【至简设计案例系列】基于FPGA的密码锁设计（altera版）
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作者：秦红锴
一、项目背景概述
随着生活质量的不断提高，加强家庭防盗安全变得非常重要，但传统机械锁的构造过于简单，很容易被打开，从而降低了安全性。数字密码锁因为它的保密性很高，安全系数也非常高，再加上其不需要携带避免了丢失的可能，省去了因钥匙丢失而需要换锁的麻烦，受到了越来越多的人的欢迎。随看人们对高科技产品也越来越推崇，在当今社会科技的高度集中和创新，人们对日常生活中保护自身及财产安全的物品非常追捧，对其安全性的要求也非常的高。
为了达到人们对锁具安全性的高要求，加强锁具的安全保密性，用密码锁来取代传统机械锁的锁具是必然趋势。数字密码锁比传统机械锁具更加的安全 。
在本案例的设计过程中，应用了至简设计法、状态机模板应用等，在经过逐步改进、调试等一系列工作之后，最终达到了设计目标。
基于明德扬至简设计法和明德扬设计规范，设计一个基于FPGA的密码锁、并将数值显示在数码管上，然后根据输入的键值判断密码是否正确。
二、项目设计要求
1、通过矩阵键盘采样输入密码；
2、数码管显示输入的密码
3、密码正确，指示灯给出指示，不正确蜂鸣器给出报警
三、顶层接收设计
根据所有的功能要求，我们先对其进行结构划分如下：
Key_in：开始模块
Key_scan :按键扫描模块
Code_detect:密码比较模块
Control:控制信号模块
Dis_play:数码管显示模块
| Key_in | 比较按键输入 |
| Key_scan | 按键扫描，密码检测 |
| Code_detect | 负责密码的比较 |
| Dis_play | 数码管显示 |
| control | 负责输出LED，BEEP控制 |
矩阵按键模块
如果按键不多的话，我们可以直接按键与FPGA相连接，但是如果按键比较多的时候，如何还继续使用直接按键与FPGA相连接的话，所会大量增加FPGA端口的消耗，为了减少FPGA端口的消耗，我们可以把按键设计成矩阵的形式，就如下图所示：
| 信号名称 | I/O | 功能描述 |
|---|---|---|
| clk | I | 模块时钟 |
| rst_n | I | 模块复位 |
| key_col[3:0] | I | 列信号 |
| key_row[3:0] | O | 行信号 |
| Key_num | O | 键值 |
| Key_vld | O | 按键有效 |
由上图可以知道，矩阵键盘的行row（行）与col（列）的交点，都是通过一个按键来相连接。传统的一个按键一个端口的方法，若要实现16个按键，则需要16个端口，而现在这个矩阵键盘的设计，16个按键，仅仅需要8个端口，如果使用16个端口来做矩阵键盘的话，可以识别64个按键，端口的利用率远远比传统的设计好的多，所以如果需要的按键少的话，可以选择传统的按键设计，如果需要的按键比较多的话，可以采用这种矩阵键盘的设计。
而我们现在就以扫描法为例来介绍矩阵键盘的工作原理。
在进行键盘扫描时，应内部对信号进行按键消抖处理。
详细内容可以参考明德扬另一篇文章：矩阵键盘的检测。
密码比较模块：Code_detect
| 信号名称 | I/O | 功能描述 |
|---|---|---|
| clk | I | 模块时钟 |
| rst_n | I | 模块复位 |
| key_falg | I | 按键按下标志信号 |
| key_value[3:0] | I | 按键值 |
| start | I | 开始比较 |
| error | O | 密码错误 |
| right | O | 密码正确 |
| code[3:0] | O | 输入密码 |
每次输入4位数的密码，所以每次按下一次，就将这词的键值先存到寄存器中。
所以这里需要一个计数器，来计算是第几次按下的操作
在使用一个时序逻辑，将上个模块的键值存储到寄存器。
控制模块：control
| 信号名称 | I/O | 功能描述 |
|---|---|---|
| clk | I | 模块时钟 |
| rst_n | I | 模块复位 |
| error | I | 错误信号 |
| right | I | 正确信号 |
| beep | o | 蜂鸣器 |
| Error_led | o | 错误指示灯 |
| Right_led | o | 正确指示灯 |
这个模块要操作的信号较多，并且每种情况下，各个指示灯的情况也不一样，为了设计的简单，我们在这采用一个状态机设计，每个状态下规定不同的操作就行了。
状态机的设计主要要有3个状态，主要是有空闲状态，正确状态，错误状态，状态转移图如下所示：
空闲状态：等待检测
正确状态：right_led亮
错误状态：error_led亮，并且BEEP叫1s;
根据MDY的模板设计出4段状态机：
根据模板我们只需要修改很少的部分就可以，
1根据自己的状态图，修改所需要的状态转移条件
2修改状态发生变化的条件
3修改最后的输出信号
本次需要注意的是89行中的时钟条件被修改了，原因是，这几个状态中的灯亮或者蜂鸣器发出响声会持续一段时间，状态改变要等到每次小的状态结束，或者接收到新的上有信号。
数码管显示模块：dis_play
| 信号名称 | I/O | 功能描述 |
|---|---|---|
| clk | I | 模块时钟 |
| rst_n | I | 模块复位 |
| Code[3:0] | I | 密码 |
| Seg_Sel[3:0] | O | 位选信号 |
| Segment[7:0] | O | 段选信号 |
数码管动态显示接口是应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的 8 个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极 COM 增加位选通控制电路，位选通由各自独立的 I/O 线控制，当要输出字形码时，所有数码管都接收相同的字形码，但究竟是哪个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通 COM 端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。
通过分时轮流控制各个数码管的的 COM 端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为 1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的 I/O 端口，而且功耗更低。
动态扫描是利用人眼视觉滞留的特点，点亮某一位后，在人眼反应之前，进行下一位的显示，故而出现重影现象。而人的视觉暂留时间大约在1/24秒左右，所以应该保持24帧以上才会保持连续而不会出现闪烁，通俗来讲，应该在一秒内至少扫描多次。也就是每次扫描时间至少小于40ms 。
相关代码可参考之前设计：“数字秒表”一文中。
四、实验总结：
事先在程序中设置内置密码为1111，当下载完成后输入4591，按下确认键之后，发现正确的灯不变化，蜂鸣器会响持续1s，重新输入1111后，正确的灯会先灭然后恢复，蜂鸣器也不发声，说明设计正确。
