2015.3.23

西安科技大学毕业设计(论文)开题报告

题

目

电子密码锁的ＶＨＤＬ程序与仿真

选题类型

应用研究

一、选题依据

1.1

国内外研究现状及发展趋势

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。

20

世纪80年代后，随着电子锁专用集成电路的出现，电子锁的体积缩小，可靠性提高，成本较高，是适合使用在安全性要求较高的场合，且需要有电源提供能量，使用还局限在一定范围，难以普及，所以对它的研究一直没有明显进展。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。国内的不少企业也引进了世界上先进的技术，发展前景非常可观。

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。由于硬件描述语言VHDL能够把复杂的电路设计用形象化的语言描述成功，可以描述硬件电路的功能、信号连接关系以及定时关系，它比电路原理图更能有效的表示电路的特征。

凭借硬件描述语言编程来表示逻辑器件及系统硬件的功能和行为，是自顶向下设计方法的一个重要特征。这种方法必须基于功能强大的EDA工具软件，集系统描述、行为描述和结构描述功能为一体的硬件描述语言，还有先进的ASIC制造工艺和FPGA开发技术。当今，“自顶向下”的设计方法已经成为现代数字电子系统的首选设计方法，是ASIC和FPGA开发的主要设计手段。

“自顶向下”的设计使用功能分割的方法，从顶向下逐次将设计内容进行分块和细化。在设计过程中采用层次化和模块化方式，使系统变得简洁和方便。其是一种逐步求精的设计程序的过程和方法。对要完成的任务进行分解，首先对最高层次中的问题进行定义、设计、编程和测试，而将其中未解决的问题作为一个子任务放到下一层次中去解决。这样来逐层、逐个地进行定义、设计、编程和测试，直到所有层次上的问题均由实用程序来解决完毕，就能设计出具有层次结构的程序。按自顶向下的方法设计时，设计师首先对所设计的系统要有一个全面的理解和把握。然后从顶层开始，连续地逐层向下分解，起到系统的所有模块都小到便于掌握为止，这样有事半功倍的效果。

1.2

选题的研究意义

在日常生活中和工作中，住宅的安全,单位的文件,和一些个人资料的保存。人们往往采用上锁的方法来解决。如果采用传统的机械锁,人们往往需要携带很多钥匙,既不方便,钥匙的丢失还会使安全性大打折扣。随着物质财富的积累和科学技术的发展,人们对锁的要求越来越高。密码锁代替机械锁成为一种趋势。密码锁具有安全性高、低成本、低功耗、易于操作,等等优点。

在安保领域,有防盗报警功能的电子密码锁逐渐取代了传统机械密码锁。机械密码锁结构的复杂度和密码位数成正比成本高且安全性能差。而电子密码锁无论在技术上还是性能上都优于机械密码锁。现存的密码锁大多是基于数字电路设计的，这种密码锁设计思路简单、易于实现，但是过多的原器件的组合给推广和流行带来了不便。根据这种情况研究出来一种功能强大、易于推广的密码锁已经迫在眉睫。现在广为流行的VHDL语言，描述能力强、覆盖面广、抽象能力强，所以采用VHDL建立硬件模型可以解决原器件过多而导致设计复杂的问题。

用VHDL可以快速灵活地设计出符合各种要求的数字密码锁，而且操作简单，稍加修改就可以改变密码的位数，增强其安全性，且很容易做成ASIC芯片，使设计过程达到高度自动化，并能够在设计完成后在Quartus

II

环境下进行电路的模拟仿真。随着大规模集成电路技术的发展,特别是硬件描述语言(VHDL),出现了用微型智能密码锁,它是除了具有电子密码锁的功能外,还拥有了智能化管理,专家分析系统,从而使密码锁的作用,比如高安全性、可靠性,应用日益广泛的应用。

人们对安全的重视和科学技术的发展,许多电子智能锁如，指纹识别、IC识别等已经出现在国内外。但是这些产品的特点需要一个特别的指纹或有效卡,成本相对较高不益于普及使用。针对当前技术和水平、市场接纳、电子密码锁是这类电子防盗产品的主流。

参考文献：

[1]

侯伯亨，刘凯，顾新：VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计[M]，西安电子科技大学出版社，2009.8。

[2]

褚振勇，齐亮，田红心，高楷娟：FPGA设计与应用[M]，西安电子科技大学出版社，2009.9。

[3]

Volnei

A.Pedroni:Circuit

Design

with

VHDL[M],电子工业出版社，2013.1。

[4]

刘昌华：EDA技术与应用—基于QuartusII和VHDL[M]，北京航空航天大学出版社，2012.8。

[5]

吴延海，刘晓佩，代新冠，黄健：EDA技术及应用[M]，西安电子科技大学出版社，2012.1。

[6]

杨健，岳珣，王永喜：EDA技术与VHDL基础[M]，清华大学出版社，2013.3。

[7]

武超，靳孝峰：EDA技术与应用[M]，北京航空航天大学出版社，2013.5。

[8]

焦素敏：EDA应用技术[M],清华大学出版社，2005。

[9]

潘松：EDA技术与VHDL[M]，清华大学出版社，2005。

[10]

