电子密码锁的设计.docx

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电子密码锁的设计

1绪论

1.1EDA技术及其发展

21世纪随着电子信息时代的到来，对计算的要求更高，随着电子技术的发展各种运算模块也有了飞跃性的发展，尤其是一些新软件的诞生，使科学技术有了飞跃性的发展。

在电子设计领域，电子设计自动化的应用已经深入到了电子行业的各个角落。

EDA技术就是依赖功能强大的计算机，在EDA工具软件平台上，对以硬件描述语言HDL为系统逻辑描述手段完成的设计，自动地完成逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、结构综合（布局布线），以及逻辑优化和仿真测试，直至实现既定的电子线路系统功能。

现代电子产品几乎渗透了社会各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品的性能进一步提高，产品更新换代的节奏越来越快。

微电子技术的进步表现在大规模集成电路加工技术。

即半导体工艺技术的发展上。

表征半导体工艺水平的线宽已经达到90nm（2004年），并还在不断地缩小；在硅片单位面积上集成更多的晶体管，集成电路设计在不断地向超大规模、极低功耗和超高速的方向发展；专用集成电路ASIC（ApplicationSpecificIntegratedCircuit）的设计成本不断降低，在功能上，现代的集成电路已能实现单片电子系统SOC（SystemonaChip）的功能。

现代电子设计技术的核心是EDA（ElectronicDesignAutomation）技术。

EDA技术就是依赖功能强大的计算机，在EDA工具软件平台上，对以硬件描述语言HDL（HardwareDescriptionLanguage）为系统逻辑描述手段完成的设计文件，自动的完成逻辑编译、逻辑简化、逻辑分割、逻辑综合、结构综合（布局布线），以及逻辑优化和仿真测试，直至实现既定的电子线路系统功能。

EDA技术使得设计者的工作仅限于利用软件的方式，即利用硬件描述语言和EDA软件来完成对系统硬件功能的实现。

从另一方面看，在现代高新技术电子产品的设计和生产中，微电子技术和现代电子设计技术是相互促进、相互推动又相互制约的两个技术环节。

前者代表了物理层在广度和深度上硬件电路的实现和发展，后者则反映了现代先进的电子理论、电子技术、仿真技术、设计工艺和设计技术与最新的计算机软件技术有机的融合和升华。

因此，严格的说，EDA技术应该是这两者的结合，是这两个领域共同孕育的奇葩。

EDA技术在硬件实现方面融合了大规模集成电路制造技术、IC版图设计技术、ASIC测试和封装技术、EPGA/CPLD编程下载技术、自动测试技术等；在计算机辅助工程方面融合了计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）、计算机辅助工程（CAE）技术以及多种计算机语言的设计概念；而在现代电子学方面则容纳了更多的内容，如电子线路设计理论、数字信号处理技术、数字系统建模和优化技术以及长线技术理论等。

因此EDA技术为现代电子理论和设计的表达与实现提供了可能性。

在现代技术的所有领域中，得以飞速发展的科学技术多为计算机辅助设计，而非自动化设计。

显然最早进入设计自动化的技术领域之一是电子技术，这就是为什么电子技术始终处于所有科学技术发展最前列的原因之一。

不难理解，EDA技术已经不是某一学科的分支，或某种新的技术技能，它应该是一门综合性学科，它融合多学科于一体，又渗透于各学科之中，打破了软件和硬件之间的壁垒，使计算机的软件技术和硬件实现、设计效率和产品性能和二为一，它代表了电子设计技术和应用技术的发展方向。

正因为EDA技术丰富的内容以及与电子技术各学科领域的相关性，其发展的历程同大规模集成电路技术、计算机辅助工程、可编程逻辑器件，以及电子设计技术和工艺的发展是同步的。

就过去近30年电子技术的发展历程，大致可将EDA技术的发展分为三个阶段。

20世纪70年代，在集成电路制作方面MOS工艺得到广泛应用。

可编程逻辑技术及其器件已经问世，计算机作为一种运算工具已在科研领域得到广泛应用。

而在后期，CAD的概念已见雏形。

这一阶段人们开始利用计算机取代手工劳动，辅助进行集成电路版图编辑、PCB布局布线等工作。

20世纪80年代，集成电路技术进入了CMOS（互补场效应管）时代。

复杂的可编程逻辑器件已经进入商业应用，相应的辅助设计软件也已经投入使用。

而在80年代末期，出现了FPGA（FieldProgrammableGateArray），CAE和CAD技术的应用更为广泛，它们在PCB设计方面的原理图输入、自动布线及PCB分析，以及逻辑设计、逻辑仿真、布尔方程综合和简化等方面担任了重要的角色，特别是各种硬件描述语言的出现及其在应用和标准化方面的重大进步，为电子设计自动化必须解决的电路建模、标准文档及仿真测试奠定了基础。

