畢業(yè)論文-基于FPGA的新型防盜門控制系統(tǒng)設計與實現

1、 大連東軟信息學院畢業(yè)設計（論文） 摘要 1大連東軟信息學院本科畢業(yè)設計（論文）論文題目論文題目：基于FPGA的新型防盜門控制系統(tǒng)設計與實現系 所： 電子工程系 專 業(yè)：電子信息工程（集成電路設計與系統(tǒng)方向） 學生姓名： 學生學號： 指導教師： 導師職稱： 講師 完成日期： 2014年4月28日 大連東軟信息學院Dalian Neusoft University of Information大連東軟信息學院畢業(yè)設計（論文） 摘要 - 30 -基于FPGA的新型防盜門控制系統(tǒng)設計與實現摘 要隨著科技和技術的發(fā)展，人們安全意識也逐步提升，對各種功能的防盜門需求也隨之增多，關鍵技術芯片體積也是越來越

2、小，性能越來越強大，功能越來越多，而功耗卻在減少，只有不斷的發(fā)展這項技術，才能滿足人們的需求。并且隨著大規(guī)?？删幊唐骷贔PGA的支持下的應用和快速發(fā)展完善，提高了設計效率，我們只需要通過計算機就能對設計的電子系統(tǒng)的功能進行仿真和測試隨著科技的發(fā)展，很適合普及。 本文系統(tǒng)地介紹了基于FPGA的新型防盜門控制系統(tǒng)設計,從最初的資料的查閱,調查市場現狀,制定系統(tǒng)功能需求.在設計過程中應用了多種知識原理：FPGA，verilog語言，按鍵消抖，狀態(tài)機的設計，結合這些知識進行了系統(tǒng)的功能設計，先分析邏輯框圖,確定工作原理,流程,具體到每個模塊每個單元，系統(tǒng)的功能實現，通過Xilinx ISE進行代碼的

3、編寫，并通過RTL級綜合,最后進行系統(tǒng)的功能仿真,根據加入的激勵信號，測試系統(tǒng)的基本功能完整性，最后通過這些軟件的強大性能設計并實現了基于FPGA的新型防盜門系統(tǒng)。關鍵詞：防盜門，FPGA，硬件描述語言大連東軟信息學院畢業(yè)設計（論文） AbstractDesign and Implementation of the New Security Doors System Based on FPGAAbstract Along with the development of science and technology, safety consciousness also gradually imp

4、roved, people have more demand for various functions of security doors, key technology of the chip size grow smaller , the performance become more and morepowerful, the function become more and more colorful, and the power consumption is in decline, only by constantly the development of the technolo

5、gy so that satisfy peoples needs. And with the support of large-scale programmable devices in the FPGA application and rapid development of the perfect, improve the efficiency of the design, we only need through a computer can simulate the function of the design of electronic systems and test with t

6、he development of science and technology, which is suitable for popularization. This paper introduces the design principle of application of knowledge, such as FPGA, verilog language, elimination of state, machine design, analyses the system functional requirements, At beginning we finished the syst

7、em function design, then realization of the function of the system and the function of the system simulation. At last, by the strong performance of the software .design and implementation the new guard against theft system based on FPGA.Keywords: Door Control, FPGA, Hardware Description Language大連東軟

8、信息學院畢業(yè)設計（論文） 目錄目 錄 TOC o 1-3 u 摘 要 PAGEREF _Toc387837799 h IAbstract PAGEREF _Toc387837800 h II第1章緒論11.1 課題研究背景與意義11.2 課題研究現狀1第2章關鍵技術介紹22.1 FPGA22.2 Verilog語言22.3 硬件消抖42.4 軟件消抖42.5 狀態(tài)機設計4第3章系統(tǒng)需求分析63.1 系統(tǒng)設計目標63.2 系統(tǒng)需求63.2.1 功能鍵63.2.2 功能模塊63.2.3 信號73.2.4 鍵值73.3 系統(tǒng)非功能需求83.4 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境83.5 系統(tǒng)可行性分析9第4章系統(tǒng)設計10

9、4.1 系統(tǒng)設計指導原則104.2 設計思想104.3 系統(tǒng)體系架構114.4 硬件設計114.4.1狀態(tài)機設計114.4.2 密碼的記錄134.4.3 密碼的比較144.4.4 按鍵的賦值144.4.5 警報計時器154.4.6 通過計時器154.4.7 嘗試次數計數器164.4.8消抖模塊17第5章系統(tǒng)實現185.1 環(huán)境配置185.2 功能模塊實現185.2.1 主狀態(tài)機185.2.2 次狀態(tài)機195.2.3 按鍵賦值模塊205.2.4 密碼的比較205.2.5 警報計時器215.2.6 通過計時器215.2.7 嘗試錯誤次數計數器225.2.8 頂層模塊225.2.9 消抖模塊23第6

10、章系統(tǒng)測試246.1 測試概述246.2 測試用例24第7章結論28參考文獻29致 謝30大連東軟信息學院畢業(yè)設計（論文）第1章緒論1.1 課題研究背景與意義 在人們的財產的增多和科技的發(fā)展，怎樣保護財產安全成了不可忽視的問題，防盜門就是一種手段，如今隨著大規(guī)?？删幊唐骷贔PGA的支持下的應用和快速發(fā)展完善，我們只需要通過計算機就能對設計的電子系統(tǒng)的功能進行仿真和測試。防盜門系統(tǒng)由電子鎖和電子密匙部分組成，一個電子鎖可存放一組開鎖密碼，用戶可以修改密碼 現在主流的防盜門有，遙控式電子防盜門，鍵盤式電子防盜門。本文介紹的基于FPGA的防盜門系統(tǒng)與普通防盜門的機械鎖相比它的特點是保密性好 防盜性

