基于FPGA的电子密码锁

实现的功能：

1、设计制作一个数字密码锁，共有8位密码，要求该密码是字母与数字的结合。输入密码由LCD显示
2、系统上电后，8位初始密码为0000_0000.
3、输入8位破解密码，输入完毕后，按确认键，若输入密码与破解密码匹配，则开锁成功，点亮第一位led（长亮）蜂鸣器响一声。解锁成功后按设置密码键可重新设置密码。若输入密码与破解密码不匹配，则开锁不成功，点亮第二位led（长亮），再次输入破解密码。若下次输入正确，则点亮第一位led（长亮），熄灭第二位led，若输入密码3次以后，仍未解锁，则第二位led长亮，第三位led长亮并锁闭键盘。
4、按下复位键，解锁键盘，熄灭第一位、第二位和第三位led，并可重新操作第三步。

硬件要求：

LCD1602一块(16引脚的)；
FPGA开发板。这里我采用的是正点原子的新起点开发板，使用其他的开发板要记得自个分配引脚。使用的是正点原子新起点开发板的话可以按下面连接LCD1602和分配引脚：
在这里插入图片描述
注意，板子上只有四个按键0~3，还需要额外接两个按键4和5。按键key_in[6]没有用到，预留出来了。外接按键要按下图接，上拉电阻为10K，电压3.3v

LCD1602的工作原理：
LCD1602在玩过单片机的应该是较早接触的字符型液晶显示器了，一般来说，LCD1602有16引脚，也有14引脚的，16脚的相比14脚的多了背光电源A(15脚)和地线K(16脚)。我手里这里使用的是16脚的，接线图如下：RS到DB7按上图的引脚分配表接开发板上
在这里插入图片描述
对应到LCD1602的引脚上分别是：

1、VSS接电源地。

2、VDD接+5V。

3、VO是液晶显示的偏压信号，可接电位器，改变背光，电压过高和过低会看不清字符。
4、RS是命令/数据选择引脚，接FPGA的一个I/O，当RS为低电平时，选择命令；当RS为高电平时，选择数据。

5、RW是读/写选择引脚，接FPGA一个I/O，当RW为低电平时，向LCD1602写入命令或数据；当RW为高电平时，从LCD1602读取状态或数据。如果不需要进行读取操作，可以直接将其接GND。(这里我接的是IO口)
共有四种状态：注意FPGA速度很快，在控制LCD1602时注意延时
输入RS=0，RW=1，E=高脉冲。输出：D0—D7为状态字。（读命令）
输入RS=1，RW=1，E=高脉冲。输出：D0—D7为数据。（读数据）
输入RS=0，RW=0，E=高脉冲。输出：无。（写命令）
输入RS=1，RW=0，E=高脉冲。输出：无。（写数据）

6）E，执行的使能引脚，接FPFA的一个I/O。

7）D0—D7，并行数据输入/输出引脚，接FPGA的的8个I/O口。

8）A背光正极，可接到VCC。

9）K背光负极，接GND

LCD1602可以显示16列2行的字符，LCD1602显示的原理跟 8* 8的点阵显示原理很相似，1602显示字符的原理也是8*8的点组成的，例如我们要显示一数字0:
通过点亮相应的点就可以，但与点阵不同的是，有些LCD1602不需要取字模，因为其内部自带了字库，通过对照ASCALL码表就可以显示相应的数字：例如还是要显示数字0的话，我们只需要往DB0-DB7写入数值48，就可显示数字0
字符0按点显示

常用的ASCALL对照表：

在这里插入图片描述
LCD1602的工作原理可自行百度或参考：LCD1602工作原理

效果图：

开始状态：
在这里插入图片描述
密码错误：

密码正确：

最后，附上代码：这里没有采用例化语句，而是将所有的程序放在一个工程里了，这样很方便的将程序复制到自行创建工程使用，到时再自行分模块使用。（程序显示会有一小BUG,但不影响使用，可自行优化）

