毕业设计(论文)-基于VHDL的多功能电子密码锁设计.doc
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1、 学 位 论 文 诚 信 声 明 书本人郑重声明:所呈交的学位论文(设计)是我个人在导师指导下进行的研究(设计)工作及取得的研究(设计)成果。除了文中加以标注和致谢的地方外,论文(设计)中不包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究(设计)成果,也不包含本人或其他人在其它单位已申请学位或为其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究(设计)所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了致谢。申请学位论文(设计)与资料若有不实之处,本人愿承担一切相关责任。 学位论文(设计)作者签名: 日期: 学 位 论 文 知 识 产 权 声 明 书本人完全了解学校有关保护知识产权的规定,即:在校期间所做
2、论文(设计)工作的知识产权属西安科技大学所有。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文(设计)被查阅和借阅;学校可以公布本学位论文(设计)的全部或部分内容并将有关内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或其它复制手段保存和汇编本学位论文。保密论文待解密后适用本声明。学位论文(设计)作者签名: 指导教师签名: 年 月 日论文题目: 基于VHDL的多功能电子密码锁设计专 业: 本 科 生: (签名)_指导教师: (签名)_ 摘 要随着社会的发展,安全防盗受到人们的重视。而锁一直都是人们的防盗首选。首先需能防盗且要实用方便。在现今社会技术环境下电子密码锁已成一种
3、趋势。本设计采用FPGA设计一个具有6位密码的电子密码锁并具有火灾报警和数字时钟功能。论文的硬件部分以EP1C3T144C8芯片为核心的开发板、4*4矩阵键盘、数码管、发光二极管、蜂鸣器等组成。软件以VHDL语言为基础在FPGA平台上设计。电子密码锁由分频模块、消抖模块、键盘扫描模块、密码控制模块、密码显示模块组成,实现了密码清除、密码修改、暗文输入、明文输入、上锁、解锁、错误报警的功能;火灾报警模块具有温度显示、报警功能;数字时钟模块显示时钟并可调。该电子锁有稳定性高、功耗低、防盗性强、可拓展等功能。可将其用于房门、保险柜等地方。本设计使用VHDL语言,产品可升级,可经过改造变为更优良的系统
4、。关键词:密码锁,VHDL,FPGA,EP1C3T144C8Subject: Design of electronic cipher lock based on VHDLSpecialty: MicroelectronicsName: Luo Xiangjun (Signature) _Instructor: Yue Gaili (Signature) _ ABSTRACTWith the development of society, people pay attention to safety precautions. The lock has been the peoples secur
5、ity choice. First, energy security and the need to be practical and convenient. In todays society technology environment electronic locks become a trend. This design uses an FPGA design have electronic locks 6 passwords.Hardware part of the thesis to EP1C3T144C8 chip as the core of the development b
6、oard, 4 * 4 matrix keyboard, LED, light emitting diodes, buzzer and so on. VHDL language based software design on an FPGA platform. Electronic locks generally comprises frequency module, debounce module, the keyboard scan module, password control module, the password display modules, to achieve a pa
7、ssword removal, password changes, the ciphertext input in plain text, lock, unlock, error alarm function .The electronic lock has high stability, low power consumption, strong security, scalability, and other functions. It can be used for door, safes and other places. The design uses VHDL language,
