Question

用verilog语言实现FPGA的循环码编码器设计

Answer 1

摘 要
随着电子技术的发展，具有防盗报警等功能的电子密码锁代替密码量少、安全性差的机械式密码锁已是必然趋势。电子密码锁与普通机械锁相比，具有许多独特的优点：保密性好，防盗性强，可以不用钥匙，记住密码即可开锁等。目前使用的电子密码锁大部分是基于单片机技术，以单片机为主要器件，其编码器与解码器的生成为软件方式。在实际应用中，由于程序容易跑飞，系统的可靠性能较差。

本文主要阐述了一种基于现场可编程门阵列FPGA器件的电子密码锁的设计方法。用FPGA器件构造系统，所有算法完全由硬件电路来实现，使得系统的工作可靠性大为提高。由于FPGA具有现场可编程功能，当设计需要更改时，只需更改FPGA中的控制和接口电路，利用EDA工具将更新后的设计下载到FPGA中即可，无需更改外部电路的设计，大大提高了设计的效率。因此，采用FPGA开发的数字系统，不仅具有很高的工作可靠性，而且升级也极其方便。

本文采用EDA技术，利用Quartus II工作平台和硬件描述语言，设计了一种电子密码锁，并通过一片FPGA芯片实现。

关键词：电子密码锁；FPGA；硬件描述语言；EDA

目 录
1 绪 论 1
1.1 国内外现状及其发展 1
1.2 电子密码锁的原理 2
1.3 电子密码锁的系统简介 4
1.4 系统设计要求 4
1.5 本课题的研究目的和意义 5
2 现场可编程门阵列FPGA 6
2.1 FPGA的基本结构 6
2.2 FPGA的优点 10
2.3 FPGA的设计流程 11
2.4 自顶向下设计法 17
2.5用模块化设计FPGA 18
3 VHDL硬件描述语言 20
3.1 VHDL语言的基本结构 20
3.2 结构体的描述方式 21
3.3 自上而下（TOP DOWN）的设计方法 22
4 电子密码锁的设计与仿真 24
4.1 硬件设备 24
4.2 几个主要功能模块的设计 25
4.3 计算机仿真 32
结 束 语 38
参考文献 39
附录1英文原文 41
附录2中文译文 50
附录3源程序 57

1.1 国内外现状及其发展
随着人们生活水平的提高和安全意识的加强，对安全的要求也就越来越高。锁自古以来就是把守护门的铁将军，人们对它要求甚高，既要安全可靠的防盗，又要使用方便，这也是制锁者长期以来研制的主题。随着电子技术的发展，各类电子产品应运而生，电子密码锁就是其中之一。据有关资料介绍，电子密码锁的研究从20世纪30年代就开始了，在一些特殊场所早就有所应用。这种锁是通过键盘输入一组密码完成开锁过程。研究这种锁的初衷，就是为提高锁的安全性。由于电子锁的密钥量（密码量）极大，可以与机械锁配合使用，并且可以避免因钥匙被仿制而留下安全隐患。电子锁只需记住一组密码，无需携带金属钥匙，免除了人们携带金属钥匙的烦恼，而被越来越多的人所欣赏。电子锁的种类繁多，例如数码锁，指纹锁，磁卡锁，IC卡锁，生物锁等。但较实用的还是按键式电子密码锁。

20世纪80年代后，随着电子锁专用集成电路的出现，电子锁的体积缩小，可靠性提高，成本较高，是适合使用在安全性要求较高的场合，且需要有电源提供能量，使用还局限在一定范围，难以普及，所以对它的研究一直没有明显进展。

目前，在西方发达国家，电子密码锁技术相对先进，种类齐全，电子密码锁已被广泛应用于智能门禁系统中，通过多种更加安全，更加可靠的技术实现大门的管理。在我国电子锁整体水平尚处于国际上70年代左右，电子密码锁的成本还很高，市场上仍以按键电子锁为主，按键式和卡片钥匙式电子锁已引进国际先进水平，现国内有几个厂生产供应市场。但国内自行研制开发的电子锁，其市场结构尚未形成，应用还不广泛。国内的不少企业也引进了世界上先进的技术，发展前景非常可观。希望通过不断的努力，使电子密码锁在我国也能得到广泛应用[1]。