进入20世纪90年代，随着硬件描述语言的标准化得到进一步确立，计算机辅助工程、辅助分析和辅助设计在电子技术领域获得更加广泛的应用，与此同时电子技术在通信、计算机及家电产品生产中的市场需求，极大地推动了全新的电子设计自动化技术的应用和发展。

EDA技术在进入21世纪后，得到了更大的发展，突出表现在以下几个方面：

（1）使电子设计成果以自主知识产权的方式得以明确表达和确认成为可能。

（2）在仿真和设计两个方面支持标准硬件描述语言的功能强大的EDA软件不断推出。

（3）电子设计技术全方位进入EDA领域，除了日益成熟的数字技术外，传统的电路系统设计建模理念发生了重大变化：

软件无线电技术的崛起，模拟电路系统硬件描述语言的表达和设计的标准化，系统可编程模拟器件的出现，数字信号处理和图像处理的全硬件实现方案的普遍接受，软硬件技术进一步融合等。

（4）EDA技术使得电子技术领域各个学科的界限更加模糊，更加互为包容：

模拟与数字、软件与硬件、系统与器件、ASIC与FPGA、行为与结构等。

（5）更大规模的FPGA和CPLD（ComplexProgrammableLogicDevice）器件的不断推出。

（6）基于EDA工具、用于ASIC设计的标准单元已涵盖大规模电子系统及复杂IP核模块。

（7）软硬件IP核在电子行业的产业领域、技术领域和设计应用领域得到进一步确认。

（8）SOC高效低成本设计技术的成熟。

（9）系统级、行为验证级硬件描述语言（如SystemC）的出现，使复杂电子系统的设计和验证趋于简单。

1.2EDA技术的应用

EDA在教学、科研、产品设计与制造等各方面都发挥着巨大的作用。

在教学方面，几乎所有理工科（特别是电子信息）类的高校都开设了EDA课程。

主要是让学生了解EDA的基本概念和基本原理、掌握用HDL语言编写规范、掌握逻辑综合的理论和算法、使用EDA工具进行电子电路课程的实验并从事简单系统的设计。

一般学习电路仿真工具（如EWB、PSPICE）和PLD开发工具（如Altera/Xilinx的器件结构及开发系统），为今后工作打下基础。

科研方面主要利用电路仿真工具（EWB或PSPICE）进行电路设计与仿真；利用虚拟仪器进行产品测试；将CPLD/FPGA器件实际应用到仪器设备中；从事PCB设计和ASIC设计等。

在产品设计与制造方面，包括前期的计算机仿真，产品开发中的EDA工具应用、系统级模拟及测试环境的仿真，生产流水线的EDA技术应用、产品测试等各个环节。

如PCB的制作、电子设备的研制与生产、电路板的焊接、ASIC的流片过程等。

从应用领域来看，EDA技术已经渗透到各行各业，如上文所说，包括在机械、电子、通信、航空航天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域，都有EDA有应用。

另外，EDA软件的功能日益强大，原来功能比较单一的软件，现在增加了很多新用途。

如AutoCAD软件可用于机械及建筑设计，也扩展到建筑装璜及各类效果图，汽车和飞机的模型、电影特技等领域。

1.3EDA技术的发展趋势

从目前的EDA技术来看，其发展趋势是政府重视、使用普及、应用文泛、工具多样、软件功能强大。

中国EDA市场已渐趋成熟，不过大部分设计工程师面向的是PC主板和小型ASIC领域，仅有小部分（约11%）的设计人员工发复杂的片上系统器件。

为了与台湾和美国的设计工程师形成更有力的竞争，中国的设计队伍有必要购入一些最新的EDA技术。

在信息通信领域，要优先发展高速宽带信息网、深亚微米集成电路、新型元器件、计算机及软件技术、第三代移动通信技术、信息管理、信息安全技术，积极开拓以数字技术、网络技术为基础的新一代信息产品，发展新兴产业，培育新的经济增长点。

要大力推进制造业信息化，积极开展计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程（CAE）、计算机辅助工艺（CAPP）、计算机机辅助制造（CAM）、产品数据管理（PDM）、制造资源计划（MRPII）及企业资源管理（ERP）等。