8、the product can be upgraded, can be revamped into a better system.KEY WORDS:Password lock, VHDL, FPGA, EP1C3T144C8 目 录第1章 绪论11.1 密码锁的研究背景及意义11.2 密码锁的研究现状及发展趋势21.3 本课题的主要研究内容21.4 本章小结3第2章 设计平台介绍42.1 FPGA简介4 2.1.1 FPGA工作原理4 2.1.2 FPGA基本特点4 2.2 Quartus II简介52.3 VHDL介绍52.4 本章小结7第3章 密码锁设计8 3.1 按键模块9 3.2
9、消抖模块13 3.3 分频模块14 3.4 密码控制模块18 3.5 初始密码寄存器模块21 3.6 密码译码模块22 3.7 本章小结27第4章 仿真和硬件验证244.1 模块仿真254.1.1 分频模块25 4.1.2 消抖模块25 4.1.3 键盘扫描模块26 4.1.4 密码控制模块264.1.5 密码译码模块284.2 硬件验证284.2.1 暗文密码输入284.2.2 明文密码输入294.2.3 密码输入正确294.2.4 密码输入错误304.3 本章小结30第5章 结论31参考文献32致谢33附录34附录1 硬件原理图34附录2 系统顶层文件图35附录3 硬件实物图36附录4 部
10、分模块代码37 IV第1章 绪论1.1 密码锁的研究背景及意义一直锁都是人们的常用防盗工具,随着社会发展,安全防盗问题越来越受到人们重视。传统的机械锁由于其密码量少,构造简易,不够稳定易破解,结构上的缺陷已不能满足当前社会的需求,在人常变化的地方问题更加突出,如办公室、宾馆、等场所。电子密码锁是使用了电子技术、数字技术等现代化产品,由于其稳定性好,不容易被破解,使用方便简单,得到了广大用户的赞赏。而当下很多密码锁使用单片机进行研发,电路繁琐、稳定性不好、性能灵活度不高、可移植性差。所以电子密码锁的防盗性和与稳定性一直是制造商所关注的主要内容。电子密码锁是是一种安全性高、稳定性好、较实用的数字电
11、路。电子密码锁的主要在于对对某些东西或某些地方进行保护,以防止不具有操作权限的人使用某些设施或者进行不当操作,比如ATM机、门禁系统或者保险箱中都有电子密码锁。在电子技术不断迅速发展的今天,具有防盗报警等功能的多功能电子密码锁代替弹子锁和稳定性、安全性低、易用性差的机械式密码锁已成为一种趋势。电子密码锁具有机械锁所不具有的优势,它不但可以完成机械锁本身所具有的功能,还可以拥有其他功能,如记忆、火灾预警、防盗报警等,电子密码锁以其稳定高、制作成本低、易操作、灵活性好等优点受到广大用户的赞赏。通常不同的电子密码锁拥有不一样的功能和操作,但其基本操作流程是一至的,开始先输入密码,然后由进行密码对比,
12、最后根据密码对比的结果来进行处理。使用大规模、超大规模可编程逻辑器件与EDA(电子设计自动化)技术已经成为现代数字技术发展的潮流,HDL(硬件描述语言)很适用于可编程逻辑器件的研发设计。尤其是在大容量CPLD(复杂可编程逻辑器件)和FPGA(现场可编程门阵列)的设计中,若采用以往的布尔方程描述方式或门级描述方式,很难迅速高效地完成。VHDL(高速集成电路描述语言) 能提供高级语言结构,能方便地描述大型电路,简洁了使用者的操作,有效快速地完成设计。1.2 密码锁的研究现状及发展趋势 在日常生活中,锁具被普遍使用,锁具的发展大致可分为三个阶段:木质锁、机械锁、电子锁以及用于特定场合的安全密码锁。目
13、前使用范围最广的是机械锁,这种锁结构简单且价格便宜,但安全性差。因为其工作原理是通过钥匙齿形来与锁芯配合完成的,一旦拿到钥匙就可开门,而且不只是钥匙,某些不法分子通过其他工具也可在没钥匙的情况下打开大门。并且这种机械锁多为金属制造易损坏、变形、生锈从而给人们的生活带来不便。而电子密码锁的安全性、方便性就高于机械锁。首先有了电子锁就可以不用佩戴钥匙并且再也不用烦恼钥匙丢了怎么办,其次以具有6位密码的电子锁而言其密码的组合有百万次,不用担心会被破解掉。一直以来人们从未中断过对锁的研究,因为锁一直是人们的安全保障,现在社会上更是出现了各种锁,比如磁卡锁、指纹锁、人脸识别、瞳孔识别等锁。然而由于制作成
14、本及使用局限性使得其并没有得到广泛使用,同样电子锁也存在其局限性,比如需电源提供能量。但随着集成电路的发展使得电子密码锁的体积也越来越小,同时功耗也在降低,稳定性和可靠性也得到提高。最终电子密码锁的局限会得到改善使得其得以普遍使用。目前电子密码锁的功能已变得多样化,不在仅限于开锁上锁同时还具有防撬、报警、记录、显示功能。在这方面上电子锁是机械锁所不能比拟的,其发展前景是远远超出了机械锁,而机械锁由于其结构上的局限使其不具有电子锁的发展前景。并且使用FPGA开发的电子锁具有良好的移植性,可配合其他电路形成更强大门禁系统,在以后的发展中电子密码锁必可获得迅速的发展及更广泛的应用。1.3 本课题的主