目前使用的电子密码锁大部分是基于单片机技术，以单片机为主要器件，其编码器与解码器的生成为软件方式[2]。在实际应用中，由于程序容易跑飞，系统的可靠性能较差。基于现场可编程逻辑门阵列FPGA器件的电子密码锁，用FPGA器件构造系统，所有算法完全由硬件电路来实现，使得系统的工作可靠性大为提高。由于FPGA具有现场可编程功能，当设计需要更改时，只需更改FPGA中的控制和接口电路，利用EDA工具将更新后的设计下载到FPGA中即可，无需更改外部电路的设计，大大提高了设计的效率。

1.3 电子密码锁的系统简介
通用的电子密码锁主要由三个部分组成：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、激活电锁电路（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）等几个小的功能电路。

（3）密码显示电路主要将显示数据的BCD码转换成相对应的编码。如，若选用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[4]。

1.4 系统设计要求
设计一个具有较高安全性和较低成本的通用电子密码锁，具体功能要求如下：

（1）数码输入：每按下一个数字键，就输入一个数值，并在显示器上的显示出该数值，同时将先前输入的数据依序左移一个数字位置。

（2）数码清除：按下此键可清除前面所有的输入值，清除为“0000”。

（3）密码更改：按下此键时会将目前的数字设定成新的密码。

（4）激活电锁：按下此键可将密码锁上锁。

（5）解除电锁：按下此键会检查输入的密码是否正确，密码正确即开锁。

1.5 本课题的研究目的和意义
随着人们生活水平的提高，对家庭防盗技术的要求也是越来越高，传统的机械锁由于其构造的简单，被撬的事件屡见不鲜，电子锁由于其保密性高，使用灵活性好，安全系数高，受到了广大用户的欢迎。现在市场上主要是基于单片机技术的电子密码锁，但可靠性较差。FPGA即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物，是一种超大规模集成电路，具有对电路可重配置能力。通常FPGA都有着上万次的重写次数，也就是说现在的硬件设计和软件设计一样灵活、方便。相对于基于单片机技术的电子密码锁，用FPGA器件来构成系统，可靠性提高，并且由于FPGA具有的现场可编程功能，使得电子密码锁的更改与升级更为方便简单[3]。

通过本次设计掌握FPGA系统设计的方法，熟悉FPGA设计的相关软件，以及硬件描述语言的使用，了解电子密码锁的系统构成，利用FPGA实现电子密码锁的设计与实现，可以加深自己对所学专业的认识，关联知识，增强自己的动手能力，积累实践经验，为以后的工作打好基础。

参考文献
[1] 李连华.基于FPGA的电子密码锁设计.中国科技信息,2006,(01):64

[2] 许琦.基于FPGA的电子密码锁的设计.科技信息,2006,(10):240-241

[3] 王卫兵,刘克刚,朱秋萍.用FPGA的电子密码锁.电子技术,2005,(01):26-28

[4] 赵益丹,徐晓林,周振峰.电子密码锁的系统原理、设计程序及流程图.嘉兴学院学报,2003,15(S1):103-105

[5] 陆重阳,卢东华.FPGA技术及其发展趋势.微电子技术,2003,(01):5-7

[6] 王晓勇.FPGA的基本原理及运用.舰船电子工程,2005,(02):82-85

[7] 程耀林.FPGA的系统设计方法解析.现代电子技术,2005,(19):90-93

[8] K. Benkrid, A. Benkrid and S. Belkacemi .Efficient FPGA hardware development: A multi-language approach .Journal of Systems Architectur -e, 2007(04):184-209

[9] Altera, Novas Team for FPGA Visibility Enhancement .Electronic News (North America).2006,(11):12

[10] 张忠.自顶向下的FPGA设计.电子产品世界,1998,(11):33-34,72

[11] 路而红.专用集成电路设计与电子设计自动化.北京:清华大学出版社,2004:162-181,239-280,329-332

[12] 罗杰,康华光.两种硬件描述语言VHDL/Verilog的发展及其应用.电气电子教学学报, 2002,24(04):1-5

[13] 曹建国, 王威, 王丹. 一种基于VHDL的电子密码锁的设计与实现.沈阳大学学报 , 2006,18(04)：77-79

[14] 谭会生，瞿遂春.EDA技术综合应用实例与分析.西安:西安电子科技大学出版社,2004.1-42,64-85

[15] 梁丽.电子密码锁的计算机仿真设计.计算机仿真,2005,22(02):218-220

追问

谢谢你了！可我要的是循环编码器的，不是电子密码锁的，呵呵，还有，用verilog语言编一段程序，这程序是关于循环编码器原理方框图的

Answer 2

建议你上超星，方正，百度文库，万方学位论文，论坛等地方去看看文字资料或源码设计。