一种多功能电子密码锁的VHDL设计

摘要：利用EDA技术，在可编程逻辑器件CPLD上实现了一种多功能电子密码锁。为弥补传统密码锁的不足，进一步提高可靠性，该系统中所有数据的存储、运算都完全由硬件实现。利用VHDL语言对电路进行行为描述，QuartusⅡ软件中的EDA工具进行仿真及下载。整个设计过程采用自顶向下方案，设计效率高，开发成本低。采用了MAXⅡ系列的CPLD作为硬件核心，其功耗低，逻辑执行速度远高于单片机，在安防行业中有较强的市场竞争力。

0 引言

传统机械锁的防盗功能差，在现代高科技安防系统中无法起到作用，已逐步被更可靠、更智能的电子数字密码锁代替。目前市场上的大部分密码锁产品是以单片机为核心的，利用软件进行控制，实际应用中系统稳定性较差且成本高。本文研究的是电子密码锁的一种纯硬件实现方案，为弥补传统技术的不足，采用EDA技术在可编程芯片上实现密码的存储、运算等操作，使产品既具有硬件的安全性和高速性，又具有软件开发的灵活性和易维护性。

1 主要技术与开发环境

1.1 EDA技术及特点

EDA（Electronic Design Automation），即“电子设计自动化”,是目前电子设计领域中的主流技术。EDA技术就是依靠功能强大的电子计算机，在EDA 工具软件平台上，对以硬件描述语言为系统逻辑描述手段完成的设计文件，自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化和仿真，直至下载到可编程逻辑器件CPLD/FPGA 或专用集成电路ASIC 芯片中，实现特定的电子电路设计功能。与传统电子设计方法相比，EDA技术具有以下主要优势：

（1）可以在电子设计的各个阶段、各个层次进行计算机模拟验证；

（2）独特的自顶向下的电子设计方案；

（3）使设计者拥有完全的自主权。

1.2 硬件描述语言

VHDL（Very High Speed Integration Circuits Hard-ware Description Language），即“超高速集成电路硬件描述语言”,是当今电子设计领域的主流硬件描述语言。

它具有很好的电路行为描述能力和系统描述能力，且具有与具体硬件电路无关、与设计平台无关的特性，使得设计者可以专心致力于系统功能的实现，而不需要对不影响功能的、与工艺有关的因素花费过多的时间和精力。

1.3 开发环境

1.3.1 软件平台

QuartusⅡ是Altera公司推出的新一代开发软件，支持多种编辑输入法，包括图形输入法，基于硬件描述语言的文本编辑输入法和内存编辑输入法。它支持Al-tera 的IP 核，包含了LPM/MegaFunction 宏功能模块库，使用户可以充分利用成熟的模块，简化自己的设计、提高开发效率。

Quartus Ⅱ作为一种可编程逻辑的设计环境，其强大的设计能力已经成为广大设计人员首选的开发工具，本设计采用的是Quartus Ⅱ9.0版本作为开发平台。

1.3.2 硬件平台

CPLD（Complex Programmable Logic Device），即复杂可编程器件，由于CPLD具有编程灵活、集成度高、设计开发周期短、制造成本低、保密性强等特点，本文的硬件测试是基于MAXⅡ系列的CPLD上完成的，芯片型号为EPM240T100C5.

2 密码锁功能要求

目前市面上的电子密码锁，只允许用户输入固定位数的密码。但在实际应用中，密码位数太多，不便于老年用户记忆，而位数太少，又不能满足一些对安全性能要求高的青年用户。本文中，基于CPLD 的集成度高、成本低的特点，克服了以上缺点，让用户自行设定密码位数，该功能在同行业产品竞争中有一定的优势。

设计的电子密码锁可以完成以下功能：

（1）设置密码锁的密码位数n;

（2）n 位密码的输入及显示；

（3）密码的核对；

（4）报警功能；

（5）密码的清除和修改。

主要由密码输入电路、核心控制电路和显示输出电路构成。其中，输入电路包括矩阵式键盘、键盘扫描电路、消抖电路、译码电路等；控制电路主要完成密码的输入、核对、清除和修改等功能；输出电路控制数码显示屏上密码值的显示。

3 硬件电路设计

3.1 输入电路

本设计采用的是4×3 矩阵式键盘，如图1所示，它是由4 根I/O线作为行线，3根I/O线作为列线，在行列线的每一个交叉点上都设置一个按键，一共有12个按键，分别代表数字0~9、确认键和设置键，如图1所示。用户如需设置密码位数，可以长按设置键达到3 s,听到提示音后再输入密码位数（本设计暂时只支持4,6,8位）；如需设置新密码，可以短按设置键，提示音后再输入新的密码即可。输入电路应具备矩阵键盘扫描功能、键盘消抖功能以及译码等功能。其中，键盘扫描采用是行扫描方式，4 根I/O 线KEYR3~KEYR0 为行扫描信号，其中KEYR3对应第一行，KEYR2对应第二行，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，当某键被按下时，从KEYC2~KEYC0 中读出的相应列信号为“0”,再将此时的4位行信号和3位列信号值送至键盘译码电路进行译码，即可得出准确的按键值。相反，若从KEYC2~KEYC0 读出的值全为“1”,则表示没有键被按下，即不做任何操作。如表1所示。

