本文爲明德揚原創及錄用文章，轉載請註明出處！
作者：秦紅鍇
一、項目背景概述
隨着生活質量的不斷提高，加強家庭防盜安全變得非常重要，但傳統機械鎖的構造過於簡單，很容易被打開，從而降低了安全性。數字密碼鎖因爲它的保密性很高，安全係數也非常高，再加上其不需要攜帶避免了丟失的可能，省去了因鑰匙丟失而需要換鎖的麻煩，受到了越來越多的人的歡迎。隨看人們對高科技產品也越來越推崇，在當今社會科技的高度集中和創新，人們對日常生活中保護自身及財產安全的物品非常追捧，對其安全性的要求也非常的高。
爲了達到人們對鎖具安全性的高要求，加強鎖具的安全保密性，用密碼鎖來取代傳統機械鎖的鎖具是必然趨勢。數字密碼鎖比傳統機械鎖具更加的安全 。
在本案例的設計過程中，應用了至簡設計法、狀態機模板應用等，在經過逐步改進、調試等一系列工作之後，最終達到了設計目標。
基於明德揚至簡設計法和明德揚設計規範，設計一個基於FPGA的密碼鎖、並將數值顯示在數碼管上，然後根據輸入的鍵值判斷密碼是否正確。
二、項目設計要求
1、通過矩陣鍵盤採樣輸入密碼；
2、數碼管顯示輸入的密碼
3、密碼正確，指示燈給出指示，不正確蜂鳴器給出報警
三、頂層接收設計
根據所有的功能要求，我們先對其進行結構劃分如下：
Key_in：開始模塊
Key_scan :按鍵掃描模塊
Code_detect:密碼比較模塊
Control:控制信號模塊
Dis_play:數碼管顯示模塊
| Key_in | 比較按鍵輸入 |
| Key_scan | 按鍵掃描，密碼檢測 |
| Code_detect | 負責密碼的比較 |
| Dis_play | 數碼管顯示 |
| control | 負責輸出LED，BEEP控制 |
矩陣按鍵模塊
如果按鍵不多的話，我們可以直接按鍵與FPGA相連接，但是如果按鍵比較多的時候，如何還繼續使用直接按鍵與FPGA相連接的話，所會大量增加FPGA端口的消耗，爲了減少FPGA端口的消耗，我們可以把按鍵設計成矩陣的形式，就如下圖所示：
| 信號名稱 | I/O | 功能描述 |
|---|---|---|
| clk | I | 模塊時鐘 |
| rst_n | I | 模塊復位 |
| key_col[3:0] | I | 列信號 |
| key_row[3:0] | O | 行信號 |
| Key_num | O | 鍵值 |
| Key_vld | O | 按鍵有效 |
由上圖可以知道，矩陣鍵盤的行row（行）與col（列）的交點，都是通過一個按鍵來相連接。傳統的一個按鍵一個端口的方法，若要實現16個按鍵，則需要16個端口，而現在這個矩陣鍵盤的設計，16個按鍵，僅僅需要8個端口，如果使用16個端口來做矩陣鍵盤的話，可以識別64個按鍵，端口的利用率遠遠比傳統的設計好的多，所以如果需要的按鍵少的話，可以選擇傳統的按鍵設計，如果需要的按鍵比較多的話，可以採用這種矩陣鍵盤的設計。
而我們現在就以掃描法爲例來介紹矩陣鍵盤的工作原理。
在進行鍵盤掃描時，應內部對信號進行按鍵消抖處理。
詳細內容可以參考明德揚另一篇文章：矩陣鍵盤的檢測。
密碼比較模塊：Code_detect
| 信號名稱 | I/O | 功能描述 |
|---|---|---|
| clk | I | 模塊時鐘 |
| rst_n | I | 模塊復位 |
| key_falg | I | 按鍵按下標誌信號 |
| key_value[3:0] | I | 按鍵值 |
| start | I | 開始比較 |
| error | O | 密碼錯誤 |
| right | O | 密碼正確 |
| code[3:0] | O | 輸入密碼 |
每次輸入4位數的密碼，所以每次按下一次，就將這詞的鍵值先存到寄存器中。
所以這裏需要一個計數器，來計算是第幾次按下的操作
在使用一個時序邏輯，將上個模塊的鍵值存儲到寄存器。
控制模塊：control
| 信號名稱 | I/O | 功能描述 |
|---|---|---|
| clk | I | 模塊時鐘 |
| rst_n | I | 模塊復位 |
| error | I | 錯誤信號 |
| right | I | 正確信號 |
| beep | o | 蜂鳴器 |
| Error_led | o | 錯誤指示燈 |
| Right_led | o | 正確指示燈 |
這個模塊要操作的信號較多，並且每種情況下，各個指示燈的情況也不一樣，爲了設計的簡單，我們在這採用一個狀態機設計，每個狀態下規定不同的操作就行了。
狀態機的設計主要要有3個狀態，主要是有空閒狀態，正確狀態，錯誤狀態，狀態轉移圖如下所示：
空閒狀態：等待檢測
正確狀態：right_led亮
錯誤狀態：error_led亮，並且BEEP叫1s;
根據MDY的模板設計出4段狀態機：
根據模板我們只需要修改很少的部分就可以，
1根據自己的狀態圖，修改所需要的狀態轉移條件
2修改狀態發生變化的條件
3修改最後的輸出信號
本次需要注意的是89行中的時鐘條件被修改了，原因是，這幾個狀態中的燈亮或者蜂鳴器發出響聲會持續一段時間，狀態改變要等到每次小的狀態結束，或者接收到新的上有信號。
數碼管顯示模塊：dis_play
| 信號名稱 | I/O | 功能描述 |
|---|---|---|
| clk | I | 模塊時鐘 |
| rst_n | I | 模塊復位 |
| Code[3:0] | I | 密碼 |
| Seg_Sel[3:0] | O | 位選信號 |
| Segment[7:0] | O | 段選信號 |
數碼管動態顯示接口是應用最爲廣泛的一種顯示方式之一，動態驅動是將所有數碼管的 8 個顯示筆劃"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端連在一起，另外爲每個數碼管的公共極 COM 增加位選通控制電路，位選通由各自獨立的 I/O 線控制，當要輸出字形碼時，所有數碼管都接收相同的字形碼，但究竟是哪個數碼管會顯示出字形，取決於單片機對位選通 COM 端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數碼管就不會亮。
通過分時輪流控制各個數碼管的的 COM 端，就使各個數碼管輪流受控顯示，這就是動態驅動。在輪流顯示過程中，每位數碼管的點亮時間爲 1～2ms，由於人的視覺暫留現象及發光二極管的餘輝效應，儘管實際上各位數碼管並非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩定的顯示數據，不會有閃爍感，動態顯示的效果和靜態顯示是一樣的，能夠節省大量的 I/O 端口，而且功耗更低。
動態掃描是利用人眼視覺滯留的特點，點亮某一位後，在人眼反應之前，進行下一位的顯示，故而出現重影現象。而人的視覺暫留時間大約在1/24秒左右，所以應該保持24幀以上纔會保持連續而不會出現閃爍，通俗來講，應該在一秒內至少掃描多次。也就是每次掃描時間至少小於40ms 。
相關代碼可參考之前設計：“數字秒錶”一文中。
四、實驗總結：
事先在程序中設置內置密碼爲1111，當下載完成後輸入4591，按下確認鍵之後，發現正確的燈不變化，蜂鳴器會響持續1s，重新輸入1111後，正確的燈會先滅然後恢復，蜂鳴器也不發聲，說明設計正確。
