基于VHDL密码控制系统的设计和仿真

　　1 前言

　　随着电子技术和ASIC技术的发展．数字系统设计向速度快、容量大、体积小、重量轻的趋势发展。目前数字系统设计可直接面向用户需求，根据系统的行为和功能要求，自上而下地逐层完成设计过程：描述、综合、优化、仿真与验证，以及器件生成。该设计过程除系统行为和功能描述外，其他设计几乎都由计算机自动完成，从而实现电子设计自动化。这样大大地缩短了系统的设计周期，适应当今品种多、批量小的电子市场需求，提高了产品的竞争能力。由于电子设计自动化是采用硬件描述语言描述硬件电路，所以研究硬件语言及仿真、综合等技术是电子设计自动化的首要任务。本文提出一种利用MAX+plusⅡ开发软件环境和硬件描述语言VHDL的密码控制系统设计方案，并对系统的各个模块进行仿真分析。

　　2 VHDL语言特点和基本结构

　　VHDL语言即超高速集成电路硬件描述语言，它在80年代的后期出现。初是由美国国防部开发出来供美军用来提高设计的可靠性和缩减开发周期的一种使用范围较小的设计语言 。、

    VHDL的英文全写是：VHSIC（Very High Speed Integrated Circuit）Hardware Descriptiong Language.翻译成中文就是超高速集成电路硬件描述语言。因此它的应用主要是应用在数字电路的设计中。目前，它在中国的应用多数是用在FPGA/CPLD/EPLD的设计中。当然在一些实力较为雄厚的单位，它也被用来设计ASIC。VHDL主要用于描述数字系统的结构，行为，功能和接口。
它是一种用形式化方法描述数字电路和设计数字逻辑系统的语言，特别适合描述复杂的组合逻辑、组运算、状态机和真值表。与传统的门级设计方法相比，VHDL语言具有以下特点：

　（1）与其他的硬件描述语言相比，VHDL具有更强的行为描述能力，从而决定了他成为系统设计领域的硬件描述语言。强大的行为描述能力是避开具体的器件结构，从逻辑行为上描述和设计大规模电子系统的重要保证。
  （2）VHDL丰富的仿真语句和库函数，使得在任何大系统的设计早期就能查验设计系统的功能可行性，随时可对设计进行仿真模拟。
  （3）VHDL语句的行为描述能力和程序结构决定了他具有支持大规模设计的分解和已有设计的再利用功能。符合市场需求的大规模系统高效，
  高速的完成必须有多人甚至多个代发组共同并行工作才能实现。
  （4）对于用VHDL完成的一个确定的设计，可以利用EDA工具进行逻辑综合和优化，并自动的把VHDL描述设计转变成门级网表。
  （5）VHDL对设计的描述具有相对独立性，设计者可以不懂硬件的结构，也不必管理终设计实现的目标器件是什么，而进行独立的设计。

　　VHDL语言程序设计的基本语法结构如下：

　　3 系统设计分析

　　密码控制系统包括键盘、控制器和显示器等三部分，如图1所示。

　　4位密码控制系统设计能实现如下功能：密码验证功能：即用户使用键盘输入4位密码后，按#键确认。如果输入密码正确则输出000l；如果密码错误则输出00000密码更改功能：当用户输入密码正确后，可在此基础上更改密码，即继续输入4位密码，按+键确认，该输入为新密码。如果密码更改成功，则输出1000；作为整体，控制模块有2个输入，即时钟信号和键盘按键信号；两个输出，即键盘扫描信号和结果显示信号，具体如图l所示。该控制模块总共包括分频子模块、键盘扫描子模块、键盘译码子模块、控制子模块以及输出显示子模块，下面分别对各个模块进行编程仿真。

　　3．1 分频子模块

　　分频子模块将时钟分频为系统所需频率的时钟信号。通过触发器的级联实现分频电路模块，且级联的触发器级数不同，分频也不同。级数越多频率越低，并按照一定的规律而降低，即频率随级数的增加以分比为l／2的速率降低。本系统设计采用VHDL语言实现分频，其仿真如图2所示。由图2可以看出，CLK—A、CLK—B、VLK—B0和CLK—Bl的频率成倍递减。

　　3．2 键盘扫描子模块

　　该模块通过分频子模块提供的分频信号，逐周期扫描键盘的每一行，其信号分别是lll0、110l、lOll和0111，如此循环．即逐周期选中键盘的列、第二列、第三列和第四列，实现仿真如图3所示。由图3看出，CLK_SCAN 4位信号中0的位置代表键盘的列位置。

　　3．3 译码子模块

　　利用键盘扫描子模块，读取键盘的输入信号，判断哪一个按键被按下，仿真如图4所示。由图4看出，_KEYBOARD是扫描周期，C是键盘按键后的输出信号值；FLAG_NUMB表示按下的是数字键(值为1)，OUT_NUMB表示按下的键号，其中15表示功能键(#键和*键)；其余数字即为其相应号码键。FLAG FUNC表示按下的是功能键(值为1)；OUT FUNC表示其按键值，0100表示*键，000l表示#键，1000表示数字键。

　　3．4 控制子模块

　　由于控制子模块无法单独仿真，只能和其他模块一起才能工作，所以无单独仿真图。其功能是获取键盘输入，按规则进行判断并完成相应操作(正确、错误、设置密码、输出结果等)。

　　3．5 总体仿真

　　图5所示为系统总体仿真图，以下说明图5中的信号含义：CLK_SCAN为键盘扫描信号，指出当前扫描键盘的第几行；KEY_IN为键盘按键输入信号，指出当前扫描行的哪一按键被按下：SHOW为判断结果，0表示密码不匹配、1表示密码正确、8表示修改密码成功。ACC为内部移位寄存器。临时存储4个4位二进制数，用于暂存用户输入的密码；REG为内部移位寄存器，临时存储4个4位二进制数，用于保存密码；NC为内部信号，用于表示当前已输入数据数．或者表示用户按数字键的次数。

　　根据图5所示的总体仿真图，可导出密码控制系统电路，如图6所示。

　　4 结语

　　本系统设计是通过自动调用MAX-7000S系列的EPM7128SLC84-6型EPGA器件来实现。并且通过系统总体仿真图能看出设计的密码控制系统完全符合要求。