毕业设计(论文)-基于FPGA电子密码锁门禁系统的设计(24页).doc
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1、-毕业设计(论文)-基于FPGA电子密码锁门禁系统的设计-第 18 页海 南 大 学毕 业 论 文(设计) 题 目:基于FPGA电子密码锁门禁系统的设计 学 号: 201328343200xx 姓 名: xxx 年 级: 2013级 学 院: 热带农林学院(信息管理学院) 专 业: 电子科学与技术专业 指导教师: xxx 完成日期: 年 月 日 摘 要经过市场调查,电子密码锁的性能与安全性已经远超传统机械锁,而且消费者也越来越能够倾向于电子密码锁的使用。随着芯片的快速发展,电子密码锁的性能日益提高,价格也变得更便宜。电子密码锁倍受青睐的原因是它有能够根据个人需求订制特定的功能,如电子锁最基本的
2、功能有:保密功能,密码错误警报,修改密码等;另外,还可按照消费者需求外加功能,如:火灾警报,弱电提醒电量不足,自动上锁等。现在科技进步飞速,生产商只需要基于芯片以及简单电路就能制造出性价比较高的电子锁。总之,电子密码锁逐渐会适用在每个家庭之中。市面上存在一些基于单片机的密码锁,其安全性和性能必定远不及基于FPGA。因为单片机运行速度慢,逻辑性差,所以不利于将电子密码锁集成到大型的门禁系统当中;相反,FPGA则克服了这些缺点,而且其具有处理更复杂功能的能力,能够实现更多的功能。经过市场调查后发现,基于FPGA的电子密码锁具有功能实用且多样化,超高性能,较低成本等特点,具有一定的实际应用价值。关键
3、词:现场可编程门阵列;电子密码锁;程序仿真;Abstract According to the market research, electronic code locks have laid over traditional mechanical locks in performance and safety, which prompt consumers to use electronic code locks much more likely than ever before.With the rapid development of the chips, electronic code
4、 locks become much more accessible and acceptable both in performance and price. Whats more, here are a few reasons for electronic code locks popularity. For one thing, nowadays, electronic code locks can be customized specifically according to individual needs. For instance, confidentiality functio
5、n, password error alert and changing password, etc. For another, there are more functions which can be applied accordingly, such as fire alarming, reminding the lack of electricity and automatic locking,etc. Thanks to the significant progress of technology, some manufacturers are able to produce cos
6、t-effective electronic locks which are simply based on chips and circuits. In short, the electronic code lock will apply to each family gradually.At present, some code locks based on the micro-controller in the market cannot hold a candle to those which are based on FPGA both in performance and safe
7、ty. Since micro-controller is poor in speed and logic, its not suitable to apply such code locks to large-scale access systems. On the contrary, FPGA can overcomes such shortcomings effectively. Besides, it has the ability to process complex instructions which may benefit to implementing more functi
