名称：vivado数字密码锁verilog带详细设计报告ego1开发板验证
软件：VIVADO
语言：Verilog
代码功能：
1.设计一个开锁密码至少为4位数字的密码锁
2.当开锁按键开关（可设置为8位或更多，其中只有4位有效，其余为虚设）的输入代码等于所设密码时启动开锁控制电路，用F1灯亮，F2灯灭表示开锁状态，并用数码管显示英文大写的OP
3.从第一个按键触动后的10秒内若未能将锁打开，则电路自动复位，同时用F1灯灭，F2灯亮表示关锁状态，并用数码管显示英文大写LC
4.10秒开锁倒计时要求用数码管显示
FPGA代码Verilog/VHDL代码资源下载：www.hdlcode.com
本代码已在ego1开发板验证，开发板如下，其他开发板可以修改管脚适配：
http://www.hdlcode.com/index.php?m=home&c=View&a=index&aid=313一、设计要求
1. 设计一个开锁密码至少为4位数字的密码锁
2. 当开锁按键开关（可设置为8位或更多，其中只有4位有效，其余为虚设）的输入代码等于所设密码时启动开锁控制电路，用F1灯亮，F2灯灭表示开锁状态，并用数码管显示英文大写的OP
3. 从第一个按键触动后的10秒内若未能将锁打开，则电路自动复位，同时用F1灯灭，F2灯亮表示关锁状态，并用数码管显示英文大写LC
4. 10秒开锁倒计时要求用数码管显示
二、工作原理及系统方框图
根据设计要求，采用Verilog代码设计，代码采用自顶向下的设计方法，分为顶层模块和子模块，顶层模块调用子模块。子模块包括按键消抖模块，密码输入模块，密码控制模块，密码重置模块，数码管显示模块。顶层模块负责将上述模块调用并连接，最终形成完整的密码锁控制系统，实现设计要求。
整体设计采用状态机进行控制，通过按键控制状态机的跳转，不同状态对应不同的功能及输出。其中按键消抖模将外输入的按键进行消抖，防止按键误操作；密码输入模块通过密码输入按键输入开锁密码；密码控制模块为主控模块，内部包含状态机，通过整体及控制整体流程，比如开锁输入密码、倒计时、开锁、关锁、修改密码灯状态。密码重置模块用于在修改密码状态下更新密码锁的开锁密码；数码管显示模块通过控制8个数码管，显示倒计时、开关锁状态、输入密码值等功能。
系统方框图如下图所示：
上图中，key_jitter为按键消抖模块，mima_input为密码输入模块，reset_password为密码重置模块，mimasuo_ctrl为密码锁控制模块，display为显示模块。
三、各部分具体模块及设计思路
3.1 按键消抖模块
按键消抖模块用于对按键进行消抖，按键所用开关为机械弹性开关，当机械触点断开、闭合时，由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合时不会马上稳定地接通，在断开时也不会一下子断开。因而在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖动，为了不产生这种现象而作的措施就是按键消抖。按键抖动如下图所示：
机械式按键的抖动次数、抖动时间、抖动波形都是随机的。不同类型的按键其最长抖动时间也有差别，抖动时间的长短和按键的机械特性有关，按键输出的信号的跳变时间（上升沿和下降沿）最大是在20ms左右。按键消抖的关键是提取稳定的低电平（或高电平）状态，滤除按键稳定前后的抖动脉冲。
3.2 密码锁控制模块
密码锁控制模块用于对密码锁的整体功能进行控制，控制采用状态机的方式。一个分为6个状态，分别是s_lock，s_compare，s_pass，s_error，s_modify，s_keyin；s_lock表示锁定状态，s_compare表示比较输入的密码和正确的密码，s_pass表示密码正确，s_error表示密码错误，s_modify表示修改密码，s_keyin表示密码输入状态。系统初始处于锁定状态（s_lock），若按下密码输入按键，则进入密码输入状态（s_keyin），此时开始倒计时，当倒计时结束还未输入完成，则跳转到锁定状态（s_lock），否则跳转到s_compare状态比较输入的密码和正确的密码。若密码正确，则进入s_pass状态，否则进入s_error状态。在pass状态下，若按下修改按键，则进入修改密码状态（s_modify）。在修改密码状态下，可以再次输入密码，按下确认键后即修改完成，状态机回到s_pass状态。状态转移图如下图所示：
3.3密码输入模块
密码输入模块用于控制密码输入，密码输入采用移位的方式，首先定义一个16bit的信号，表示4位数的密码，每个密码为4bit，采用BCD码表示。当按下按键时，将对应的键值赋值到信号的最低位，同时将原先的第11~0位左移到第15~4位。即每次按下按键后，密码都会整体左移一位，新输入的数字位于最低位。
3.4密码重置模块
密码重置模块用于在修改密码的状态下，将新输入的数字替换为密码锁的密码。在改模块下，首先需要定义一个初始密码，本系统设置为3210。当检测到状态进入修改密码状态后，将输入的密码赋值为当前的正确密码即完成了密码的修改。本模块的前提是在控制模块内已经是系统正确进入了修改密码状态。
3.5数码管显示模块
数码管显示模块用于控制数码管对应值显示出来，显示内容有倒计时，LC/OP状态，输入密码值等。数码管显示使用动态扫描的方式，依次显示频率的不同位。使用8段数码管显示，每个数码管输入为8位，对应下图中的abcdefg7段加上小数点dp，当输入1时对应的段点亮，当输入为0时，对应的段灭。
根据上图可以观察到，若要显示数字0，需要DP灭，G灭，ABCDEF亮，也就是对应编码为“00111111”，其中从左到右依次对应DP-GFEDCBA。以此类推可以得到0~9的所有编码。一共有8个数码管，每4个数码管共用一组段选信号(dig_led)，因此为了同时显示8个数码管，需要对8个数码管依次切换，控制位选信号（wei_led）按顺序循环选通，低电平时对应数码管点亮。