有条件的企业可开展“网络制造”，便于合作设计、合作制造，参与国内和国际竞争。

开展“数控化”工程和“数字化”工程。

自动化仪表的技术发展趋势的测试技术、控制技术与计算机技术、通信技术进一步融合，形成测量、控制、通信与计算机（M3C）结构。

在ASIC和PLD设计方面，向超高速、高密度、低功耗、低电压方向发展。

外设技术与EDA工程相结合的市场前景看好，如组合超大屏幕的相关连接，多屏幕技术也有所发展。

中国自1995年以来加速开发半导体产业，先后建立了几所设计中心，推动系列设计活动以应对亚太地区其它EDA市场的竞争。

在EDA软件开发方面，目前主要集中在美国。

但各国也正在努力开发相应的工具。

日本、韩国都有ASIC设计工具，但不对外开放。

中国华大集成电路设计中心，也提供IC设计软件，但性能不是很强。

相信在不久的将来会有更多更好的设计工具有各地开花并结果。

据最新统计显示，中国和印度正在成为电子设计自动化领域发展最快的两个市场，年复合增长率分别达到了50%和30%。

EDA技术发展迅猛，完全可以用日新月异来描述。

EDA技术的应用广泛，现在已涉及到各行各业。

EDA水平不断提高，设计工具趋于完美的地步。

EDA市场日趋成熟，但我国的研发水平沿很有限，需迎头赶上。

2硬件描述语言VHDL

VHDL（VHSIChardwareDescriptionLanguage）语言是1983年美国国防部（DOD）发起创建的由IEEE进一步发展并在1987年“IEEE标准1076”发布的硬件电路描述语言。

它覆盖面广，描述能力强，能够支持硬件设计、验证、综合和测试，是一种多层次的硬件描述语言，它还可以描述与工艺有关的信息，工艺参数，可以通过设计文件语言参数来调整，不会因工艺变化而使VHDL语言过时，因此它有着较长的生命周期。

广范应用于EDA技术中。

由于用硬件描述语言对电子线路进行表达和设计是EDA建摸和实现技术最基本和最重要的方法。

2.1VHDL语言的特性

VHDL作为一个规范语言和建模语言，随着VHDL的标准化，出现了一些支持该语言的仿真器。

由于创建VHDL的最初目的是用于标准文档的建立和电路功能模拟，其基本想法是在高层次上描述系统和元件的行为。

但到了20世纪90年代初，人们发现，用软件工具将VHDL源码自动地转化为文本方式表达基本逻辑元件连接图，即网表文件。

这种方法显然对于电路自动设计是一个极大地推进。

很快，电子设计领域出现了第一个软件设计工具，即VHDL逻辑综合器，它把标准VHDL的部分语句描述转化为具体电路实现的网表文件。

VHDL语言具有很强的电路描述和建模能力，能从多个层次对数字系统进行建模和描述，从而大大简化了硬件设计任务，提高了设计效率和可靠性。

VHDL具有与具体硬件电路无关和与设计平台无关的特性，并且具有良好的电路行为描述和系统描述能力，在语言易读性和层次化结构化设计方面表现了强大的生命力和应用潜力。

因此，VHDL支持各种模式的设计方法：

自顶向下与自底向上或混合方法，在面对当今许多电子产品生命周期缩短，需要多次重新设计以融入最新技术、改变工艺等方面，VHDL具有良好的适应性。

用VHDL进行电子系统设计的一个很大的优点是设计者可以专心致力于其功能的实现，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。