8、ons. To sum up, it can be concluded according to the market research that electronic code locks, based on FPGA possess the characteristics of functional, diversified, high-performance and low-cost, which have the practicalapplicationvalue.Keywords:FPGA(Field-Programmable Gate Array);electronic code
9、lock;simulation;目 录1 绪论11.1电子密码锁的发展趋势11.2 电子密码锁发展背景及国内外现状21.3 设计的目的与意义21.4 设计方案对比21.5 设计内容与要求32 系统硬件综述42.1 系统设计方案42.2 电子密码锁系统组成42.3 主控模块52.3.1 Cyclone器件的介绍52.4 键盘模块电路设计52.4.1 矩阵键盘的设计与原理52.4.2 键盘具体操作说明62.5 显示模块电路设计62.5.1 LCD1602的简介62.5.2 显示模块原理72.6 存储模块电路设计82.6.1 24C02的简介82.6.2 存储模块原理92.7 报警电路设计93 系统
10、软件设计与仿真103.1 分频部分程序设计103.2 键盘驱动部分103.2.1 键盘驱动程序设计103.2.2 键盘驱动程序仿真133.3 蜂鸣器驱动部分133.3.1 蜂鸣器驱动程序设计133.3.2 蜂鸣器驱动程序仿真143.4 LCD1602驱动部分153.4.1 LCD1602驱动程序设计153.4.2 LCD1602驱动程序仿真194 系统实现204.1 系统功能验证204.2 结论22致谢23参考文献25附件271 绪论 1.1电子密码锁的发展趋势在当今社会,防止盗贼入室,加强防盗工作已经成为每家每户的必要工作。从古至今,锁的种类日新月异,性能也是越来越强1。然而,目前中国大多数
11、人仍在使用传统的机械锁,而且目前用外键解锁假冒机械锁的概率极高。当今时代,电子产品更新速度日益加快,电子设计技术更是突飞猛进,继而造成电子产品的研发周期缩短,开发成本降低,可兼容性和可扩展性变好,为此便引入了EDA技术。所谓EDA(Electronic Design Automation)技术,就是电路设计者通过Quartus软件采取从上而下的方式对电路进行设计,即在电脑上通过软件利用verilog HDL硬件描述语言完成编程,再利用计算机软件自动完成编译和仿真,最后对芯片进行编译,管脚配置和程序烧入,使其具备理想的功能2。基于FPGA的电子密码锁是当前新一代门禁系统的核心,电子密码锁以其独特
12、的优点逐渐取代现有的传统机械锁,已经成为现代锁业的发展趋势,电子密码锁在不久将来会进入每家每户的必备品。电子密码锁涉及领域广泛,包含电子,机械,计算机技术,通信技术,生物技术等等诸多新兴技术,它在解决重要部门出入口实现安全防范管理中扮演核心角色,同时也适用于各个领域,如工业,民用,军用,医院,家庭等等3。而经过市场调查,目前市面上的电子密码锁的主控芯片大部分是微型计算机的。单片机与FPGA的区别在于:单片机是以软件的形式运行所写代码,运行速度慢,但是FPGA是可用电脑编辑的数字逻辑电路集成芯片,设计者所设计的程序内容,实际上是在设计一个数字电路,因而运行速度相对较快。另外,单片机在实际应用中,
13、程序容易跑飞,所以系统可靠性较差4。而采用基于FPGA的电子密码锁可以实现性能更佳,功能更加全面,能随时按照需求进行升级和扩展,使系统具有相当大的灵活性,因而更受消费者的青睐。国外对电子密码锁的研究比国内早很多,尤其是在欧美发达国家,但是基于FPGA的电子密码锁也只是在近几年在欧美国家和亚洲部分国家研究使用。在国内,随着国内生产商生产硬件的技术逐渐成熟,国内市场也已逐渐进入中高速发展阶段,所以电子密码锁在国内的市场潜力巨大,发展前景值得期待4。1.2 电子密码锁发展背景及国内外现状 国内电子锁当下还集中存在一些主要的问题,第一是国内还未颁布关于电子密码锁的产品标准,这对电子锁产品的分类、规格和
14、型号标准都是一大空缺,给生产商和用户带来了诸多不便;第二是电子锁的可靠性,当前电子锁的可靠性很大程度都是取决于电子元器件和制造工艺的严格把关。而当前国内的电子锁生产商因为国内元器件的生产质量问题而不敢使用;第三是电子密码锁的电源问题,当下电子锁电源问题主要集中于整体系统功耗大,备用电源缺少自动充电的功能等5。而目前在西方发达国家,电子密码锁的技术已经相当发达,种类多样,在我国,电子密码锁开发的水平也在不断提高,但还稍落后于西方发达国家的技术水准,所以电子密码锁在我国的发展前景非常可观。希望在国家政策的支持下,我国的电子科学技术能不断提高,使得电子锁也能在我国成为每家每户的必备品5。1.3 设计