四、调试过程
4.1 按键消抖模块
代码编译无误后，对按键消抖模块进行仿真，仿真图如下图所示：
按键消抖的原理为先检测按键是否按下，即图中pp信号，在按键变化的瞬间会产生一个脉冲信号，根据这个脉冲信号进行计时，计时够20ms左右时，再采集稳定的按键信号，本模块仿真时，为便于快速仿真，将计时20ms省去，最终输出为key_negedge信号，改信号表示按键消抖后的按键下降沿。图中可以看到，按键按下的时候，输出了一个下降沿脉冲信号，故该模块验证正确。
4.2 密码输入模块
代码编译无误后，对密码输入模块进行仿真，密码输入模块的核心为数字按下后，对应的密码要整体左移一位。仿真图如下图所示：
上图中，key0~3表示按键按下，password表示输入的密码值，可以看到当依次按下key3,2,1,0后，password显示0003,0032,0321,3210。因此代码正确的实现了按键输入和数字移位的功能。
4.3 密码锁控制模块
代码编译无误后，对密码锁控制模块进行仿真，控制模块使用状态机控制，根据按键控制和倒计时值的不同控制状态的跳转，下图中仿真了按键开锁、改密码、重新开锁的过程。图中state信号即为状态机的状态值，password为输入的密码值，correct_password为正确密码，down_cnt为倒计时，led_open为开锁指示信号。
图中，复位后，依次按下密码3210，时密码锁打开，led_open变为高电平，然后按下修改密码按键modify，进入修改状态，此时输入0123，并确认，将密码锁密码修改为0123，然后再按下关锁键关锁。此时再输入3210后无法开锁，led_open保持低电平。重新输入0123后按下确认键，密码锁打开，led_open变为高电平。在此期间，down_cnt在第一次输入密码时开始倒计时。根据上图可以验证密码锁控制模块功能正确。
4.4 密码重置模块
代码编译无误后，对密码重置模块进行仿真，下图中，current_state信号即为状态机的状态值，password为输入的密码值，correct_password为正确密码。
对上述仿真图进行分析，当current_state为4时，表示进入修改密码状态，此时若确认按键按下，会将当前输入的数字修改为密码锁的密码。图中可以看到，current_state为4时有一个确认按键的脉冲，此时correct_password立刻变为password的值，即从3210变为0123。因此验证该功能正确。
4.5 数码管显示模块
代码编译无误后，对数码管显示模块进行仿真，数码管一共有8个，分为2组，每组有一对位选（wei_led）和段选(dig_led)信号。下图中可以看到位选（wei_led）信号是依次选中（高电平），即在某一时刻只有一个数码管显示，然后再切换位下一个数码管，当切换速度够快时，人眼就认为是所有数码管同时显示了。
数码管显示内容有倒计时，LC/OP状态，输入密码值等，以上图中黄色标线处为例，此时第一组的最左边数码管亮，显示值为00111001，根据数码管从左到右依次对应DP-GFEDCBA的顺序，可知当前该数码管显示的内容为“C”，即当前位锁定状态。通过该方法，可以分析其他数码管显示内容，经过分析，该模块可以在8个数码管上依次显示倒计时，LC/OP状态以及输入密码值。
4.6 整体仿真
分模块仿真完成后，对系统进行状态仿真，仿真图如下所示：
图中可以看到，复位后，依次按下密码3210，时密码锁打开，开锁灯亮，然后按下修改密码按键modify，进入修改状态，此时输入0123，并确认，将密码锁密码修改为0123，然后再按下关锁键关锁，关锁灯亮。此时再输入3210后无法开锁，关锁灯亮。重新输入0123后按下确认键，密码锁打开，开锁灯亮。在此期间，down_cnt在第一次输入密码时开始倒计时。根据上图可以验证整体功能正确。
五、设计结论
本设计根据设计要求，结合Verilog语言的设计规范，使用VIVADO设计软件，采用分模块的设计思路，对每个模块的功能进行划分和编程调试，最终完成了4位密码锁的设计。代码编译无误，且分别进行了单模块仿真和系统整体仿真，仿真了各项功能指标，均正确。最后对该设计的输入输出端口进行管脚分配后，成功下载到EGO1的板子上进行了实物验证，分别观察了输入密码，修改密码，倒计时，开关锁指示灯，数码管显示等功能。实验表明，系统能按设计的方式运行，与仿真的功能一致，达到了设计要求。
六、设计总结
本设计根据设计要求，结合本次设计要求，该课题从软件实现平台的学习到程序的设计、仿真、下载和调试，实现了4位密码锁的设计。
在开发期间，学习了关于密码锁的知识，对Verilog语言有了深刻地了解与掌握，并对VIVADO软件有了深入的了解。
运用VIVADO软件，基于Verilog的密码锁设计，完成了以下工作：
针对4位密码锁的总体框图划分成几个相对独立的模块，然后对各个模块在开发环境中进行编程和调试。
对每个模块单独进行分析设计，并在VIVADO中进行了功能仿真。
在设计的过程中，对拥有固定意义的信号统一命名，并在代码中进行注释（包括但不限于低/高有效），方便多个信号连接时应用，同时也将一些常用的模块定义为单独模块（按键消抖），以便共享和复用，使设计具有可重用性和可移植性，提高工作效率。
各个模块都调试成功后将各个模块连接起来总体调试，按照总体的设计图进行集成调试。
4位密码锁的仿真及实验结果表明密码锁达到了设计的功能要求。
参考文献：
[1]李晶皎, 李景宏. 曹阳. 逻辑与数字系统设计(M) .北京: 清华大学出版社, 2018.