2.2VHDL语言的应用

VHDL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系统设计的基本点。

应用VHDL进行工程设计的优点是多方面的。

（1）与其他的硬件描述语言相比，VHDL具有更强的行为描述能力，从而决定了他成为系统设计领域最佳的硬件描述语言。

强大的行为描述能力是避开具体的器件结构，从逻辑行为上描述和设计大规模电子系统的重要保证。

（2）VHDL丰富的仿真语句和库函数，使得在任何大系统的设计早期就能查验设计系统的功能可行性，随时可对设计进行仿真模拟。

（3）VHDL语句的行为描述能力和程序结构决定了他具有支持大规模设计的分解和已有设计的再利用功能。

符合市场需求的大规模系统高效，高速的完成必须有多人甚至多个代发组共同并行工作才能实现。

（4）对于用VHDL完成的一个确定的设计，可以利用EDA工具进行逻辑综合和优化，并自动的把VHDL描述设计转变成门级网表。

（5）VHDL对设计的描述具有相对独立性，设计者可以不懂硬件的结构，也不必管理最终设计实现的目标器件是什么，而进行独立的设计。

2.3MAX+plusII概述

Max+plusII是Altera公司推出的的第三代PLD开发系统（Altera第四代PLD开发系统被称为：

QuartusII，主要用于设计新器件和大规模CPLDFPGA）.使用MAX+PLUSII的设计者不需精通器件内的复杂结构。

设计者可以用自己熟悉的设计工具（如原理图输入或硬件描述语言）建立设计，MAX+PLUSII把这些设计转自动换成最终所需的格式。

其设计速度非常快。

对于一般几千门的电路设计，使用MAX+plusII，从设计输入到器件编程完毕，用户拿到设计好的逻辑电路，大约只需几小时。

设计处理一般在数分钟内完成。

特别是在原理图输入等方面，Max+plusII被公认为是最易使用，人机界面最友善的PLD开发软件，特别适合初学者使用。

1.Max+plusII的环境

Max+plusII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。

它自动设计的各主要处理环节和设计流程，包括设计输入编辑、编译网表提取、数据库建立、逻辑综合、逻辑分割、适配、延时网表提取、编程文件汇编（装配）以及编程下载9个步骤。

Max+plusII编译支持的硬件描述语言有VHDL（支持VHDL’87及VHDL’97标准）、VerilogHDL及AHDL。

前两种为IEEE标准支持的硬件描述语言，最后一种AHDL是Altera公司自己设计、制定的硬件描述语言，是一种以结构描述方式为主的硬件描述语言，只有企业标准。

Max+plusII允许来自第三方的EDIF文件输入，这可以和其他EDA工具进行接口。

而且Max+plusII支持层次化设计，可以在一个新的编辑输入环境中对使用不同输入设计方式的工程模块（元件）进行调用，从而解决了原理图与HDL混合输入设计的问题。

在设计输入之后，Max+plusII的编译器将给出设计输入的错误报告。

Max+plusII拥有性能良好的设计错误定位器，用于确定文本或图形设计中的错误。

2.Max+plusII的特点

1）开放的界面

MAX+plusⅡ支持与Cadence，Exemplarlogic，MentorGraphics，Synplicty，Viewlogic和其它公司所提供的EDA工具接口。

2）与结构无关

MAX+plusⅡ系统的核心Complier支持Altera公司的FLEX10K、FLEX8000、FLEX6000、MAX9000、MAX7000、MAX5000和Classic可编程逻辑器件，提供了世界上唯一真正与结构无关的可编程逻辑设计环境。

3）完全集成化

MAX+plusⅡ的设计输入、处理与较验功能全部集成在统一的开发环境下，这样可以加快动态调试、缩短开发周期。

4）丰富的设计库

MAX+plusⅡ提供丰富的库单元供设计者调用，其中包括74系列的全部器件和多种特殊的逻辑功能（Macro-Function）以及新型的参数化的兆功能（Mage-Function）。

5）模块化工具

设计人员可以从各种设计输入、处理和较验选项中进行选择从而使设计环境用户化。

6）硬件描述语言（HDL）

MAX+plusⅡ软件支持各种HDL设计输入选项，包括VHDL、VerilogHDL和Altera自己的硬件描述语言AHDL。

7）Opencore特征

MAX+plusⅡ软件具有开放核的特点，允许设计人员添加自己认为有价值的宏函数。

2.Max+plusII的功能

1）原理图输入（GraphicEditor）

MAX+PLUSII软件具有图形输入能力,用户可以方便的使用图形编辑器输入电路图,图中的元器件可以调用元件库中元器件,除调用库中的元件以外,还可以调用该软件中的符号功能形成的功能块.。

2）硬件描述语言输入（TextEditor）

MAX+PLUSII软件中有一个集成的文本编辑器,该编辑器支持VHDL,AHDL和Verilog硬件描述语言的输入,同时还有一个语言模板使输入程序语言更加方便,该软件可以对这些程序语言进行编译并形成可以下载配置数据，文本编辑器窗口。

3）波形编辑器（ＷaveformEditor）

在进行逻辑电路的行为仿真时，需要在所设计电路的输入端加入一定的波形，波形编辑器可以生成和编辑仿真用的波形（*.SCF文件），使用该编辑器的工具条可以容易方便的生成波形和编辑波形。

