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基于Verilog开发的FPGA密码锁工程：矩阵键盘输入按键值、修改密码和开锁功能，带Quar...

news 2026/4/20 21:06:58

基于Verilog 语言开发的FPGA密码锁工程通过矩阵键盘输入按键值输入12修改密码，13清除密码，可以修改原来默认的密码，修改时首先要输入当前密码进行验证，正确后才能更新当前密码，否则修改不成功修改结束后按键15，确认修改成功也直接使用默认密码作为最终密码使用按键14，进入开锁阶段之后，输入密码进行开锁有两个版本，分别为Quartus 和vivado 两个版本工程均带有完整的仿真模块前两张图为一个简单文档说明最后两张图为quartus的仿真图

一、工程概述

本工程是基于Verilog语言开发的FPGA密码锁系统，支持通过矩阵键盘进行密码输入、修改及清除操作，具备密码验证、状态指示、蜂鸣器报警等核心功能。工程提供了Vivado和Quartus两种开发环境的实现版本，适配不同FPGA开发流程，可灵活部署于对应兼容的FPGA芯片（Vivado版本适配xc7a100tfgg676-2，Quartus版本适配EP4CE6E22C8）。

核心特性包括：

支持4位密码的验证与修改，默认初始密码为1234；
矩阵键盘输入交互，支持数字输入、密码修改（按键12）、密码清除（按键13）功能；
数码管显示状态反馈，包括输入密码预览、验证结果提示；
硬件状态指示，通过继电器（relaybox）、系统LED（sysled）和蜂鸣器（beep）提供操作反馈；
完善的时序控制与消抖处理，确保输入稳定性和系统可靠性。

二、工程文件结构

2.1 Vivado版本（mimasuo_vivado）

mimasuo_vivado/ ├── mimasuo.sim/ # 仿真相关文件 │ └── sim_1/behav/xsim/ # 仿真配置、波形文件及中间代码 ├── mimasuo.srcs/ # 源代码目录 │ ├── sources_1/new/ # 核心功能模块 │ │ ├── key_board.v # 矩阵键盘驱动模块 │ │ └── mimasuo.v # 密码锁主控制模块 │ └── sim_1/new/ # 仿真测试模块 │ ├── mimasuo_tb.v # 系统顶层测试文件 │ └── yingjian.v # 硬件接口模拟模块 └── mimasuo.xpr # Vivado项目配置文件

2.2 Quartus版本（mimasuo_quartus）

mimasuo_quartus/ ├── msim/ # 仿真文件目录 │ ├── key_borad_tb.v # 键盘测试文件 │ ├── mimasuo_tb.v # 系统测试文件 │ └── yingjian.v # 硬件接口模拟模块 └── paj/ # 项目核心文件 └── simulation/modelsim/ # ModelSim仿真配置 ├── smart_box.do # 仿真波形配置脚本 ├── smart_box.vo # 综合后网表文件 └── modelsim.ini # 仿真环境配置

三、核心模块功能解析

3.1 矩阵键盘驱动模块（key_board.v）

3.1.1 模块功能

实现矩阵键盘的扫描、按键消抖、按键值解码功能，输出按键有效标志（keyflag）和解码后的按键值（keyboardvalue）。支持4x4矩阵键盘，可识别0-15共16个按键值，其中12对应"修改密码"、13对应"清除密码"。

3.1.2 核心逻辑

时序控制：通过参数T配置消抖延时（默认10000个时钟周期），避免按键抖动导致的误触发；
状态机扫描：采用10状态有限状态机实现键盘扫描：
- 状态0-2：检测按键按下并进行消抖确认；
- 状态3-7：逐列扫描键盘，获取按键所在行列信息；
- 状态8-10：按键释放检测与状态复位；
按键解码：根据行列扫描结果，将8位行列组合值（keyvaluetmp）解码为4位按键值（keyboardvalue），例如8'b11101110解码为4'h0（数字0），8'b0111_1101解码为4'hd（数字13）；
输出信号：
-keyflag：按键有效标志（高电平表示按键稳定输入）；
-keyboardvalue：解码后的4位按键值（0-15）。