15、的目的与意义当前是信息时代,互联网发展迅速,因特网上资料的传播更是迅速,同时,个人甚至团体的隐私保护成了大问题。虽然现在云盘发展的很好,但依然经常看到云盘里资料被盗窃的新闻。所以,将重要信息锁在身边才是最踏实的。但传统的机械锁又十分脆弱,所以电子密码锁便名正言顺的成了最好的管家。电子密码锁不仅使用方便,而且安全系数高,是个人、企事业单位的最佳选择7。1.4 设计方案对比方案一:基于微型计算机的电子密码锁设计随着微型计算机开发技术的日益成熟,单片机的性能和特点也越来越人性化,受到广大设计者的青睐,更因为其成本低、体积小、功耗低等特性被广泛运用到人们日常生活当中10。由于微型计算机的可编程性,设计
16、者可以根据实际使用情况增加密码数目,而且具有方便随时修改密码的优点。但是单片机以软件形式运行代码,在实际运用中程序容易跑乱,导致系统的可靠性不高,这在产品生产和使用中是致命的9。方案二:基于FPGA的电子密码锁设计随着数字集成电路的发展,FPGA的开发与使用也是越来越广泛。因为FPGA克服了单片机程序易跑飞,系统可靠性差的缺点,让基于FPGA控制的电子产品的性能更上一层,这让电子密码锁的功能扩展与系统的嵌入变得更加灵活。基于FPGA的电子密码锁系统分为矩阵键盘模块、警报模块、显示模块等。该方案的电子密码锁为6位数字密码,输入密码错误后会发出警报,且用户可修改密码。 从上述两个方案可以看出,采用
17、以FPGA为主控芯片的电子密码锁不仅性价比更高,而且可以进行功能的扩展,所以采取方案二。1.5 设计内容与要求1、设计一个基于FPGA为核心控制的电子密码锁,密码为6位数字,开锁后可修改密码,且掉电保存;2、按键输入密码,在LCD1602中显示输入状态;3、密码输入正确,则电磁继电器打开,led灯亮;输入错误,则蜂鸣器发出警报;按复位键恢复原始状态;2 系统硬件综述2.1 系统设计方案该电子密码锁系统由主控芯片(FPGA),显示电路,报警电路,开/关门电路和键盘组成,而主控芯片又可分为按键处理部分,控制部分和显示部分。该系统总框图如图2-1所示扫描模块译码模块主控模块显示模块矩阵键盘报警模块F
18、PGA 开/关门 电 路 图2-1 系统总体框图2.2 电子密码锁系统组成 电子密码锁系统主要由FPGA主控芯片、LCD1602、电磁继电器、蜂鸣器、LED灯、按键和复位电路组成。FPGA主控芯片:FPGA是整个电子密码锁系统的控制核心,接收按键开关状态改变发来的信号,然后再发出处理信号,是按键开关与其他设备的桥梁。LCD1602:充当显示屏,时刻显示电子密码锁的输入状态,初始显示“input password”,当按动按键输入密码时,密码以“*”的形式逐一显示;电磁继电器:充当锁的作用,它是通过电信号使电磁铁产生磁性,从而影响触电位置来达到状态变化的效果。当按键输入正确密码按下确认键后,通过
19、FPGA的I/O口向电磁继电器发送信号,将电信号转变为机械能,实现锁的开启与闭合;蜂鸣器:充当警报器的作用。若输入错误密码,按下确认键后,蜂鸣器收到电信号,出发蜂鸣器发声。键盘:16个按键组成4x4键盘,分别有09数字键,重新输入、恢复密码、确认键、闭合键、设置新密码、确认新密码。数字键用于输入密码;按下重新输入键后LCD清空,重新输入密码;恢复密码键是当忘记密码时,恢复初始密码012345;确认键是输入密码后确认输入完成,给芯片发送信号;闭合键是当电磁继电器打开后,按下闭合键,电磁继电器关闭,充当闭合密码锁的作用;按下新密码键后先输入旧密码,再输入新密码,按下确认新密码键后新密码确定。复位电
20、路:用于使系统恢复初始状态。2.3 主控模块2.3.1 Cyclone器件的介绍Cyclone现场可编辑门列阵是基于1.5V,0.13m,全覆铜静态随机存储器工艺,密度高达20060逻辑元件和高达288kb的随机存取存储器。Cyclone设备支持各种I/O标准,包括数据速率高达311兆比特每秒(Mbps)和66MHz,32位,可用于连接和支持ASSP和ASIC设备的外部设备互连总线(PCI)。Altera公司还提供新的低成本串口配置设备来配置Cyclone设备。2.4 键盘模块电路设计2.4.1 矩阵键盘的设计与原理键盘模块中总共有16个按键,每个按键都与FPGA的I/O口连接。识别按键的方法
21、采用的是通用的列扫描法。列扫描法的原理是先用上拉电阻,这样以后,当没有按键按下时,所有输入端都是高电平,说明无按键按下;若按键按下,则为低电平。首先检测列值的状态,若检测发现有一列的电平为低,则说明这一列上的四个按键中有按键被按下;如果所有列线均为高电平,则没有按键按下。最后,确定了列线状态后,以同样的方法确定行线状态,即可确定按键具体位置15。矩阵键盘模块电路如图2-2所示。 图2-2 矩阵键盘模块电路2.4.2 键盘具体操作说明键盘为4x4的矩阵键盘,其中十个键代表数字09,其余六个按键分别代表重新输入、恢复密码、确认键、闭合键、设置新密码、确认新密码。数字键用于输入密码;按下重新输入键后
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