11、強 用密碼開鎖 鑰匙丟了也沒關系。1.2 課題研究現狀隨著人們生活水平的提高和安全意識的加強，對安全的要求也就越來越高。防盜門自古以來就是把守人們安全的鐵將軍，人們對它要求甚高，既要安全可靠的防盜，又要使用方便，這也是研究者長期以來研制的主題。隨著電子技術的發(fā)展，各類電子產品應運而生，電子防盜門就是其中之一。據有關資料介紹，電子防盜門的研究從20世紀30年代就開始了，在一些特殊場所早就有所應用?，F在比較先進的是使用鍵盤作為密碼的錄入,因為密碼有多種組合,與機械鎖一起使用，可以避免許多安全隱患,因為電子防盜門只需記住一組密碼，即使要不用鑰匙也可以起到防盜作用，電子防盜門的種類繁多，例如數碼電子防

12、盜門，指紋防盜門，磁卡防盜門，IC卡防盜門，生物識別防盜門等。電子防盜門使用最為廣泛。隨著科技的發(fā)展，以及FPGA的發(fā)展和流行電子防盜門芯片的體積縮小，運行速度提升，成本降低，很適合普及。當前，各種智能系統(tǒng)應運而生，并應用在電子防盜門中，極大地增加的電子防盜門的可靠性和安全性.電子密碼鎖的成本還很高，我國也有很多資助研發(fā)的先進的電子防盜門，它們大多數被購買安裝在社區(qū)的單元門，而且防盜效果非常好，避免的鑰匙遺失帶來的隱患，加強社區(qū)的治安,有效地抑制了推銷人員和做小廣告的閑雜人等進入。提高了人們的生活質量。 在調查中發(fā)現多數防盜門系統(tǒng)是基于單片機開發(fā)的，但隨著大規(guī)?？删幊唐骷贔PGA的支持下的應

13、用和快速發(fā)展完善，我們只需要通過計算機就能對設計的電子系統(tǒng)的功能進行仿真和測試。正是由于FPGA的這些優(yōu)點無需更改外部電路的設計，大大提高了設計的效率。第2章關鍵技術介紹本文的設計過程中應運多種關鍵技術，通過最初的查閱資料，確定的本文基于FPGA開發(fā)一種新型的防盜門系統(tǒng)，這就要了解并熟練應用FPGA關鍵技術。2.1 FPGA FPGA是以硬件描述語言（包括verilog和vhdl）所完成的電路設計，可以完成簡單的綜合與布線布局，并在FPGA開發(fā)板上進行測試，它目前是IC設計的主流，可編輯的元件可以被用來實現基礎的邏輯門電路，包括and, or ，xor ，not。FPGA設計流程包括設計系統(tǒng)和

14、實現設計，系統(tǒng)功能需求分析完成之后，接著是實現設計部分，根據系統(tǒng)的需求功能設計出相應的輸入，進行RTL級描述、功能仿真(RTL級仿真)、邏輯綜合、布線仿真、適配(布局布線)、時序仿真、時序分析、器件編程。最終就算完成FPGA芯片的設計了，只要有一步不對就要修改并重新通過上述流程。這些地方容易出錯的地方有RTL級描述、系統(tǒng)方案、測試激勵文件等。通常要經過反復的修改，才能完成。在理論上，把VLSI(Ultra Large Scale Integration，超大規(guī)模集成電路)的設計過程分為6個層次1，2，即系統(tǒng)級(系統(tǒng)功能、參數定義)、算法級(系統(tǒng)功能級行為)、RTL級、門級(邏輯門)、電路級(晶

15、體管)、版圖級(物理工藝)。每個層次又分為：行為域描述、結構域描述、物理域描述。通常把算法級行為域描述或者RTL級行為域描述統(tǒng)稱為行為級描述。FPGA的設計流程：庫：一般是提供FPGA的原理圖和封裝，就是已經定義好的基本元器件，可以直接調用。測試激勵：指測試文件，他關聯系統(tǒng)設計的頂層模塊，在這個文件中會產生頂層模塊需要的激勵信號，然后仿真，觀察輸出是否和預期的一致。在開發(fā)系統(tǒng)的過程中，需要進行系統(tǒng)的功能性分析和功能設計，要實現這些功能，這就要應用硬件開發(fā)語言verilog語言進行相應的編程，來實現設計的模塊。2.2 Verilog語言Verilog語言是描述電路銀硬件及時序的一種編程語言，他具

16、有以下特點：描述電路的的連接，描述電路的功能，在不同抽象級上描述電路，描述電路的時序，表達具有并行性。Verilog主要包括：編寫的可綜合的RTL代碼，系統(tǒng)仿真，編寫測試程序，用于ASIC和FPGA單元或功模塊的模型開發(fā)，verilog模型可以是實際電路的不同級別的抽象，這些抽象級別包括行為綜合，綜合前仿真，邏輯綜合，綜合后仿真，版圖。而在抽象級上需要進行取舍，輸入仿真速度越高，一般的，詳細程度越低。Verilog可在三種抽象級上進行描述 行為級。主要使用功能模塊之間的數據流對系統(tǒng)進行描述，并在需要時在函數塊之間進行調度賦值。RTL級/功能級主要是用功能快內部或功能塊之間的數據流和控制信號描述

17、系統(tǒng)，結構級/門級 主要是基于大元或底層元件的描述連接描述系統(tǒng)已得到更高的精準性，特別是時序方面，在綜合室也可用特定的工藝和底層元件將RTL描述映射到門級網表。對于設計工程師應在不同的階段采用不同的抽相級，首先在行為級描述各功能塊，以降低描述難度，提高仿真速度嗎，在綜合前將各功能模塊進行RTL級描述。用于綜合的苦衷的大多數單元采用結構級描述。在設計的具體過程中發(fā)現，按鍵在短時間內，出現多次按下的情況，在后期仿真時發(fā)現，由于按鍵的多次賦值，系統(tǒng)出錯，不能正確的盡心狀態(tài)轉換，正確賦值，影響了系統(tǒng)的基本功能實現，經過查閱資料，了解到解決這個問題應用到按鍵消抖原理方面的知識。按鍵消抖又分為硬件消抖和軟

