我做的EDA密码锁仿真Quartus II课程设计报告 -

利用基于所学EDA相关知识以Quartus II 软件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：

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显示电路。

（1）4x4矩阵键盘的工作原理：矩阵键盘又称为行列式键盘，它是由4条行线，4条列线组成的键盘，其原理如图1.1所示，在行线和列线的每个交叉点上，设置一个按键，按键的个数是4x4个，按键排列如图1.2所示。当按下某个按键后，为了辨别和读取键值信息，一般采用如下的方法：向X端口扫描输入一组只含一个0的4位数据，如1110,1101,1011,0111，如有按键按下，则Y口一定会输出对应的数据，因此，只要结合X,Y口的数据，就能判断按键的位置。

（2）4x4矩阵键盘检测程序：如下是用Verilog编写的4x4矩阵键盘键值扫描判断程序，键盘扫描程序由1个always模块构成，在always模块中先进行模4计数，在计数器的每个状态从FPGA内部送出一列扫描数据给键盘，然后读入经过去抖处理的4行数据，根据行，列数据，确定按下的是哪个键。

根据以上选定的输入设备和显示器件，并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1.3所示。

（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，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）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。

主状态机用来完成waits（等待）状态，pass（开锁）状态，changing（改密）状态，alarm（警报）状态之间的切换。主状态机状态图如图2.1所示

主状态机简要说明：复位键（Resetb）为0，进入等待（waits）状态；主现状态为等待状态且correct为1，主状态进入开锁（pass）状态；在开锁状态延时10s后，主状态回到等待状态；主现态为开锁状态且mimagaile为1，主状态进入改密（changing）状态；在改密状态延时10s后，主状态回到等待状态；主现态为等待状态且密码连续输入错误3次，主状态进入警报（alarm）状态；在警报状态延时1分钟后，主状态回到等待状态。

eighth:begin next_sub_state=finish;dig=8'b11111111;end //当输入完8位密码后状态保持不变，等待输入enter命令

从状态机简要说明：按下清除键后从状态机状态回到前一个状态，按下数字键后从状态机为下一个状态（即输入下一位密码）

图3.1总体功能仿真结果（包含开锁，改密，清除，警报，显示密码输入到第几位）

初始密码为11111111，如图3.2中40ns开始输入密码为11011111按下确认键（1010）后密码错误passed保持低电平（电子锁未打开），接着输入正确密码（11111111）按下确认键（1010）后密码正确passed输出高电平（电子锁打开）。

如图3.3在passed为高（即开锁状态）输入8位数字后按下改密键（1101）密码被修改为11101111成功，resetmimaok输出高电平。接着输入初始密码11111111按下确认键（1010）passed保持低电平（电子锁未打开）之后再随便输入一个错误密码，如图3.3输入01111110按下确认键（1010）passed保持低电平（电子锁未打开），最后输入修改后的密码11101111按下确认键（1010）passed输出高电平（电子锁打开）。

如图3.4中800ns处输入密码111011111按下确认键（1010）后passed输出高电平（电子锁打开）说明第九位数字1无效。

如图3.5在950ns处开始连续输入错误三次密码后，alarmed输出高电平表示发出警报。

如图3.6在1.31us处输入密码1110113后按下清除键（1011）接着输入11后，按下确认键（1010）passed输出高电平（电子锁打开）。

通过这次设计，使我对EDA产生了浓厚的兴趣。特别是当实现每个小功能成功时，心里特别开心。这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到的问题，反映出来我的许多不足之处，我以后要努力克服缺点。虽然此设计在Quartus II 软件上功能能够大体上得到验证，但是离做出实物还差很远。一直没有玩过实物开发板，根本就不知道进行硬件的连接，就连一个简单的程序都下载进开发板进行验证。总的来说，这次设计的密码锁还是比较成功的，在设计中遇到了很多问题，最后在同学和老师的辛勤的指导下外加上自己的努力，终于都得到了解决，因此很有成就感，终于觉得平时所学的知识有了实用的价值，达到了理论与实际相结合的目的。

最后说一说我对本课程一些意见，该课程从开始做实验到最后的课程设计都一直是在电脑上进行仿真，没有在板子上跑过程序，我觉得老师应该在开发板给我们演示简单的程序，这样能够带动我们大多数人的兴趣，也能够便于我们更快上手做一些简单的实物，提高大家学习的积极性。

