电子密码锁设计论文：基于EDA技术的电子密码锁设计.doc

电子密码锁设计论文：基于EDA技术的电子密码锁设计摘 要:电子技术获得了飞速的发展,在其推动下,现在电子产品几乎渗透了社会的各个领域,有力地推动了社会生产里的发展和社会信息化程度的提高,同时也使现代电子产品性能进一步提高,产品更新换代的节奏也越来越快。首先EDA技术在进入21世纪后,得到了很大的发展,其基本特征是采用高级语言描述,具有系统级仿真和综合能力。VHDL硬件描述语言是设计源文件可以采用类似与C语言的书写形式,并采用结构设计方法。随着人们生活水平的提高,密码锁作为家庭防盗卫士的作用日趋重要,它与普通机械锁相比有一些独特的优势,如:保密性强,防盗性能好,可以不用钥匙,只要记住密码即可开锁。本文以MAX+PLUSII作为软件平台,用VHDL硬件语言描述,并结合PLD可编程逻辑器件的综合EDA技术使得高可靠性、高保密性的电子锁的设计变得简单易行。 关键词:电子密码锁 电子设计自动化 VHDL 硬件描述语言 1 引言 随着社会物质财富的日益增长,安全防盗已成为全社会关注的问题。安全可靠、使用方便的电子密码锁越来越受到人们的青睐。使用PLD可编程器件和VHDL语言,以Max +PlusII为工作平台设计的电子密码锁具有密码预置、误码锁死及开锁提示等功能。 1.1 关于EDA EDA3技术就是以计算机为工具在EDA软件平台上,对以硬件描述语言HDL为系统逻辑描述手段,完成的设计文件自动完成逻辑编译、逻辑化简、逻辑综合及优化、逻辑仿真,直至对特定目标芯片的适配 编译、逻辑映射和编程下载等工作。EDA的仿真测试技术只需要通过计算机就能对所设计的电子系统从各种不同层次的系统性能特点完成一系列准确的测试与仿真操作,大大提高了大规模系统电子设计的自动化程度。设计者的工作仅限于利用软件方式,即利用硬件描述语言(如VHDL)来完成对系统硬件功能的描述,在EDA工具的帮助下就可以得到最后的设计结果,这使得对整个硬件系统的设计和修改过程如同完成软件设计一样方便 、高效。 1.2 EDA的优势(FPGA/CPLD与单片机) 90年代以来,我国单片机的应用经历了一个辉煌的时代。在电子设计数字化的今天,单片机几乎应用到电子设计的各个领域。但随着应用范围的推广,我们发现单片机并不是万能的,它本身还存在着一些缺陷,有些缺陷甚至是难以解决的。下面从两个方面来比较单片机和可编程器件FPGA/CPLD的优劣2: (1)单片机的学习效率较低 单片机为适应实时处理的快速要求,它是直接面对硬件的,属较低级的,大多数都使用汇编语言对每个厂家生产的单片机其汇编语言均不同,所以使用不同型号的单片机必须学会不同的汇编语言。并且,编程还与硬件连接的方式有关。而FPGA/CPLD可使用标准硬件描述语言VHDL,只要学会一种语言,即可对所有型号的FPGA/CPLD编程,同时,VHDL是一种行为描述语言,它可以不了解系统的硬件结构而编程,远离硬件,打破了软硬件之间的屏障,可做到几分钟设计出一个芯片,使学习和设计的效率大大提高。 (2)单片机本身的速度相对FPGA/CPLD来显得太慢单片机是用指令排队形式来执行指令的,影响了速度的提高,特别是用于高速采样系统,单片机往往无法胜任。而FPGA/CPLD在实时处理时均为并行工作,速度快。另外 ,单片机的各引脚功能均为确定,不像FPGA/CPLD那样可根据需要用软件改变各引脚的功能。如需要的话,也可在FPGA/CPLD中设计出一个或多个CPU,达到控制的目的。因此 ,FPGA/CPLD在EDA基础上的广泛应用,从某种意义上说,将是对单片机系统的一种背离。高速发展的FPGA/CPLD不但包括了单片机的所有能力,并兼有串、并行工作方式和高速、高可靠性及宽口径适用性等多方面的特点。 