18、件消抖。同時要熟練使用系統(tǒng)的開發(fā)軟件，了解軟件的功能和性能優(yōu)點，還有軟件的操作使用方法。Xilinx ise 是Xilinx公司的硬件設計工具。特點是功能強大，操作界面簡單一指將先進的技術與靈活性、易使用性的圖形界面結合在一起，無論你是初學者還是熟練的工程師都讓您在最短的時間，以最少的努力，達到最佳的硬件設計。ISE工程設計流程包括第一步圖形和文本輸入，分析系統(tǒng)的功能需求，得出系統(tǒng)狀態(tài)機，各模塊的原理圖；第二步綜合，將行為級和功能級轉換為基本結構的底層模塊組合；第三步實現，根據自己所使用的芯片將綜合輸出的邏輯網表匹配到合適的器件上；第四步驗證包括功能仿真，是對設計的電路進行模擬測試通過Xili

19、nx自帶的模擬工具看仿真波形圖之中的輸入與輸出信號之間的關系。第五步下載；將仿真正確的程序下載到開發(fā)板上，進行測試。 在仿真過程中發(fā)現，按鍵信號在極短的時間內多次抖動，造成按鍵信號多次有效，導致功能不能實現，時序出現錯誤，經過查閱資料，了解到了消抖的原理和幾種常見的方法。 2.3 硬件消抖在鍵數較少時可用硬件方法消除鍵抖動。R-S觸發(fā)器是形成小豆電路的常用手段，R-S是有兩個與非門交叉耦合而成非s和非R是信號的輸入端，低電平有效，Q和非Q即表示觸發(fā)器的狀態(tài)，又是觸發(fā)器輸出端，在啟動過程中，非S段一旦下降到開門電平，Q端電平上升，反饋到B的輸入端，促使B由截止轉向導通，非Q電平下降，反饋到門A的

20、輸入端，進一步促使A截止，Q端電平進一步上升。Q端進一步的上升導致非Q斷電平下降，這種過程，門A快速截止，門B快速導通，觸發(fā)器在極短的時間內完成從截止到導通，并通過非R段的復位時也有類似的正反饋過程，從而完成按鍵消抖。此外還有一種通過電容的放電延時實現按鍵消抖。2.4 軟件消抖如果按鍵較多，常用軟件方法去抖，即檢測出鍵閉合后執(zhí)行一個延時程序，5ms10ms的延時，讓前沿抖動消失后再一次檢測鍵的狀態(tài)，如果仍保持閉合狀態(tài)電平，則確認為真正有鍵按下。當檢測到按鍵釋放后，也要給5ms10ms的延時，待后沿抖動消失后才能轉入該鍵的處理程序。一般來說，軟件消抖的方法是不斷檢測按鍵值，直到按鍵值穩(wěn)定。實現方

21、法：假設未按鍵時輸入1，按鍵后輸入為0，抖動時不定?？梢宰鲆韵聶z測：檢測到按鍵輸入為0之后，延時5ms10ms，再次檢測，如果按鍵還為0，那么就認為有按鍵輸入。延時的5ms10ms恰好避開了抖動期。本文采用軟件消抖。設計過程中，代碼的合理編寫對實現系統(tǒng)的功能非常重要，而狀態(tài)機是整個系統(tǒng)狀態(tài)轉換和給出信號的重要模塊，合適的編寫方法和確定用哪種方法設計狀態(tài)機，將決定了整個系統(tǒng)的可行型，所以了解狀態(tài)機的設計必不可少。2.5 狀態(tài)機設計基于FPGA的有限狀態(tài)機設計：有限狀態(tài)機的當前狀態(tài)由過去的輸入和當前輸入的時序邏輯電路。有限狀態(tài)機又可以認為是組合邏輯和寄存器邏輯的一種組合。狀態(tài)機特別適合描述那些發(fā)生

22、有先后順序或者有邏輯規(guī)律的事情，其實這就是狀態(tài)機的本質。狀態(tài)機就是對具有邏輯順序或時序規(guī)律的事件進行描述的一種方法。在實際的應用中，狀態(tài)機可以分為兩大類，第一類摩爾 (Moore) 型狀態(tài)機，第二種米勒 (Mealy) 型狀態(tài)機。它們的形成是根據狀態(tài)機的輸入條件是否和狀態(tài)機的輸出有關系而得出的。Mooer狀態(tài)機的輸出只取決與當前狀態(tài)，也就是由狀態(tài)機當前的狀態(tài)決定輸出，而與此時的狀態(tài)機輸入無關，輸入只決定狀態(tài)機的中間狀態(tài)改變，不影響電路最終的輸出（注意：這里所說的輸出不是狀態(tài)機的狀態(tài)機狀態(tài)的輸出，而是當前狀態(tài)的所代表的含義，比如：檢測010序列的狀態(tài)機，當狀態(tài)機跳轉到alarm時，電路會有一個輸

23、出信號，比如alarmed信號，此時alarmed就會為高電平，其他（狀態(tài)時）時alarmed就會為低電平。alarmed 是我們最后電路的輸出，alarmed的值置于我們的轉臺機當前所處的狀態(tài)有關，而與輸出無關。用一句話總結就是：Moore狀態(tài)機的每一狀態(tài)指定它的輸出獨立于電路的輸入。Mealy狀態(tài)機的輸出不僅與當前的狀態(tài)有關，還與當前的輸出有關(同樣，不要誤認為狀態(tài)機的輸出只能是狀態(tài)機的狀態(tài)，即當前的輸入和當前的狀態(tài)共同決定當前的輸入。Mooer狀態(tài)機和Mealy狀態(tài)機的狀態(tài)的是相同的，當前的狀態(tài)和輸入共同決定下一個狀態(tài)是什么。狀態(tài)機有序多種描述方法，可以用一個always模塊寫狀態(tài)機，這

24、一個always模塊中要有系統(tǒng)狀態(tài)機的各個狀態(tài)轉移關系，又要有狀態(tài)轉移相對應的輸入和輸出部分，這是一段式狀態(tài)機；第二種方法是用兩個always 模塊寫狀態(tài)機，第一個always 模塊同步描述狀態(tài)機的狀態(tài)，第二個always模塊根據輸入的信號狀態(tài)機跳轉到相應狀態(tài)，這兩個always模塊在一起完成了狀態(tài)機的所有功能，這是兩段式狀態(tài)機；第三種用三個always模塊寫狀態(tài)機，第一個always 模塊同步描述狀態(tài)機的狀態(tài)，第二個always模塊根據輸入的信號狀態(tài)機跳轉到相應狀態(tài)，第三個always模塊同步描述狀態(tài)機的輸出，這是三段式狀態(tài)機。通常fpga工程師使用兩段式和三段式的描述方法.因同步的時序，可