[2]周润景, 苏良碧著. 基于Quartus II的FPGA/CPLD数字系统设计[M]. 北京: 电子工业出版社, 2013.
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[4] 丁黄胜,陆生礼,田渊,吴旭凡.基于FPGA的HMAC_SHA1_96算法设计与实现[J].半导体技术,2003(06):25-28+32.
[5] 房宝光. FPGA在OCD系统中模拟算法的加速应用[D].电子科技大学,2013.
部分代码展示:
//密码锁 module mimasuo( input clk,//时钟 input reset,//-复位 //数字输入按键 input key_0,//--SW0 input key_1,//--SW1 input key_2,//--SW2 input key_3,//--SW3 input key_4,//--(虚设) input key_5,//--(虚设) input key_6,//--(虚设) input key_7,//--(虚设) input confirm_key,//-确认键--S0 input modify_key,//--修改--S1 input lock_up_key,//--上锁--S2 output led_open,//开锁，灯 output led_close,//关锁，灯 output [7:0] dig_led_1, output [3:0] wei_led_1, output [7:0] dig_led_2, output [3:0] wei_led_2//高电平点亮，高电平选通 ); wire key_0_p; wire key_1_p; wire key_2_p; wire key_3_p; wire [2:0] current_state; wire [15:0] password; wire [15:0] correct_password; wire confirm; wire modify; wire lock_up; wire [3:0] down_cnt;//10秒倒计时 wire open; assign led_close=~open; assign led_open=open; //上升沿检测 key_jitter i1_key_jitter( . clkin(clk), . key_in(confirm_key),//输入 . key_posedge(),//消抖后按键上升沿 . key_negedge(confirm),//消抖后按键下降沿 . key_value()//消抖后按键 ); //上升沿检测 key_jitter i2_key_jitter( . clkin(clk), . key_in(modify_key),//输入 . key_posedge(),//消抖后按键上升沿 . key_negedge(modify),//消抖后按键下降沿 . key_value()//消抖后按键 ); //上升沿检测 key_jitter i3_key_jitter( . clkin(clk), . key_in(lock_up_key),//输入 . key_posedge(),//消抖后按键上升沿 . key_negedge(lock_up),//消抖后按键下降沿 . key_value()//消抖后按键 ); //密码输入模块 mima_input i_mima_input( . clk(clk), . key_0(key_0), . key_1(key_1), . key_2(key_2), . key_3(key_3), . key_0_p(key_0_p), . key_1_p(key_1_p), . key_2_p(key_2_p), . key_3_p(key_3_p), . current_state(current_state), . password(password) ); //密码锁控制模块 mimasuo_ctrl i_mimasuo_ctrl( . clk(clk), . password(password), . correct_password(correct_password), . confirm(confirm), . reset(reset), . modify(modify), . lock_up(lock_up), . key_0(key_0_p), . key_1(key_1_p), . key_2(key_2_p), . key_3(key_3_p), . down_cnt(down_cnt),//10秒倒计时 . led_open(open), . current_state(current_state) ); //重置密码模块 reset_password i_reset_password( . clk(clk), . password(password), . correct_password(correct_password), . confirm(confirm), . current_state(current_state) ); //显示模块 display i_display( .clk(clk), .down_cnt(down_cnt), . current_state(current_state),//当前状态 . password(password),//输入密码 . dig_led_1(dig_led_1), . wei_led_1(wei_led_1), . dig_led_2(dig_led_2), . wei_led_2(wei_led_2)//高电平点亮，高电平选通 ); endmodule