module dianzisuo(clk,resetb,cmd,cmd_t,alarmed,passed,resetmimaok,dig);
input cmd_t;//输入命令控制信号
input clk; //输入时钟信号
input resetb; //输入复位信号
input [3:0] cmd;//输入命令信号
output reg [7:0]dig;//位选输出信号
output alarmed; //输出警报信号
output passed; //输出通过信号
output resetmimaok; //输出密码修改成功信号
reg alarmed;
reg passed;
reg resetmimaok;
wire clk;
wire resetb;
wire [3:0]cmd;
wire cmd_t;
reg[22:0]CNT_R0;//clk1延时寄存器
reg clk1;//clk为10ns时clk1为5ms周期脉冲
reg [31:0]inputpassword;//输入值存放寄存器
reg [31:0]PASSWORD=32'b0001_0001_0001_0001_0001_0001_0001_0001;//初始密码
parameter zero=4'b0000,//0
one=4'b0001,//1
two=4'b0010,//2
three=4'b0011,//3
four=4'b0100,//4
five=4'b0101,//5
six=4'b0110,//6
seven=4'b0111,//7
eight=4'b1000,//8
nine=4'b1001,//9
enter=4'b1010,//确认键
cancel=4'b1011,//清除一位键
setmima=4'b1100,//
sure=4'b1101;//修改密码键
reg [3:0]main_state;//主现态
reg [3:0]next_state;//主次态
parameter waits=4'b0001,
pass=4'b0010,
alarm=4'b0100,
changing=4'b1000;
reg [3:0]sub_state;//从现态
reg [3:0]next_sub_state;//从次态
parameter first=4'b0000,
second=4'b0001,
third=4'b0010,
fourth=4'b0100,
fifth=4'b1000,
sixth=4'b0011,
seventh=4'b0101,
eighth=4'b0110,
finish=4'b0111;
reg[7:0] pass_count;//通过计时寄存器
reg[10:0] alarm_count;//警报计时寄存器
reg[1:0] try_count;//尝试次数寄存器
reg[7:0] mima_count;//改密计时寄存器
reg error;
reg correct;
reg mimagaile;
//clk为10ns时，clk1为5ms时钟
always @(posedge clk)
begin
CNT_R0 <= CNT_R0 + 1'b1;
if(CNT_R0 < 5000000)
begin
clk1 <= 1;
end else
begin
clk1 <= 0;
end
end
//主状态机部分
always@(main_state or correct or error or try_count or pass_count or alarm_count or mimagaile)
begin
case(main_state)
waits: if(correct==1)//由waits转换到pass的条件
begin
next_state=pass;
end
else if(error==1&&try_count==2)
next_state=alarm;//由waits转换的alarm的条件
else
next_state=waits;
pass: if(pass_count[7]==1)//由pass转换到waits的条件
next_state=waits;
else if(mimagaile==1)//由pass转换到changing的条件
next_state=changing;
else
next_state=pass;
changing:if(mima_count[7]==1)//由changing转换到waits的条件
next_state=waits;
else
next_state=changing;
alarm:if(alarm_count[10]==1)//由alarm转换到waits的条件
next_state=waits;
else
next_state=alarm;
default:next_state=waits;
endcase
end
//alarm一段时间后，自动进入waits状态
//alarm定时器
always@(posedge clk1 or negedge resetb)
begin
if(!resetb)
alarm_count<=0;
else if(main_state==alarm)//alarm状态计时器alarm定时器加1
alarm_count<=alarm_count+1;
else
alarm_count<=0;
end
//锁pass以后计数开始，当规定的时间到达后自动上锁，并进入waits状态
//pass定时器
always@(posedge clk1 or negedge resetb)
begin
if(!resetb)
pass_count<=0;
else if(main_state==pass) //pass状态计时器pass定时器加1
pass_count<=pass_count+1;
else
pass_count<=0;
end
//changing以后计数开始，当规定的时间到达后自动上锁，并进入waits状态
//changing定时器
always@(posedge clk1 or negedge resetb)
begin
if(!resetb)
mima_count<=0;
else if(main_state==changing) //changing状态计时器mima_count定时器加1
mima_count<=mima_count+1;
else
mima_count<=0;
end
//状态转换
always@(posedge clk or negedge resetb)
begin
if(!resetb)//如果按下复位键，则主状态为等待状态
main_state<=waits;
else //如果没按则进入下一个状态
main_state<=next_state;
end
//输出控制部分
always@(posedge clk or negedge resetb)
begin
if(!resetb)//复位按下时，开锁输出和报警输出都为零
begin
passed<=0;
alarmed<=0;
resetmimaok<=0;
end
else if(main_state==pass)//当主机状态为pass时开锁
begin
passed<=1;
alarmed<=0;
resetmimaok<=0;
end
else if(main_state==changing)//当主机状态为changing时，改密码
begin
passed<=0;
alarmed<=0;
resetmimaok<=1;
end
else if(main_state==alarm)//当主机状态为alarm时，警报
begin
passed<=0;
alarmed<=1;
resetmimaok<=0;
end
end
//从状态机，用于输入8位密码
always@(posedge clk or negedge resetb)
begin
if(!resetb)
sub_state<=first;//从状态为first
else
sub_state<=next_sub_state;//从状态为下一个从状态
end
always@(cmd or cmd_t or sub_state)
begin
if(cmd_t==0)//检测有按键按下
case(cmd)