在键盘扫描过程中，扫描信号在不断变化，以判断按键的按下和抬起。快速变化的扫描信号不仅使增加了系统功耗，而且还会对其他敏感电路造成干扰[6-7].因此必须进行以下改进：将扫描模式改为键按下触发扫描方式，即当某键被按下后，才触发键盘扫描电路产生扫描时序，键被放开后，停止对键盘的扫描，使电路处于相对静止状态，以减少干扰信号。

另外，在按键按下时刻与开始扫描时刻之间加入一段较小的延时，延时结束后才允许电路开始扫描工作，可以最大限度地避免因键盘抖动带来的错误输入。

主要VHDL代码描述如下：

3.2 控制电路

控制电路是整个系统的核心电路，能根据用户输入的密码位数进行子电路的选择。由于系统允许用户输入4 位、6 位或8 位密码，因此子电路有三个，由三选一选择器决定其中哪个电路为用户服务，见图2.

图2中，en是三选一选择器的工作使能端，它由输入电路的有效重置信号启动。当用户按下矩阵键盘上的重置按键长达3 s后，输入电路将产生en信号为‘1',从而使选择器Mux31 开始工作。如用户要设置为6 位密码，则在提示音后按下键盘上的“6”按键，其按键信号会传递给X6,由选择器决定后续控制电路为kong6.

主要VHDL代码描述如下：

对于后续控制电路kong4~kong8,都应具有密码清除、存储、核对及修改等功能。由于仅仅是操作数位数不同而已，这三个电路的VHDL语言描述过程对设计人员来说，几乎是重复操作，因此大大缩短了设计周期。

控制电路中密码的存储是利用寄存器来实现的。

寄存器是一个典型的时序逻辑电路，在某一特定时钟信号的控制下可以装载一组二进制数据并稳定存储，撤销该控制信号后信息仍然存放在寄存器中。充分利用VHDL中不完整的if语句能产生时序电路的特点，进行电路描述，而不涉及到内部触发器，开发效率高。

3.3 输出电路

输出电路要准确地将结果以十进制形式直观地显示在输出LED 上，并且当用户每输入一位密码，所有LED上的密码值左移一位。该电路属于纯组合逻辑电路，可以利用VHDL语言中的case语句描述出其电路功能。

部分VHDL代码如下：

其中：movesgl 表示左移位移量；zin 是输入信号；当movesgl为“000”时表示不需要左移；当为“001”时，表示需要移动一次；“010”表示需要移动两次，以此类推。当用户通过矩阵键盘输入6 位密码时，就需要向左移动6 次，从而达到密码在LED数码管上动态左移的现象。

4 仿真与下载

4.1 仿真

在编程下载之前，必须利用EDA 工具对设计结果进行模拟测试，即仿真。仿真是EDA 设计过程中的重要步骤。本文采用的时序仿真是最接近真实器件运行特征的仿真，仿真精度较高。以4位密码电路为例，做出了系统仿真图，如图3所示。

从图3中可以看出，通过输入端zin,先后输入了密码值“5623”,s0,s1,s2,s3存储的值在实时更新，分析波形，总结该系统基本达到了预期的功能需求，输出波形正常。

4.2 下载

在QuartusⅡ9.0软件中，利用集成EDA工具完成的下载步骤如下：

（1）根据开发板中可编程CPLD芯片EPM240T100C5的引脚特性，将本系统的顶层设计实体的端口进行引脚分配。

（2）适配器完成适配后生成了POF 格式的下载文件，再通过JTAG编程电缆向CPLD芯片进行编程。

（3）单击下载按钮Start,即对目标器件进行下载操作。当Process进度显示100%时，表示下载成功。

（4）利用开发板上的外围接口电路，进行了硬件的测试。并利用嵌入式逻辑分析仪SignalTap Ⅱ观察密码输入、修改等运行情况。

5 结语

本文弥补了传统密码锁技术上的不足，研究出了一种利用VHDL语言，结合EDA技术，在可编程芯片CPLD 上构造逻辑电路。由于所有密码的存储及运算都通过纯硬件实现，其逻辑执行速度远高于单片机。充分利用了CPLD的逻辑可编程性，开发周期短、效率高，设计出来的产品具有较高的可靠性，且功耗低、体积小、易维护，势必会在安防市场中取胜。（作者：杨斐，黄军，康浩）