【至简设计案例系列】基于FPGA的密码锁(XILINX ISE版)
本文为明德扬原创及录用文章，转载请注明出处！
作者：造就狂野青春
一、总体设计
1、概述
本文基于明德扬至简设计法和明德扬设计规范，设计了一个基于FPGA的数字密码锁，实现了在拨码开关条件下，按键设置密码、按键输入解锁密码，密码正确时正确指示灯亮、密码错误时或者默认状态错误指示灯亮，密码正确时一位数码管显示1，其他情况显示0。本案例的扩展和应用在现实生活中具有重大意义。在本案例的设计过程中，应用了至简设计法、计数器模板应用等，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。
2、设计目标
（1）实现8位数字密码锁功能
（2）按键1、2设置密码，按键1有效时设置一位密码0，按键2有效时设置一位密码1，按下8次后密码设置完成
（3）按键3、4输入密码，按键3有效时输入一位密码0，按键2有效时输入一位密码1，按下8次后密码输入完成
（4）比较设置的密码和输入的密码是否相同，正确时正确指示灯亮，数码管显示1，否则错误指示灯亮，数码管显示0；
3、模块功能
（1）密码模块实现功能：
SW1有效时按键1、2设置密码，按键1有效时设置一位密码0，按键2有效时设置一位密码1，按下8次后密码设置完成
SW2有效时按键3、4输入密码，按键3有效时输入一位密码0，按键2有效时输入一位密码1，按下8次后密码输入完成
（2）数码管显示模块实现功能：
密码正确时数码管显示1，否则显示0；
（3）led模块实现功能：
密码正确时led_y指示灯亮，否则led_n指示灯亮；
（4）按键模块实现功能：
将外来异步信号打两拍处理，将异步信号同步化；
实现20ms按键消抖功能，并输出有效按键信号；
4、信号定义
1）顶层模块Lock_Top.v
| 信号 | 定义 |
|---|---|
| clk | 系统时钟 |
| rst_n | 低电平复位信号 |
| key_in | 按键输入 |
| sw | 拨码开关 |
| led_y | 正确指示灯 |
| led_n | 错误指示灯 |
| seg_sel | 数码管位选信号 |
| segment | 数码管显示信号 |
2)密码模块password.v
| 信号 | 定义 |
|---|---|
| clk | 系统时钟 |
| rst_n | 低电平复位信号 |
| key_vld | 按键有效 |
| SW | 拨码开关 |
| password_set | 设置的密码 |
| password_shift | 输入的密码 |
3）数码管显示模块sel_disp.v
| 信号 | 定义 |
|---|---|
| clk | 系统时钟 |
| rst_n | 低电平复位信号 |
| password_set | 设置的密码 |
| password_shift | 输入的密码 |
| seg_sel | 数码管位选信号 |
| segment | 数码管显示信号 |
4)led模块led_flag.v
| 信号 | 定义 |
|---|---|
| clk | 系统时钟 |
| rst_n | 低电平复位信号 |
| led_y | 正确指示灯 |
| led_n | 错误指示灯 |
5)按键模块key_module.v
| 信号 | 定义 |
|---|---|
| clk | 系统时钟 |
| rst_n | 低电平复位信号 |
| key_in | 按键输入 |
| key_vld | 有效按键 |
5、密码模块核心代码
SW1有效时按键1、2设置密码，按键1有效时设置一位密码0，按键2有效时设置一位密码1，按下8次后密码设置完成
SW2有效时按键3、4输入密码，按键3有效时输入一位密码0，按键2有效时输入一位密码1，按下8次后密码输入完成
6、数码管显示
参数化设置显示0~F对应的8位数
对比设置的密码和输入的密码是否一致，密码正确时数码管显示1，否则显示0；
7、led指示灯模块
密码正确时led_y指示灯亮，否则led_n指示灯亮；
8、按键消抖代码
利用明德扬的按键消抖模块，每20ms扫描一次按键输入key_in,可以达到消抖的目的，再用寄存器缓存一下，按键为低电平有效，所以检测当检测到按键有下降沿变化时，代表该按键被按下，按键有效，输出1；
9、Modelsim仿真验证
编写测试文件，添加激励，这里避免长时间仿真，需将消抖时间缩小
按键2按下时设置了一位密码1，再按键时设置了两位密码1；
按键4按下时输入了一位密码1，再按键时输入了两位密码1；
设置的密码和输入的密码是否相同，正确时正确指示灯亮，数码管显示1，否则错误指示灯亮，数码管显示0；从仿真图可以看出符合功能要求。
在这个设计案例中，至简设计法和明德扬至简法发挥了至关重要的作用，使我能够快速准确完成设计。
本设计可以加以拓展：
可以结合开发板外设和实际情况，改变设置和输入密码的方式、位数，以及密码正确与否的反应，如蜂鸣器报警等等。
对于初学者而言，流水灯太简单，复杂项目又太难，不如尝试一下这些相对简单而又酷炫的案例，并一步步拓展成大项目。赶紧动手尝试吧。
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