25、以增加設計的穩(wěn)定性，減少輸出波形的毛刺。一般狀態(tài)機既有同步時序電路部分，又有組合邏輯部分。兩段式相比比一段式的優(yōu)點是，它的同步時序電路部分和組合邏輯部分出現在不同的的always模塊中。這樣方便其他人閱讀，也方便優(yōu)化代碼， 一段式不利于時序約束、功能更改、容易報錯，出現邏輯性錯誤。兩段式也有缺點，工程師們通常用組合邏輯描述當前狀態(tài)的輸出 但會有毛刺產生，而且不利于約束，不利于后期實現高性能的設計。三段式的設計方法很好的解決了這個問題。與兩段式相比，根據狀態(tài)轉移的規(guī)律，在前一狀態(tài)根據輸入條件判斷出當前狀態(tài)的輸出，實現了寄存器輸出。而且不插入額外時鐘節(jié)拍的前提下。第3章系統(tǒng)需求分析3.1 系統(tǒng)設計

26、目標(1) 設計一個防盜門控制系統(tǒng)，帶有密碼功能（密碼為4位的十進制數）。(2) 根據用戶輸入的密碼，做出相應的判斷（警報或開鎖）。(3) 密碼清除功能，清除前面出入的鍵值。3.2 系統(tǒng)需求3.2.1 功能鍵cancel，change，enter，zero1，one1，two1，three1，four1為系統(tǒng)的8個外部輸入，其中zero1，one1，two1，three1，four1對應數字鍵0，數字鍵1，數字鍵2，數字鍵3，數字鍵4，cancel為取消鍵，change為改值鍵，enter為確定鍵。功能鍵表格如圖3.1所示。表3.1 功能鍵功能編號功能按鍵功能描述1cancel取消鍵2chan

27、ge改值鍵3enter確定鍵4zero1數字鍵05one1數字鍵16two1數字鍵27three1數字鍵38four1數字鍵43.2.2 功能模塊有10個功能模塊分別是賦值模塊，主狀態(tài)模塊，次狀態(tài)模塊，判斷模塊，警報計時器，通過計時器，次數計數器，分頻模塊，防消抖模塊。他們的功能分別為主狀態(tài)的轉換（等待狀態(tài)，報警狀態(tài)，通過狀態(tài)）；移位狀態(tài)的轉換（第一位，第二位，第三位，第四位，完成位）；判斷密碼比較器；警報狀態(tài)的計時器通過狀態(tài)下工作的計時器；錯誤次數計數器；分頻器，有效檢驗按鍵次數。功能模塊表格如圖3.2所示。表3.2 功能模塊功能編號功能名稱功能描述1賦值模塊對按鍵賦值2主狀態(tài)模塊系統(tǒng)狀態(tài)轉

28、換3次狀態(tài)模塊移位狀態(tài)轉換4判斷模塊對密碼判斷5警報計時器警報狀態(tài)下計時6通過計時器通過狀態(tài)下計時7次數計數器記錄錯誤次數8分頻模塊分頻9防消抖模塊正確記錄有效按鍵10記錄密碼模塊依次記錄輸入密碼11密碼判斷模塊判斷密碼是否正確3.2.3信號Clk，resetb，zero1，one1，two1，three1，four1，enter，cancel，change為系統(tǒng)的10個外部輸入信號alarmed，passed為系統(tǒng)的2個外部輸出信號。其中clk為基準時鐘輸入信號；resetb為復位信號；zero1為按鍵0輸入信號；one1為按鍵1輸入信號；two1為按鍵2輸入信號；three1為按鍵3輸入信

29、號；four1為按鍵4輸入信號；enter為按鍵enter信號；cancel為按鍵cancel信號；change為按鍵change信號；alarmed為報警輸出信號；passed為通過輸出信號。信號表格如圖3.3所示。表3.3 信號功能編號功能名稱功能描述1clk基準時鐘2resetb復位3zero1按鍵0信號4one1按鍵1信號5two1按鍵2信號6three1按鍵3信號7four1按鍵4信號8enter確定9cancel取消10change改值11alarmed警報12passed通過3.2.4鍵值根據按下的按鍵zero1，one1，two1，three1，four1，change，can

30、cel，enter譯碼器做出相應的譯碼。零按鍵信號譯為4b0000 2進制碼；一按鍵信號譯為4b0001 2進制碼；二按鍵信號譯為4b0010 2進制碼；三按鍵信號譯為4b0011 2進制碼；四按鍵信號譯為4b0100 2進制碼；五按鍵信號譯為4b0101 2進制碼；六按鍵信號譯為4b0110 2進制碼；七按鍵信號譯為4b0111 2進制碼；八按鍵信號譯為4b1000 2進制碼；九按鍵信號譯為4b1001 2進制碼；enter按鍵信號譯為4b1011 2進制碼；cancel按鍵信號譯為4b1100 2進制碼；change按鍵信號譯為無2進制碼；鍵值表格如圖3.4所示。表3.4 鍵值按鍵信號（十

31、進制）鍵值（2進制）04b000014b000124b001034b001144b010054b010164b011074b100084b100194b1010enter4b1011cancel4b11004b1101(無效)4b1110(無效)4b1111(無效)change無3.3 系統(tǒng)非功能需求電子防盜門系統(tǒng)是人們安全意識提高后的成果，他保護人們的財產和人生安全，電子防盜門系統(tǒng)帶有密碼保護功能，只有戶主輸入了正確的密碼，才能進入，減少了許多安全局隱患，在輸入密碼的同時有顯示，顯示當前輸入密碼標識位，當輸入移位密碼后，顯示跳轉到下一位，還有取消功能，如果輸入錯誤，不用復位重新輸入，取消功能