cancel:begin //密码输入错误时，重复上一个状态
if(sub_state==first)
next_sub_state=first;
else
case(sub_state)
second:next_sub_state=first;
third: next_sub_state=second;
fourth:next_sub_state=third;
fifth:next_sub_state=fourth;
sixth:next_sub_state=fifth;
seventh:next_sub_state=sixth;
eighth:next_sub_state=seventh;
finish:next_sub_state=eighth;
endcase
end
//4个密码输完时，进行确认
enter:next_sub_state=first;
setmima:next_sub_state=first;
sure:next_sub_state=first;
//default为输入了某位密码，输入完自动将状态转入下一位
default:
case(sub_state)
first:begin next_sub_state=second;dig=8'b00000001;end
second:begin next_sub_state=third;dig=8'b00000011;end
third:begin next_sub_state=fourth;dig=8'b00000111;end
fourth:begin next_sub_state=fifth;dig=8'b00001111;end
fifth:begin next_sub_state=sixth;dig=8'b00011111;end
sixth:begin next_sub_state=seventh;dig=8'b00111111;end
seventh:begin next_sub_state=eighth;dig=8'b01111111;end
eighth:begin next_sub_state=finish;dig=8'b11111111;end //当输入完8位密码后状态保持不变，等待输入enter命令
finish:begin next_sub_state=finish;dig=8'b11111111;end
endcase
endcase
else
next_sub_state=sub_state;
end
//记录密码
always@(posedge clk or negedge resetb)
begin
if(!resetb)
inputpassword<=0;
else if(cmd_t==0)
case(sub_state)
first:inputpassword[31:28]<=cmd[3:0];
second:inputpassword[27:24]<=cmd[3:0];
third:inputpassword[23:20]<=cmd[3:0];
fourth:inputpassword[19:16]<=cmd[3:0];
fifth:inputpassword[15:12]<=cmd[3:0];
sixth:inputpassword[11:8]<=cmd[3:0];
seventh:inputpassword[7:4]<=cmd[3:0];
eighth:inputpassword[3:0]<=cmd[3:0];
default:inputpassword<=inputpassword;
endcase
else
inputpassword<=inputpassword;
end
//比较密码
always@(posedge clk or negedge resetb)
begin
if(!resetb)//如果复位键按下则正确，错误都清零
begin
correct<=0;
error<=0;
end
else if(cmd_t==0&&cmd==enter)//当按键按下，且是enter键按下时对密码进行比较
if(inputpassword==PASSWORD)//密码正确时correct=1
begin
correct<=1;
error<=0;
end
else //密码错误时，error为1
begin
error<=1;
correct<=0;
end
else
begin
correct<=0;
error<=0;
end
end
//修改密码
always@(posedge clk )
begin
if(cmd_t==0&&cmd==sure)
begin
PASSWORD<=inputpassword;
mimagaile<=1;
end
else
mimagaile<=0;
end
//记录错误次数
always@(posedge clk or negedge resetb)
begin
if(!resetb)//复位时密码重试次数清零
try_count<=0;
else
if(error==1)//当输入密码错误时，重试次数加1
try_count<=try_count+2'b01;
else if(main_state==pass||main_state==alarm)//当有一次成功，重试次数超过三次后，进入报警后重试次数清零
try_count<=0;
end
endmodule
//按键模块
module scankey(clk,a,b,keyvalue);
input clk;
input [3:0]b;
output reg[3:0]a;
output reg [3:0]keyvalue;
reg [1:0]q;
reg [3:0] qdb;//消抖后的b
reg [3:0]rxbuf;
always @( posedge clk) begin //按键消抖
rxbuf[0] <= b[0];
qdb[0] <= ~(rxbuf[0] & (~b[0]));
end
always @( posedge clk) begin //按键消抖
rxbuf[1] <= b[1];
qdb[1] <= ~(rxbuf[1] & (~b[1]));
end
always @( posedge clk) begin //按键消抖
rxbuf[2] <= b[2];
qdb[2] <= ~(rxbuf[2] & (~b[2]));
end
always @( posedge clk) begin //按键消抖
rxbuf[3] <= b[3];
qdb[3] <= ~(rxbuf[3] & (~b[3]));
end
always@(posedge clk)
begin q<=q+1;
case(q)
0:a<=4'b1110;
1:a<=4'b1101;
2:a<=4'b1011;
3:a<=4'b0111;
endcase
case({a,qdb})
8'b1110_0111:keyvalue<=4'b0000;//按键0
8'b1110_1011:keyvalue<=4'b0001;//按键1
8'b1110_1101:keyvalue<=4'b0010;
8'b1110_1110:keyvalue<=4'b0011;
8'b1101_0111:keyvalue<=4'b0100;
8'b1101_1011:keyvalue<=4'b0101;
8'b1101_1101:keyvalue<=4'b0110;
8'b1101_1110:keyvalue<=4'b0111;
8'b1011_0111:keyvalue<=4'b1000;//按键8
8'b1011_1011:keyvalue<=4'b1001;//按键9
8'b1011_1101:keyvalue<=4'b1010;//确认键
8'b1011_1110:keyvalue<=4'b1011;//清除键
8'b0111_0111:keyvalue<=4'b1100;
8'b0111_1011:keyvalue<=4'b1101;//改密键
8'b0111_1101:keyvalue<=4'b1110;
8'b0111_1110:keyvalue<=4'b1111;
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