李洋：EDA技术实用教程[M]，机械工业出版社，2004

[11]李国洪：可编程器件EDA技术与实践[M].机械工业出版社，2004。

二、主要研究(设计)内容、研究（设计）思路及工作方法或工作流程

2.1

研究（设计）目标及内容

完成电子密码锁的VHDL程序与仿真，搭建硬件电路，具有电子密码锁的基本功能。

设计要求如下：

1).采用6位十进制数作为内置密码。

2).上锁功能，按下上锁键，系统上锁。

3).密码输入功能，即每按下一个数字键，就输入一个数值，并在数码管上显示该数值，同时将先前输入的数据依次左移一个数字位置。

4).密码清除功能，清除所有输入的数字。

5).超时自锁功能，在输入密码后一定时间内未按下开锁键，系统自动上锁。

6).报警功能，系统允许错误开门2次，当第3次错误开门将报警。处于报警状态时，上锁键、清除键、变更键、开锁键、数字键0～9应不起作用，需用另一内部设置键解除锁定键，该按键在实际应用中可放置在保安室或其他使用者不能接触的地方。在本设计中将其置于键盘

中。

7).改密功能。先输入正确密码解锁后，输入新的密码按下修改键，此时新密码设置完成。

2.2

研究方案及原理

1).研究方案

其系统整体框图如图1所示

控制器

报警计数器

上锁

开锁信号

确认

报警信号

位数计数器

清除密码

更改密码

解除锁定

比

较

器

编

码

器

寄存器

密码输入

密码存储

密码更改

图1整体框图

键盘用于6位的密码输入，由于输入都采用键盘输入，其按下时刻和持续时间长短是随机的，且存在因簧片反弹引起的电平抖动现象。必须在每个开关后面安排一个消抖同步模块，以保证系统能真确捕捉到输入脉冲。消抖同步模块的作用是保证系统能捕捉到输入脉冲，并保证每按一次键只形成一个宽度等于系统时钟周期的脉冲。

编码器的作用是将键盘输入的信号编成BCD码，并且每键入一个数码，应向控制器送一个脉冲表示有数据输入。

比较器的作用是将输入的密码和内置密码进行比较，并将结果反馈给控制器。

寄存器的作用是预置内部密码，因为内部预置密码采用6位十进制数，且用BCD码表示。

位数计数器用来记录密码输入位数用于比较。

报警计数器的作用是，每一次开启错误，控制器向报警计数器提供一个时钟信号，使计数器加1，当计数器到3时，说明错误次数达到3次，进位信号反馈给控制器，控制器发出报警信号WL。解除锁定或正确开门后控制器向报警计数器发出清零信号，使计数器清零。

系统主要包括密码锁输入模块、密码锁控制模块和密码锁显示译码模块三部分组成。

三大模块如下：

①

密码锁输入电路：这个模块包括时序产生电路、键盘扫描电路、键盘弹跳消除电路、键盘译码电路等功能电路组。

②

密码锁控制电路：这个模块包括按键数据的缓冲存储电路，密码的清除、变更、存储，密码核对（即数值比较电路），解锁电路（即开\关门锁电路）等。

③

密码显示电路：这个模块主要将要显示数据的BCD码转换成数码器的七段显示驱动编码，在数码管上依次显示出来。

以上是三大模块的基本设计思路，其次，采用4*4矩阵式键盘。这种机械式键盘具有成本低，可靠性高，构成电路简单，应用广泛等特点，将其应用于电子密码锁中是比较不错的选择。但是须克服机械式键盘存在的一些弹跳消除问题。

数字密码的显示采用LED数码管来实现，相对而言其电路简单，成本低，且具有一定的可靠性。

结果显示部分，通过一个红色的发光二极管和一个绿色的发光二极管来表示，密码正确绿灯点亮，密码错误，红灯点亮，绿灯熄灭。

密码连续三次错误，即报警，将报警信号接至一个蜂鸣器，报警信号由开锁信号来控制，在报警状态，上锁键、复位键、确认键、数字键0～9应不起作用，需用另一内部设置解除锁定键解除锁定。

2).密码锁系统流程图

开始

输入6位密码

按开锁键

比较器

不一致

一致

红灯亮不开锁

绿灯亮开锁

连续三次错误蜂鸣器报警

输入6位新密码

按密码修改键

按下解除锁定键解除报警

按上锁键上锁

重新输入密码

结束

图2系统流程图

2.3

工作流程

程序部分：

先编好各个模块程序，再利用Quartus

II软件进行程序仿真，再对键盘扫描电路、消抖电路、键盘译码电路、控制电路进行时序仿真，所有仿真无误后即可搭建硬件电路。

硬件部分：

熟悉元器件，先弄清各个器件的引脚连接，再根据电路原理图焊接元器件，器件焊接完成检查无误后下载程序，然后测试功能，若功能有误则检查程序和硬件，修改其错误之处，若功能满足设计要求则调试完成。

三、毕业设计(论文)工作进度安排

1.

第1-4周：查阅资料，了解EDA技术及发展，熟悉EDA软件应用。

2.

第5-6周：熟悉可编程器件FPGA的原理及应用，掌握使用VHDL的电路设计方法。

3.

第7-8周：对各功能模块进行设计并仿真。

4.

第9-10周：完成VHDL程序编译和仿真。

5.

第11-12周：将生成的配置文件下载到芯片FPGA中进行功能验证并调试。

6.

第13周：编写论文。

7.

第14周：指导教师审阅，提出修改意见。

8.

第15周：论文装订。

9.

第16周：答辩。

7

指导

教师

评审

意见

难度

份量

综合训练程度

是否隶属科研项目

是否具有创新性

指导教师签字:____________*年*月*日

学院

毕业

设计

(论文)指导

委员

会审

核意

见意

教学院长：____________

（公

章）*年*月*日