1.3 VHDL的简介 VHDL5的英文全名是Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language,诞生于1982年。1987年底,VHDL被IEEE和美国国防部确认为标准硬件描述语言。自IEEE公布了VHDL的标准版本,IEEE-1076(简称87版)之后,各EDA公司相继推出了自己的VHDL设计环境,或宣布自己的设计工具可以和VHDL接口。此后VHDL在电子设计领域得到了广泛的接受,并逐步取代了原有的非标准的硬件描述语言。1993年,IEEE对VHDL进行了修订,从更高的抽象层次和系统描述能力上扩展VHDL的内容,公布了新版本的VHDL,即IEEE标准的1076-1993版本,(简称93版)。现在,VHDL和Verilog作为IEEE的工业标准硬件描述语言,又得到众多EDA公司的支持,在电子工程领域,已成为事实上的通用硬件描述语言。 HDL主要用于描述数字系统的结构、行为、功能和接口。除了含有许多具有硬件特征的语句外,VHDL的语言形式和描述风格与句法是十分类似于一般的计算机高级语言。VHDL的程序结构特点是将一项工程设计,或称设计实体(可以是一个元件,一个电路模块或一个系统)分成外部(或称可是部分,及端口)和内部(或称不可视部分),既涉及实体的内部功能和算法完成部分。在对一个设计实体定义了外部界面后,一旦其内部开发完成后,其他的设计就可以直接调用这个实体。这种将设计实体分成内外部分的概念是VHDL系统设计的基本特点,作为IEEE的工业标准硬件描述语言,在电子工程领域,已成为事实上的通用硬件描述语言。 2 关于电子密码锁的整体设计 2.1 系统设计要求 设计一个具有较高安全性和较低成本的通用电子密码锁,其具体功能要求如下: (1) 数码输入:每按下一个数字键,就输入一个数值,并在显示器上的最右方显示出该数值,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,清除成为“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。 2.2 电子密码锁的整体结构 作为通用电子密码锁,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8。作为电子密码锁的输入电路,可供选择的方案有数字机械式键盘和触摸式数字键盘等多种。考虑到实现各项数字密码锁功能的具体要求,整个电子密码锁系统的总体组成框图如图2-1所示。 图2-1 电子密码锁的整体设计图 2.3 电子密码锁各个部分功能及电路 2.3.1 电子密码锁输入电路的设计 图2-2是电子密码锁的输入电路框图8,由键盘扫描电路、弹跳消除电路、键盘译码电路、按键数据缓存器,加上外接的一个34矩阵式键盘组成。 图2-2 密码锁的输入电路框图 (1) 矩阵式键盘的工作原理 矩阵式键盘是一种常见的输入装置,在日常的生活中,矩阵式键盘在计算机、电话、手机、微波炉等各式电子产品上已经被广泛应用。设计一个34矩阵式键盘的面板配置,其中数字09作为密码数字输入按键,*作为“上锁”功能按键,#作为“解锁/清除”功能按键。 (2) 时序产生电路 本时序产生电路中使用了三种不同频率的工作脉冲波形:系统时钟脉冲(它是系统内部所有时钟脉冲的源头,且其频率最高)、弹跳消除取样信号、键盘扫描信号。 (3) 键盘扫描电路 扫描电路的作用是用来提供键盘扫描信号(表2-1中的KY3KY0)的,扫描信号变化的顺序依次为1110-1101-1011-0111-1110.依序地周而复始。 (4) 弹跳消除电路 由于本设计中采用的矩阵式键盘是机械开关结构,因此在开关切换的瞬间会在接触点出现信号来回弹跳的现象,对于电子密码锁这种灵敏度较高的电路这种弹跳将很可能会造成误动作输入,从而影响到密码锁操作的正确性。 