32、按鍵，會返回上一位。生活中已經普遍應用這種電子防盜門系統(tǒng)，在社區(qū)中每棟樓的單元門安裝這種電子防盜門，極大地提高了人們的安全。3.4 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境 硬件配置：100GB硬盤；3GB內存；處理器： 2.67GHZ操作系統(tǒng)：Windows7 32位操作系統(tǒng)編程語言：Verilog HDL（硬件描述語言）軟件環(huán)境：Xilinx ISE8.2i、ModelSim、Visio、Workstation3.5 系統(tǒng)可行性分析本文使用ISE作為開發(fā)軟件，它擁有先進的技術，簡單靈活的操作和圖形使用界面，verilog語言作為開發(fā)語言，verilog語言是硬件描述語言的一種，可用于數字電子系統(tǒng)設計，可通過它進行各種

33、級別的邏輯設計，并進行數字邏輯系統(tǒng)的仿真驗證，時序分析，邏輯綜合。 大連東軟信息學院畢業(yè)設計（論文）第4章系統(tǒng)設計4.1 系統(tǒng)設計指導原則針對市場上一些電子防盜門系統(tǒng)進行分析和整理以后并對相關類型的電子防盜門系統(tǒng)的資料進行整合，分析完善精簡功能提高可操作性和效率。電子防盜門的首要目標是滿足人們自己對人生財產的需求，同時可以確保電子防盜門系統(tǒng)能夠有效地幫助人們保護他們的人生財產安全，本系統(tǒng)成本低廉，可操作性強，在發(fā)達國家已經廣泛應用。本設計基于FPGA的新型防盜門設計， 根據系統(tǒng)原理圖，完成了系統(tǒng)體系構架，狀態(tài)機，比較器，記錄器，譯碼器的設計。并也可以用verilog硬件描述語言實現，最后進行了

34、整體系統(tǒng)的功能仿真。在滿足上述基本要求后，可以拓展更多的功能使電子防盜門系統(tǒng)項目設計目標更加便捷，實用。4.2 設計思想防盜門系統(tǒng)組成部分：FPGA芯片，鍵盤（輸入部分），顯示部分，狀態(tài)信號（密碼是否正確），其中FPGA可分為按鍵處理部分，控制電路部分，譯碼顯示部分，系統(tǒng)原理示意圖如圖4.1設計思想框圖所示。圖4.1 設計思想框圖防盜門密碼按鍵有0-9，10個數字按鍵enter，cancel功能按鍵resetb復位鍵，基于FPGA上的按鍵有限，按鍵會不夠，增加一個change鍵，具體工作原理：按下0-4數字鍵 鍵盤輸入0-4數字，當按下0-4數字鍵和change時，鍵盤輸入5-9數字。密碼輸入

35、完成后按enter鍵確認密碼輸入的正誤，出現報警或通過信號。在錯誤，關鎖的情況可按下resetb鍵復位并重新開始，而在輸入密碼過程中如果出現輸入的密碼錯誤，可按下cancel取消。另外由于按下鍵值的同時會使狀態(tài)機的狀態(tài)變化，如果案件次數在短時間內過多，會對狀態(tài)機的變化產生影響，過快變化狀態(tài)。記錄密碼和顯示密碼會出現錯誤，因此加入按鍵消抖，在一定時間只檢驗一次按鍵的下降沿，本文采用軟件消抖。4.3 系統(tǒng)體系架構系統(tǒng)體系架構如圖4.2所示圖4.2 系統(tǒng)體系架構4.4 硬件設計4.4.1狀態(tài)機設計本文設計狀態(tài)機先從系統(tǒng)中的功能和電路確定需要幾個狀態(tài)，例如主狀態(tài)機預想的狀態(tài)有3個狀態(tài)分別為等待，報警和

36、通過。不同狀態(tài)之間的切換通過相應的狀態(tài)信號轉換。起始狀態(tài)（等待）：復位信號有效進入該狀態(tài)，處在報警狀態(tài)達到規(guī)定時間，處在通過狀態(tài)達到規(guī)定時間，進入該狀態(tài)。報警狀態(tài)：4位密碼比對錯誤進入報警狀態(tài)，嘗試錯誤最大次數超過規(guī)定次數進入報警狀態(tài)通過狀態(tài)：4位密碼比對正確進入通過狀態(tài)。給這3個狀態(tài)分配3個狀態(tài)編碼00，01，02，然后用一個2位位寬寄存器存儲即可。次狀態(tài)機用同樣的方法確定有5個狀態(tài)，分別為第一位，第二位，第三位，第四位，完成位。起始狀態(tài)（第一位）：復位信號有效進入該狀態(tài)，按鍵enter有效進入該狀態(tài)，第二位：前一狀態(tài)為第一位，按鍵0,1,2,3,4,有效，進入該狀態(tài)， 前一狀態(tài)為第三位，按

37、鍵cancel有效，進入該狀態(tài)。第三位：前一狀態(tài)為第二位，按鍵0,1,2,3,4有效，進入該狀態(tài)，前一狀態(tài)為第四位，按鍵cancel有效，進入該狀態(tài)。第四位：前一狀態(tài)為第三位，按鍵0,1,2,3,4有效，進入該狀態(tài)，前一狀態(tài)為完成位，按鍵cancel有效，進入該狀態(tài)。完成位：前一狀態(tài)為第四位，按鍵0,1,2,3,4有效，進入該狀態(tài)。 給這5個狀態(tài)分配5個狀態(tài)碼 00，01，02，03，04，用一個3位位寬的寄存器存儲。主狀態(tài)機如圖4.3主狀態(tài)機所示，次狀態(tài)機如圖4.4次狀態(tài)機所示。圖4.3 主狀態(tài)機圖4.4 次狀態(tài)機4.4.2密碼的記錄使用一個16位位寬的寄存器來儲存輸入的密碼，當次狀態(tài)機發(fā)生

38、轉換并且有密碼輸入時，記錄輸入的密碼在寄存器中，因為密碼有4個10進制數字組成，程序會根據當前次狀態(tài)機的狀態(tài)把密碼按對應的順序存儲在寄存器中。密碼紀錄器如圖4.5密碼記錄器所示。圖4.5 密碼紀錄器4.4.3密碼的比較使用一個比較器來比較輸入的密碼與存儲在程序中的密碼是否一致，如果密碼對比后一致，則輸出通過狀態(tài)信號，如果密碼比對后不一致，輸出警報狀態(tài)信號。密碼比較器如圖4.6密碼比較器所示。圖4.6 密碼比較器4.4.4按鍵的賦值如果檢測到按鍵按下有效，則通過一個譯碼器把每個按鍵相對應的2進制值賦予給存儲鍵值的4位位寬的寄存器。按鍵賦值模塊如圖4.7按鍵賦值模塊所示。圖4.7 按鍵賦值模塊4.