使用时只要将欲输入波形的时间段用鼠标涂黑，然后选择工具条中的按钮，例如，如果要某一时间段为高电平，只需选择按钮“1”。

4）管脚（底层）编辑窗口（FloorplanEditor）

该窗口用于将已设计好逻辑电路的输入输出节点赋予实际芯片的引脚,通过鼠标的拖拉，方便的定义管脚的功能。

5）自动错误定位

在编译源文件的过程中，若源文件有错误，MAX+Plus2软件可以自动指出错误类型和错误所在的位置。

6）逻辑综合与适配

该软件在编译过程中，通过逻辑综合（LogicSynthesizer）和适配（Fitter）模块,可以把最简单的逻辑表达式自动的吻合在合适的器件中。

7）多器件划分（Partitioner）

如果设计不能完全装入一个器件，编译器中的多器件划分模块，可自动的将一个设计分成几个部分并分别装入几个器件中，并保证器件之间的连线最少。

8）编程文件的产生

编译器中的装配程序（Assembler）将编译好的程序创建一个或多个编程目标文件：

EPROM配置文件（*.POF）例如,MAX7000Ｓ系列

SRAM文件（*.SCF）例如,FLEX8000系列的配置芯片EPROM

JEDEC文件（*.JED）

十六进制文件（*.HEX）

文本文件（*.TTF）

串行BIT流文件（*.SBF）

9）仿真

当设计文件被编译好,并在波形编辑器中将输入波形编辑完毕后,就可以进行行为仿真了,通过仿真可以检验设计的逻辑关系是否准确.

3电子密码锁的设计原理

目前大部分电子密码锁采用单片机进行设计,电路较复杂,性能不够灵活。

本文采用先进的EDA（电子设计自动化）技术,利用MAX+plusⅡ工作平台和VHDL（超高速集成电路硬件描述语言）,设计了一种新型的电子密码锁。

该密码锁由三个部分组成：

数字密码输入电路、密码锁控制电路和密码锁显示电路。

（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、激活电锁（寄存器清除信号发生电路），密码核对（数值比较电路），解锁电路（开/关门锁电路）等几个小功能电路。

（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。

电子密码锁系统的总体组成框图如图3.1所示。

图3.1电子密码锁系统总体框图

3.1密码锁输入电路设计

图3.2是电子密码锁的输入电路框图，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3×4矩阵式键盘组成。

图3.2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被广泛应用。

图3.3是一个3×4矩阵式键盘的面板配置图，其中数字0～9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。

图3.33×4矩阵式键盘的面板配置

键盘上的每一个按键其实就是一个开关电路，当某键被按下时，该按键的接点会呈现0的状态，反之，未被按下时则呈现逻辑1的状态。

扫描信号由KY3～KY0进入键盘，变化的顺序依次为1110-1101-1011-0111-1110。

每一次扫描一排，依次地周而复始。

例如现在的扫描信号为1011，代表目前正在扫描7、8、9这一排的按键，如果这排当中没有按键被按下的话，则由KX2～KX0读出的值为111；反之当7这个按键被按下的话，则由KX2～KX0读出的值为011。

根据上面所述原理，我们可得到各按键的位置与数码关系如表3.1所示。

表3.1按键位置与数码关系

KY3～KY0

1110

1101

1011

0111

KX2～KX0

011

101

110

011

101

110

011

101

110

011

101

110

按键号

若从KX2～KX0读出的值皆为1时，代表该列没有按键按下，则不进行按键译码的动作，反之，如果有按键按下时，则应将KX2～KX0读出的值送至译码电路进行编码。

2.密码锁输入电路各主要功能模块的设计

1）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。

当一个系统中需使用多种操作频率的脉冲波形时，最方便的方法之一就是利用一个自由计数器来产生各种需要的频率。

也就是先建立一个N位计数器，N的大小根据电路的需求决定，N的值越大，电路可以分频的次数就越多，这样就可以获得更大的频率变化，以便提供多种不同频率的时钟信号。

若输入时钟为CLK，N位计数器的输出为Q[N-1..0]，则Q（0）为CLK的2分频脉冲信号，Q

（1）为CLK的4分频脉冲信号，Q

（2）为CLK的8分频脉冲信号……Q（N-1）为CLK的2N分频脉冲信号；Q（5DOWNTO4）取得是一个脉冲波形序列，其值依00-01-10-11-00-01周期性变化，其变化频率为CLK的25分频，也就是32分频。

我们利用以上规律即可得到我们所需要频率的信号或信号序列。

2）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3.2中的KY3~KY0）的，扫描信号变化的顺序依次为1110—1101—1011—0111—1110……

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