从图2-4中可以观察出弹跳现象产生的原因,虽然只是按下按键一次然后放掉,然而实际产生的按键信号却不止跳动一次,经过取样信号的检查后,将会造成误判断,以为键盘按了两次。如果调整抽样频率,可以发现弹跳现象获得了改善。 弹跳消除电路的实现原理如图2-6所示,先将键盘的输入信号D_IN做为电路的输入信号,CLK是电路的时钟脉冲信号,也就是取样信号,D_IN经过两级D触发器延时后再使用RS触发器处理。 图2-6 弹跳消除电路的实现原理图 此处RS触发器的前端连接和非门的处理原则是: (1) 因为一般人的按键速度至多是10次/秒,亦即一次按键时间是100ms,所以按下的时间可估算为50ms。以取样信号CLK的周期为8ms计,则可以取样到6次。 (2) 对于不稳定的噪声,在4ms以下则至多抽样一次。 (3) 在触发器之前,接上AND-NOT之后,SR的组态所示。 (4) 键盘译码电路 上述键盘中的按键可分为数字按键和文字按键,每一个按键可能负责不同的功能,例如清除数码、退位、激活电锁、开锁等。 (5) 按键存储电路 因为每次扫描会产生新的按键数据,可能会覆盖前面的数据,所以需要一个按键存储电路,将整个键盘扫描完毕后的结果记录下来。按键存储电路可以使用移位寄存器构成。 2.3.2 密码锁控制电路的设计 密码锁的控制电路是整个电路的控制中心,主要完成对数字按键输入和功能按键输入的响应控制。 (1)数字按键输入的响应控制 如果按下数字键,第一个数字会从显示器的最右端开始显示,此后每新按一个数字时,显示器上的数字必须左移一格,以便将新的数字显示出来;假如要更改输入的数字,可以按倒退按键来清除前一个输入的数字,或者按清除键清除所有输入的数字,再重新输入四位数;由于这里设计的是一个四位的电子密码锁,所以当输入的数字键超过四个时,电路不予理会,而且不再显示第四个以后的数字。 (2) 功能按键输入的响应控制 清除键:清除所有的输入数字,即做归零动作;激活电锁键:按下此键时可将密码锁的门上锁。(上锁前必须预先设定一个四位的数字密码;解除电锁键:按下此键会检查输入的密码是否正确,若密码正确无误则开门。 图2-7 电子密码锁的三种工作模式及关系 2.3.3 密码锁显示电路的设计 密码锁显示电路的设计比较简单,这里直接采用四个4-7译码器来实现。 3 基于EDA的电子密码锁的整体组装及设计源程序7 将前面各个设计好的功能模块进行整合,可得到一个完整的电子密码锁系统的整体组装设计原理图,其图示见附录1所示。 4 基于EDA的电子密码锁系统的有关仿真 4.1 键盘输入去抖电路的仿真 图4-1为键盘输入去抖电路的仿真结果图,图中的输出信号QQ0,QQ1,D_OUT1,DD0,DD1是为便于仿真时观察中间结果而增加的观测点的输出,调试好后程序中的相应语句应注释掉。 4.2 密码锁输入电路的仿真 图4-2为密码锁输入电路的仿真结果图,图中的输出信号CLK_SCAN,C_DEBOUNCE是为便于仿真时观察中间结果而增加的观测点的输出。 4.3 密码锁控制电路的仿真 5 设计总结 使用VHDL语言设计电路,思路简单,功能明了;使用Max + PlusII软件设计电路不仅可以进行逻辑仿真,还可以进行时序仿真;使用PLD器件不仅省去了电路制作的麻烦,还可以反复多次进行硬件实验,非常方便的修改设计,且设计的电路保密性很强。总之,采用EDA技术使得复杂的电子系统的设计变得简单容易,可大大提高了设计效率。 参考文献: 1.潘松,黄继业.EDA技术实用教程M 北京: 科技出版社,1997.2427 2.高书莉,罗朝霞.可编程逻辑设计技术及应用M 北京:人民邮电出版社,1997.154 3.