39、4.5警報計時器從安全性考慮當系統(tǒng)警報后，狀態(tài)機一直保持在報警狀態(tài)，但在該狀態(tài)下持續(xù)時間過長，會給用戶帶來不必要的麻煩，比如影響其他用戶開鎖，所以應在一定時間內狀態(tài)機由報警狀態(tài)自動返回到關鎖模式即等待狀態(tài)。此模塊使用一個計時器，復位信號有效計時器清零，報警狀態(tài)有效，開始工作，當計時達到規(guī)定的時間后，狀態(tài)機狀態(tài)返回等待。報警計時器模塊如圖4.8報警計時器模塊所示。 圖4.8 報警計時器模塊4.4.6通過計時器從安全性考慮當系統(tǒng)開鎖后，狀態(tài)機保持在通過狀態(tài)，但在該狀態(tài)持續(xù)時間過長，會給用戶帶來不必要的麻煩，比如用戶忘記關鎖。所以應在一定時間內狀態(tài)機由通過狀態(tài)自動返回到關鎖模式即等待狀態(tài)，模塊使用一

40、個計時器，復位信號有效計時器清零，通過狀態(tài)有效，開始工作，當計時達到規(guī)定時間后。狀態(tài)機返回等待狀態(tài)。通過計時器模塊如圖4.9通過計時器模塊所示。圖4.9 通過計時器模塊4.4.7嘗試次數計數器從安全性考慮，不能在短時間內多次輸入不正確的密碼，影響用戶的安全，所以應當設置最大嘗試次數防止有人惡意多次嘗試開鎖，造成不必要的麻煩。模塊使用一個計數器，復位信號有效計數清零，錯誤信號有效計數器加一，當紀錄錯誤次數為規(guī)定最大次數時，狀態(tài)機進入警報狀態(tài)。嘗試次數計數器模塊如圖4.10嘗試次數模塊所示。圖4.10 嘗試次數模塊4.4.8消抖模塊為了正確有效地得到按鍵信號，防止在極短的時間內多次記錄按鍵的按下，

41、本文采用軟件消抖的方法即不斷檢測按鍵值，直到按鍵值穩(wěn)定。實現方法：假設未按鍵時輸入1，按鍵后輸入為0，抖動時不定?？梢宰鲆韵聶z測：檢測到按鍵輸入為0之后，延時一定時間，再次檢測，如果按鍵還為0，那么就認為有按鍵輸入。延時的時間恰好避開了抖動期。第5章系統(tǒng)實現5.1 環(huán)境配置100GB硬盤；3GB內存；處理器： 2.67GHZ5.2 功能模塊實現5.2.1主狀態(tài)機圖5.1 主狀態(tài)機輸出信號try_count，alarm_count，clk，correct，error，pass_count，resetb。輸出信號有alarmed，passed，Try_count。為嘗試最大錯誤次數信號，信號與錯誤

42、次數計數模塊的try_count連接，當該信號有效時，狀態(tài)機由等待狀態(tài)跳轉到報警狀態(tài)；Alarm_count報警狀態(tài)返回信號，信號與報警計時模塊的alarm_1連接，當該信號有效時，狀態(tài)機由報警狀態(tài)跳轉到等待狀態(tài)。Clk為輸入時；Correct為判斷正確信號，信號與密碼比較器模塊中的correct端口連接；當該信號有效時，狀態(tài)機由等待狀態(tài)跳轉到通過狀態(tài)；error為判斷錯誤信號，信號與密碼比較器模塊的error端口連接；當該信號有效時，狀態(tài)機由等待狀態(tài)跳轉到報警狀態(tài)；pass_count為通過狀態(tài)返回信號；信號與通過計時器模塊的pass_1連接，當該信號有效時，狀態(tài)機由通過狀態(tài)跳轉到等待狀態(tài)；

43、alarmed為警報信號，信號為系統(tǒng)的輸出，當該信號有效時，開鎖失敗；passed為通過信號，信號為系統(tǒng)輸出，當該信號有效時，開鎖成功。如圖5.1主狀態(tài)機所示。5.2.2次狀態(tài)機圖5.2 次狀態(tài)機輸入信號有cmd，cancel，clk，enter，four，one，resetb，three，two，zero。輸出信號有password。cmd為按鍵鍵值信號，信號與按鍵賦值模塊的cmd連接，當該信號有效時，根據按下的按鍵輸入相應的鍵值；cancel為取消信號，信號與消抖模塊的cancel端口連接，當該信號有效時，次狀態(tài)機從當前狀態(tài)返回前一狀態(tài)；clk為輸入時鐘；enter為確定信號；,信號與系統(tǒng)

44、輸入enter連接，當該信號有效時，次狀態(tài)機從當前狀態(tài)返回到第一位；four為按鍵4，信號與信號與消抖模塊的按鍵4連接，當該信號有效時，次狀態(tài)根據當前狀態(tài)機跳轉到相應下一狀態(tài)；One為按鍵1，信號與消抖模塊的按鍵1端口連接，當該信號有效時，次狀態(tài)機根據當前狀態(tài)跳轉到相應下一狀態(tài)；resetb為復位信號；three為按鍵3，信號與消抖模塊的按鍵3端口連接，當該信號有效時，次狀態(tài)機根據當前狀態(tài)跳轉到相應下一狀態(tài)；two為按鍵2，信號與消抖模塊的按鍵2端口連接，當該信號有效時，次狀態(tài)根據當前狀態(tài)跳轉狀到相應下一狀態(tài)；zero為按鍵0，信號與消抖模塊的按鍵0端口連接，當該信號有效時，次狀態(tài)根據當前狀態(tài)