15、要研究内容1)基于VHDL语言编写出可实现多功能的电子密码锁。2)构思密码锁的总体设计方案,根据总体设计方案设计出相应的子模块。3)实现密码清除、密码修改、上锁、解锁、错误报警、温度显示、火灾报警、时钟显示等功能。4)通过对设计的分析,熟悉EDA设计的方法、内容及步骤。1.4 本章小结本章对电子密码锁的研究背景、研究意义、研究现状、发展趋势及研究内容进行了简单介绍,确定了密码锁的开发环境、仿真软件和设计语言,并明确了密码锁的设计方案和具体的开发步骤。第2章 设计平台介绍2.1 FPGA简介现场可编程门阵列FPGA器件是Xilinx公司与1985年首家推出,他是一种新型高密度PLD,采用CMOS
16、SRAM工艺制作。FPGA的结构与门阵列PLD不同,其内部由许多独立可编程逻辑模块组成,逻辑快之间可以灵活的相互连接。FPGA结构一般分为三部分:可编程逻辑快、可编程I/O模块以及可编程内部连线。配置数功能据存放在内部SRAM或者熔丝图上,基于SRAM的的FPGA器件工作前需要从外部加载配置数据。配置数据可存储在片外的EPROM或者计算机上,设计人员可以控制加载控制,在现场修改器件的逻辑功能,即所谓现场可编程。2.1.1 FPGA工作原理FPGA采用了逻辑单元阵列LCA(Logic Cell Array)这样一个概念,内部包括可配置逻辑模块CLB(Configurable Logic Bloc
17、k)、输出输入模块IOB(Input Output Block)和内部连线(Interconnect)三个部分。 现场可编程门阵列(FPGA)是可编程器件,与传统逻辑电路和门阵列(如PAL,GAL及CPLD器件)相比,FPGA具有不同的结构。FPGA利用小型查找表(161RAM)来实现组合逻辑,每个查找表连接到一个D触发器的输入端,触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动I/O,由此构成了既可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块,这些模块间利用金属连线互相连接或连接到I/O模块。FPGA的逻辑是通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现的,存储在存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能
18、以及各模块之间或模块与I/O间的联接方式,并最终决定了FPGA所能实现的功能,FPGA允许无限次的编程。2.1.2 FPGA基本特点(1) 采用FPGA设计ASIC电路,用户不需要投片生产,就能得到合用的芯片。(2) FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。(3) FPGA内部有丰富的触发器和IO引脚。(4) FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。(5) FPGA采用高速CHMOS工艺,功耗低,可以与CMOS、TTL电平兼容。可以说,FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。 FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状
19、态的,因此,工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式,采用不同的编程方式。2.2 QuartusII简介 QuartusII是Altera提供的FPGA/CPLD开发集成环境,Altera是世界上最大的可编程逻辑器件供应商之一。QuartusII在21世纪初推出,是Altera前一代FPGA/CPLD集成开发环境MAX+PLUSII的更新换代产品,其界面友好,使用便捷。QuartusII提供了一种与结构无关的设计环境,使设计者能方便地进行设计输入、快速处理和器件编程。Altera的QuartusII提供了完整的多平台设计环境,能满足各种特定设计的需要,也是单芯片可编程系统(
20、SOPC)设计的综合性环境和SOPC开发的基本设计工具,并为Altera DSP开发包进行系统模型设计提供了集成综合环境。QuartusII设计工具完全支持VHDL、Verilog的设计流程,其内部嵌有VHDL、Verilog逻辑综合器。QuartusII也可以利用第三方的综合工具,如Leonardo Spectrum、Synplify Pro、FPGA Compiler II,并能直接调用这些工具。同样,Quartus II具有仿真功能,同时也支持第三方仿真工具,如ModelSim。此外,Quartus II与MATLAB和DSP Builder结合,可以进行基于FPGA的DSP系统开发和数
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