VHDI／设计电子密码锁

作者：薛明明

来源：《吉林省教育学院学报·上旬刊》 2012年第10期

薛明明

（伊犁师范学院 物理系，新疆 伊宁835000）

摘要：随着科学的发展，当前电子产品发展的速度非常之快，尤其是可编程逻辑器件。本文详细叙述了采用VHDL来进行可编程逻辑器件功能设计过程及VHDL的显著特点、电子密码锁的设计过程。

关键词：VHDL；可编程逻辑器件（PLD）；MAX+PLUSⅡ；电子密码锁

中图分类号：TP21

文献标识码：A文章编号：1671—1580（2012）10—0148—03

一、引言

随着生产和科学技术的发展，复杂的逻辑系统越来越广泛地运用于科学和工程实践当中。那么这样一来，必然要求整个电路从设计规模和复杂程度上有一个大幅度的提高而封装尺寸则尽量要求做到微小化。为此，生产商必须采用少量的IC器件和面积尽可能小的PCB板来研制高集成化的复杂系统。但是，从设计的角度来看，以往采用的那种电原理图的设计输入的门级描述方法却严重制约了产品的开发能力。随着半导体技术的不断进步，现代电子产品的复杂度也在日益加大，一个电子系统可能由数万个中小规模通用集成电路构成，这就带来了体积大、功耗大、可靠性差的问题，解决这一问题的有效方法就是采用ASIC（Application Specific Integrated Circuits）芯片进行设计。

二、VHDL的特点

可编程ASIC也称为可编程逻辑器件（Programmable Logic Device）。可编程逻辑器件是70年代发展起来的一种新型逻辑器件，当初主要用以解决数字系统中各类存储问题，发展至今已经成为实现数字系统的一种重要手段。可编程逻辑器件实现了设计阶段的硬件仿真

（Emulation），使得微电子设计实现了早期集成和软硬件联合验证。设计者可以快速地创建一个芯片设计的硬件模型，利用仿真软件将设计映射到可重复编程的电路器件中。由此产生的虚拟硅片与真实芯片的功能一致，可以确保正确的时序关系，运行真实的软件。从而使得工程师们可以在制造IC之前，就能够快速地发现和改正故障，观察芯片设计在它的目标环境中运行，减少甚至避免了以往反复制造样片的过程，最直接的结果就是节省了开发时间和费用。VHDL是随着可编程逻辑器件（PLD）的发展而发展起来的一种硬件描述语言。作为一种硬件设计时采用的标准语言，VHDL具有极强的描述能力，能支持系统行为级，寄存器传输级和门级三个不同层次的设计，这样设计师将在TOP-DOWN设计的全过程中可方便使用同一种语言。而且，VHDL设计是一种“概念驱动式”的高层设计技术，设计人员无须通过门级原理图描述电路，而是针对目标进行功能描述，由于摆脱了电路细节的束缚，设计人员可以专心于设计方案和构思上，因此设计工作省时省力，加快了设计周期并且工艺转换变得轻松。VHDL是一种面对设计的、多层次、多领域且得一致认同的、标准的硬件描述语言。它主要有如下特点:

（一）具有功能强大的行为描述能力，从而决定了它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。

（二）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。

（三）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。

（四）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，并自动地把VHDL描述设计转变成门级网表。

（五）可移植性好，VHDL语言是一种标准语言，易于共享，复用移植，VHDL的设计可以被不同的EDA工具支持。

（六）上市时间快，成本低。VHDL语言描述快捷，修改方便，使产品设计的前期风险投资降到最低，提高产品上市的速度，同时节省了人力。

三、电子密码锁的设计（键盘和显示电路）

电子密码锁的设计将分成三个部分，键盘接口电路的设计、密码锁的控制电路设计、输出七段显示电路的设计。

（一）键盘接口的设计

键盘上的每一个按键其实是一个开关电路，当某键被按下时，该按键的接点会呈现逻辑0的状态，反之，未被按下时则呈现逻辑1状态。扫描信号由KY3～KY0进入键盘，变化顺序为1110→1101 →1011 →0111→1110的状态。每次扫描一排，依次的周而复始。

若从KX2～KX0读出皆为1时,代表该列没有按键按下,则不进行按键编码的动作,反之,有按键按下时,应将KX2～KX0读出值送至译码电路.且将编码结果存储于寄存器中。

1.时序产生电路——是用一个自由计数器来产生各种需要的频率。

2.键盘扫描电路——提供键盘扫描信号。

3.弹跳消除电路——按键抖动会引起一次按键被误读多次，为了避免这种情况的发生，该电路可以在键闭合稳定时读取按键的状态，确保键的一次闭合。

4.键盘译码电路——除了负责将键盘送出的数据进行译码之外,另一任务是在译码同时,判断按下的键盘是数字见还是功能键。

5.键盘存储电路——因为次扫描会产生新的按键数据,可能会覆盖前面数据,所以需要一个按键存储电路,用移动寄存器构成。

键盘参数表如下：

（二）段显示电路设计

在数字逻辑电路的内部，大多数采用二进制或十六进制的数字系统，但是在日常生活中则几乎用的都是十进制，为了方便观察电路运算或处理后的结果，必须将数据显示在显示器等输出装置上，所以将BCD码转化成七段显示器的数码转换电路。

在多位LED显示时，为了简化电路，降低成本，将所有的段选线并联在一起，段选码，每送一次后延时，因为人眼视觉暂留时间100ms显示间隙不超过20ms，并保持延时一段时间，以造成视觉暂留效果，给人看上去每一个数码管都在亮。

寄存器所存储的数据经由数据选择器进入，由译码电路原来的BCD码转换成七段显示的显示码，传送至七段显示器。七段显示是以扫描的方式轮流被电亮的，因此，寄存器上的 数据必须一组一组地分开轮流送进来，每一次则送4个位，这个动作可由四对多任务器来完成。

四、结语

总之，本文提出的密码锁在硬件实现时采用了VHDL的设计方法，从而给整个方案提供了很大的灵活性。如果采用传统的方法实现该方案，则首先选用通用的逻辑器件，然后进行电路设计，完成独立功能模块，再将各功能模块连接起来，完成整个电路的硬件设计，最后才能进行仿真和调试，直至整个电路系统的完成。这样的过程往往需要较长的时间，而且费事费力，是一项特别大的工程。而采用VHDL这类高层设计技术，设计人员只需专心设计方案和构思上，描述、编译成功后，经过系统综合，便可直接进行软件仿真和调试。整个系统的周期大大缩短，而且VHDL与工艺无关，它不限定模拟工具和设计方案，从而给设计师一个自由选择的余地。也正是因为它具有这样的优势，VHDL已经成为当代电子设计师们设计数字硬件时必须掌握的一种语言。

［参考文献］

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［2］侯伯亭，顾新.VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计［M］.西安：西安电子科大出版社，1999.

［3］马群生.微计算机技术［M］.北京：清华大学出版社，2003.

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