45、跳轉狀到相應下一狀態(tài)；password為紀錄的密碼信號，輸出到密碼比較模塊。如圖5.2次狀態(tài)機所示。5.2.3按鍵賦值模塊圖5.3 按鍵賦值模塊輸入信號有cancel，change，clk，enter，four，one，resetb，three，two，zero。.輸出信號有cmd，key_flag，cancel為取消信號，信號與消抖模塊的cancel端口連接，當該信號有效時，模塊賦予相應的值；clk為輸入時鐘；enter為確定信號，信號與系統(tǒng)輸入enter端口連接，當該信號有效時，模塊賦予相應的值；four為按鍵4，信號與消抖模塊的按鍵4端口連接，當該信號有效時，模塊賦予相應的值；one為按

46、鍵1，信號與消抖模塊的按鍵1連接，當該信號有效時，模塊賦予相應的值；resetb為復位信號；three為按鍵3，信號與消抖模塊的按端3口連接，當該信號有效時，模塊賦予相應的值；two為按鍵2，信號與消抖模塊的按鍵2連接，當該信號有效時，模塊賦予相應的值；zero為按鍵0，信號與消抖模塊的按鍵0端口連接，當該信號有效時，模塊賦予相應的值；Cmd為按鍵鍵值信號，信號與次狀態(tài)機的cmd端口連接，當該信號有效時，根據按下的按鍵輸出相應的鍵值；key_flag為按鍵標示信號。如圖5.3按鍵賦值模塊所示。5.2.4密碼的比較圖5.4 密碼比較模塊密碼比較模塊輸入信號有password，clk，enter，

47、key_flag，resetb。輸出信號有correct，error。password為記錄密碼的信號，信號與記錄密碼模塊的password信號連接；當該信號有效時輸入記錄的密碼；clk為輸入信號；enter為確定信號，信號與系統(tǒng)輸入enter端口連接，當該信號有效時，開始比較密碼；key_flag為按鍵標識信號；resetb為復位信號；correct為判斷正確信號，信號與狀態(tài)機的correct端口連接；error為判斷錯誤信號，信號與狀態(tài)機的error端口連接，如圖5.4密碼比較模塊所示。5.2.5警報計時器圖5.5 報警計時器模塊報警計時模塊輸入信號有alarmed，clk1，resetb

48、。輸出信號有alarm_1。Alarmed為報警信號，信號與狀態(tài)機的alarmed端口連接，當該信號有效時，報警計時模塊開始工作；clk1為輸入時鐘；resetb為復位；alarm_1為報警狀態(tài)返回信號，信號與狀態(tài)機中的alarm_count端口連接。如圖5.5報警計時器模塊所示。5.2.6通過計時器圖5.6 通過計時器模塊通過計時器模塊輸入信號有clk1，passed，resetb。輸出信號有pass_1，passed為通過信號，信號與狀態(tài)機的passed端口連接，當該信號有效時，通過計時模塊開始工作；clk1為輸入時鐘；resetb為復位；pass_1為報警狀態(tài)返回信號，信號與狀態(tài)機中的p

49、ass_count端口連接。如圖5. 6通過計時器模塊所示。5.2.7嘗試錯誤次數計數器圖5.7 嘗試錯誤次數計數器嘗試錯誤次數計數器模塊有輸入信號clk，error，passed，resetb。輸出信號有try_count，clk為輸入時鐘；error為錯誤信號，信號與密碼判斷模塊的error端口連接，當該信號有效時，嘗試錯誤次數計數器模塊開始工作。如圖5.7嘗試錯誤次數計數器所示。5.2.8頂層模塊圖5.8 頂層模塊cancel，change，clk，enter，four1，one1，resetb，three1，two1，zero1。為總輸入信號， alarmed，passed為總輸出信號

50、。如圖5.8所示。5.2.9消抖模塊圖5.9 消抖模塊輸入信號有cancel1，clk，four1，one1，three1，two1，zero1輸出信號有cancel，four，one，three，two，zero。其中cancel1，fouor1，one1，three1，two1，zero1。為系統(tǒng)總輸入按鍵信號，當信號有效時，如two1高電平有效，消抖模塊檢測有效按鍵次數輸出two信號。該信號與按鍵賦值模塊的端口two連接；one與按鍵賦值模塊的端口one連接；three與按鍵賦值模塊的端口three連接；four與按鍵賦值模塊的端口four連接；cancel與按鍵賦值模塊的端口cance

51、l連接如圖5. 9所示。第6章系統(tǒng)測試防盜門系統(tǒng)是保護人們安全的重要設備，文本以大學所學知識為基礎，設計了一種基于FPGA的新型防盜門系統(tǒng)，主要針對設計的防盜門控制系統(tǒng)帶有的密碼功能（密碼為4位的十進制數）;根據用戶輸入的密碼，做出相應的判斷（警報或開鎖）功能;密碼清除功能（清除前面出入的鍵值），進行了仿真測試。本次測試主要目的是保證系統(tǒng)的基本功能，并驗證系統(tǒng)的可操作性。6.1 測試概述本文使用Xilinx ISE進行仿真，首先創(chuàng)建測試文件test，選擇new sources里的verilog test fixture然后選擇關聯文件top，在整個測試過程中輸入端有clk，resetb，zer

52、o1，one1，two1，three1，four1，change，cancel1，enter。輸出端有alarmed，Passed, 在新建的test文件里可以輸入各種激勵信號。首先重置reset，輸入reset=0，并且不給時鐘信號：clk=0；然后reset=1，重置無效。 always # 10 clk=clk，即定義時鐘周期為20納秒。在ISE的sources里選擇behavior，然后點擊processes里的simulate behavioral model。6.2 測試用例圖6.1消抖仿真消抖仿真，當one1=1時，one_r=one1，one= (one _r&(one1)；波

53、形圖正確。如上圖6.1消抖仿真所示。圖6.2 按鍵賦值仿真按鍵賦值仿真，當one低電平有效時，cmd賦值為1，如上圖6.2按鍵賦值仿真所示。圖6.3 系統(tǒng)功能仿真系統(tǒng)整體仿真波形圖，輸入以下激勵信號#30 one1=1；#30 one1=0；#60 zero1=1；#60 zero1=0；#80 two1=1；#80 two1=0；#100 zero1=1；#100 zero1=0；#120 enter=0；#120 enter=1；當按下按鍵one1，消抖檢測后one信號有效，同時次狀態(tài)機sub_state從當前狀態(tài)的第一位跳轉到第二位；當按下按鍵zero1，消抖檢測后zero信號有效， 同