3.2 密码锁主控制模块（mimasuo.v / smart_box.vo）

3.2.1 模块功能

系统核心控制模块，集成密码验证、密码修改、数码管显示、硬件控制等功能，是整个密码锁系统的逻辑中枢。

3.2.2 核心子模块

时钟生成单元：
- 100k采集时钟：用于键盘扫描时序控制；
- 1kHz使能信号（count1ms_en）：用于数码管扫描和状态机时序同步；
数据转换函数：
-tendata：8位二进制转十进制函数，用于密码数值处理；
-leddata：4位二进制转数码管段码函数，支持0-9、A-F显示（例如4'd10对应"A"，4'd12对应"C"）；
数码管扫描单元：
- 采用动态扫描方式驱动4位数码管，根据当前系统状态显示不同内容：
- 密码输入状态：显示当前输入的4位密码；
- 密码验证通过：显示全"A"；
- 待机状态：显示全"B"；
密码验证状态机（currentqstate）：
- 状态定义：NOQKEYPRESSED（待机）、IPUTCODE（密码输入）、WAITEND（输入等待）、CONFIGGOUT（验证结果）；
- 核心逻辑：
- 待机状态下检测按键14（确认键），进入密码输入状态；
- 输入过程中支持按13（清除键）复位输入；
- 输入4位密码后自动进入验证状态，对比输入密码（iputxcode）与存储密码（storecode）；
- 验证通过：继电器吸合（relay_box=1），蜂鸣器短鸣；验证失败：继电器断开，蜂鸣器长鸣；
密码修改状态机（currentstate）：
- 状态定义：NOQKEYPRESSED（待机）、IPUTCODE（原密码输入）、CONFIGGOUT（原密码验证）、BOXSELOUT（新密码输入）；
- 核心逻辑：
- 待机状态下检测按键12（修改键），进入原密码输入状态；
- 原密码验证通过后，进入新密码输入状态，输入4位新密码后更新存储密码（store_code）；
- 新密码输入过程中支持按13（清除键）取消修改，按15（退出键）确认保存。

3.2.3 硬件控制输出

relay_box：继电器控制信号（高电平吸合，可用于控制门锁等外设）；
sys_led：系统状态LED（修改密码时熄灭，待机时点亮）；
beep：蜂鸣器控制信号（密码正确短鸣，错误长鸣，无操作时静音）。

3.3 硬件接口模拟模块（yingjian.v）

3.3.1 模块功能

为仿真测试提供矩阵键盘硬件接口模拟，通过pressnum信号模拟不同按键的按下操作，用于验证键盘驱动和主控制模块的交互逻辑。

3.3.2 核心逻辑

根据输入的pressnum值（0-16），生成对应的矩阵键盘行列信号（row）：

pressnum=0-15：模拟对应按键按下，输出对应行列组合；
pressnum=16：模拟无按键按下，输出全1（row=4'b1111）。

3.4 仿真测试模块（mimasuo_tb.v）

3.4.1 模块功能

系统顶层仿真测试文件，实例化主控制模块、键盘驱动模块和硬件接口模拟模块，通过时序激励验证系统功能正确性。

3.4.2 仿真激励逻辑

系统复位：初始复位200ns后释放复位信号（rst_n=1）；
按键模拟：通过修改pressnum值模拟按键操作，例如：
-pressnum=14：模拟按下确认键，进入密码输入状态；
-pressnum=1-4：模拟输入密码1234；
-pressnum=12：模拟按下修改密码键，进入密码修改流程；
仿真时长：默认运行至指定时序后停止（$stop），可通过波形窗口观察各信号状态。

四、关键功能流程

4.1 密码验证流程

系统上电后进入待机状态，数码管显示全"B"，sys_led点亮；
按下确认键（14），进入密码输入状态；
依次按下4位密码数字，数码管实时显示输入的数字；
输入完成后，系统自动验证：
- 密码正确：继电器吸合（relay_box=1），蜂鸣器短鸣，数码管显示全"A"；
- 密码错误：继电器断开，蜂鸣器长鸣，数码管保持显示输入密码；
按下退出键（15），返回待机状态。

4.2 密码修改流程

待机状态下按下修改密码键（12），进入原密码输入状态；
输入原密码（默认1234），系统验证通过后进入新密码输入状态；
依次按下4位新密码数字，数码管实时显示输入的新数字；
输入完成后按下确认键（14），新密码保存至storecode，sysled熄灭后重新点亮；
若输入原密码错误，系统返回待机状态，蜂鸣器长鸣提示。

4.3 密码清除流程

密码输入过程中按下清除键（13），输入计数器（iputcnt/iputcnt1）清零；
数码管显示清空，系统返回当前状态的初始输入界面；
密码修改过程中按下清除键，取消当前修改操作，返回待机状态。

五、关键参数配置

参数名称	作用描述	默认值	配置位置
`T`	键盘消抖延时（时钟周期数）	32'd10000	key_board.v、mimasuo.v
`T1`	1kHz使能信号周期（时钟周期数）	20'd50000	mimasuo.v
`store_code`	存储密码（初始值）	32'd1234	mimasuo.v
`ROC_WIDTH`	全局复位信号宽度（仿真用）	100000ps	glbl.v