54、時次狀態(tài)機sub_state從當前狀態(tài)的第二位跳轉到第三位；當按下按鍵two1消抖檢測后two信號有效，同時次狀態(tài)機 sub_state從第三位跳轉到第四位；當按下按鍵zero1，消抖檢測后zero信號有效， 同時次狀態(tài)機sub_state從第四位跳轉到完成位；當按下按鍵enter有效時，次狀態(tài)機sub_state從完成位跳轉到第一位。同時記錄密碼模塊的password依次存儲剛剛4次按下按鍵的鍵值依按位數存儲成為密碼，最后按下enter按鍵后，在比較密碼模塊比較密碼得到error=1。主狀態(tài)機得到error=1從等待狀態(tài)跳轉到警報狀態(tài)alarmed=1。同時報警計時器工作，達到規(guī)定時間，al

55、arm_1=1；主狀態(tài)機從當前報警狀態(tài)返回等待狀態(tài)；同時嘗試錯誤次數模塊try_count=1。 如上圖6.3系統(tǒng)功能仿真所示。圖6.4 系統(tǒng)功能仿真系統(tǒng)整體仿真波形圖，輸入以下激勵信號#30 one1=1； #30 one1=0； #60 zero1=1； #60 zero1=0； #80 two1=1； #80 two1=0； #100 zero1=1； #100 zero1=0； #120 cancel1=1； #120 cancel1=0；當按下按鍵one1，消抖檢測后one信號有效，同時次狀態(tài)機sub_state從當前狀態(tài)第一位跳轉到第二位；當按下按鍵zero1，消抖檢測后zero信

56、號有效，同時此狀態(tài)機Sub_state從第二位跳轉到第三位；當按下按鍵two1，消抖檢測后two信號有效，同時次狀態(tài)機Sub_state從第三位跳轉到第四位；當按下按鍵zero1，消抖檢測后zero信號有效，同時次狀態(tài)機 Sub_state從第四位跳轉到完成位；當cancel1有效時次狀態(tài)機Sub_state從完成位條狀到第四位。如上圖6.4系統(tǒng)功能仿真所示。圖6.5 系統(tǒng)功能仿真#30 one1=1；#30 one1=0；#60 two1=1；#60 two1=0；#80 three1=1；#80 three1=0；#100 four1=1；#100 four1=0；#120 enter=0

57、；#120 enter=1；當按下按鍵one1，消抖檢測后one信號有效，同時次狀態(tài)機Sub_state從第一位跳轉到第二位；當按下按鍵two 1，消抖檢測后two信號有效，同時次狀態(tài)機Sub_state從第二位跳轉到第三位；當按下按鍵three 1，消抖檢測后three信號有效，同時次狀態(tài)機Sub_state從第三位跳轉到第四位；當按下按鍵four 1，消抖檢測后fouor信號有效，同時次狀態(tài)機Sub_state從第四位跳轉到完成位；當按下按鍵enter有效時Sub_state從完成位條狀到第一位。同時記錄密碼模塊的password依次存儲密碼，然后在比較密碼模塊比較密碼得到coorrect

58、=1。主狀態(tài)機從當前的等待狀態(tài)跳轉到通過狀態(tài)。同時通過計時器工作，達到規(guī)定時間，pass _1=1；主狀態(tài)機從當前的通過狀態(tài)返回等待狀態(tài)；同時嘗試錯誤次數模塊try_count=0。如上圖6.5系統(tǒng)功能仿真所示。大連東軟信息學院畢業(yè)設計（論文）第7章結論隨著科技和技術的發(fā)展，人們安全意識也逐步提升，對各種功能的防盜門需求也隨之增多，關鍵技術芯片體積也是越來越小，性能越來越強大，功能越來越多，而功耗卻在減少，只有不斷的發(fā)展這項技術，才能滿足人們的需求。從查閱資料到設計階段，發(fā)現多數防盜門系統(tǒng)是基于單片機開發(fā)的，但隨著大規(guī)?？删幊唐骷贔PGA的支持下的應用和快速發(fā)展完善，我們只需要通過計算機就能

59、對設計的電子系統(tǒng)的功能進行仿真和測試，運用大學所學習的知識verilog語言，soc系統(tǒng)開發(fā)，計算機基礎，數字電路開發(fā)設計基礎，本文決定實現的一種基于FPGA的防盜門系統(tǒng)可行性非常強，起初的工作是從查閱的資料中確定現在主流的防盜門系統(tǒng)的功能，根據生活中的實際情況設計了幾個基本的功能，由于對設計流程的不熟悉，在設計的初期，遇到了很多困難，如在語言語法的應用上比較局限，常常不能通過編譯，譯碼器記數字進制搞混，模塊中出現鎖存器，信號位寬在各個模塊中不一致導致的或是if else語句不完整所導致的，這些問題都很細微，處理起來很麻煩，但我還是從這些探索的過程中，學到了很多有用的知識，能較為熟料的使用ve

60、rilog語言，還學會熟練使用很多主流的開發(fā)軟件和輔助軟件。比如Xilinx ISE。更重要的是通過對系統(tǒng)功能的系統(tǒng)性的全面分析讓我逐漸感覺得心應手，比如繪制按功能劃分的系統(tǒng)各個模塊的流程圖能有效地幫助我在編寫語言是保持清晰的思路。不容易連接錯端口。在仿真的時候，也總結出了一些規(guī)律，就是當有邏輯錯誤出現時，從出錯的信號一步一步的倒推，能輕易的找到問題所在。后期的修改論文也遇到些問題，比如不會使用office visio軟件繪圖，造成了許多論文格式錯誤，但在老師的耐心指導下將錯誤改正，本系統(tǒng)最終得以完成 。在完成了所有的工作后，我了解到了謹慎、細心、耐心，這些都是工作中必不可少的要素。也清楚的意