module LCD1602 (rst,key_in,clk,rw,rs,en,data,led,led1,led2,led3,bee,);input clk,rst;    //CLK 50M，RSTw为复位信号/***********************给变量赋初值************************/
/***************************/
initial A<=8'd48;//初始密码 0000——0000，d48为0的ASCALL值
initial B<=8'd48;
initial C<=8'd48;
initial D<=8'd48;
initial E<=8'd48;
initial F<=8'd48;
initial G<=8'd48;
initial H<=8'd48;
/****************************/
initial bee=0;
initial bee_flag=0;
initial p=0;
/***************************/
initial i<=1;
initial led=0; 
initial led1=0; 
initial led2=0; 
initial led3=0; 
initial flag=0; 
initial xianshi<=8'd16;  //让初始化完以后，就显示空字符
initial add<=8'h80;      //让初始化显示的地址
initial shuzi<=8'd57;    //让初始化完以后，数字变量为9，ascll码值为57，
initial zimu<=8'd122;    //为什么是9，因为按键按下后，数字会加一，9加一变为10，10以后跳会0，//所以第一按按键显示0  //让初始化字母为小写z
/**********************************************************/ /*******************************************************************************************************************************************//****************************************************************LCD的初始化函数************************************************************//******************************************************************************************************************************************//**********计数器函数用于在状态机中做延时使用***************************/
/********************************************************************/ reg [31:0]count;always @(posedge clk )  beginif(!rst)count<=0;else begincount<=count+1;if(count==2_000_001)begincount<=0;end endend /**********************************状态定义*************************************/parameter  state0  =6'h00,  //设置8位格式,2行显示,5*7                 8'h38; state1  =6'h01,  //开显示,开光标,闪烁  8'h0e    关光标，不闪烁 8'h0cstate2  =6'h02,  //输入数据光标右移，显示字符不移动            8'h06state3  =6'h03,  //清屏     8'h01state4  =6'h04,  //显示的地址  addstate5  =6'h05;  //显示的字符
/********************************************************************************/ output rs,en,rw;  //LCD控制使能端，rs=0时为写命令，rs=1;为写数据，en为LCD的E引脚，rw=0时，为写，rw=1为读数据（读数据没有用到，所以rw始终为0）output [7:0] data;//输出LCD显示的字符//LCD的D0到D7引脚reg rs,en_sel;    //OUTput的变量要为定义为reg类型，en_sel为LCD  E引脚的寄存器变量，最终为E=en_selreg [7:0]data;    reg [7:0]add;     //LCD字符显示的地址reg [7:0] next;    //next为状态定义reg[3:0]lcd_flag; // lcd_flag=0表示LCD正在写入字符，lcd_flag=1;表示LCD写入数据完成always @(posedge clk,negedge rst)beginif(!rst)beginnext<=state0;lcd_flag=0;endelsebegincase(next)state0 :begin if(count<1000_000)begin rs=0;en_sel=1;data=8'h38;end //rs=0;为写命令；命令值为H38,设置8位格式,2行,5*7,LCD的使能端E为1（en_sel=1); if(count>1000_000)begin en_sel=0;end                  //LCD的使能端E为0（en_sel=0),下降沿的时候把数据读进去; if(count>2000_000)begin next<=state1;end             //延时一段时间10MS，LCD速度较慢必须延时endstate1 :begin if(count<1000_000)begin rs=0;en_sel=1;data=8'h0e;end if(count>1000_000)begin en_sel=0;end if(count>2000_000)begin next<=state2;end endstate2 :begin if(count<1000_000)begin rs=0;en_sel=1;data=8'h06;end if(count>1000_000)begin en_sel=0;end if(count>2000_000)begin next<=state3;end endstate3 :begin if(count<1000_000)begin rs=0;en_sel=1;data=8'h01;end if(count>1000_000)begin en_sel=0;end if(count>2000_000)begin next<=state4;end end    state4 :begin if(count<1000_000)begin lcd_flag=0; rs=0;en_sel=1;data=add;end //lcd_flag=0表示LCD正在写入一个数据，if(count>1000_000)begin en_sel=0;end                           // 此时的数据应该保持稳定if(count>2000_000)begin next<=state5;end end state5 :begin if(count<1000_000)begin rs=1;en_sel=1;data=xianshi;end //rs=1;为写数据，xinashi是要显示的数据if(count>1000_000)begin en_sel=0;lcd_flag=1;end       //lcd_flag为1时表示数据写入完成，可以写入下一个数据if(count>2000_000)begin next<=state4;end end default:   next<=state0; endcaseendend/*****************************************************************************************************************************************************/*******************************************************************以下函数为密码锁功能实现*********************************************************//*****************************************************************************************************************************************************/*********计数器函数用于在蜂鸣器中做延时***********************/
/************************************************************/  reg [31:0]count2; // CLK 分频计数器output bee;       //蜂鸣器控制端，bee为高电平时蜂鸣器响reg bee;      reg bee_flag;    //蜂鸣器使能标志reg bee_clk;    //蜂鸣器时钟reg p;          //蜂鸣器响标志always @(posedge clk )  beginif(!rst)count2<=0;elsecount2<=count2+1;if(count2==50_000_000)beginbee_clk=1;      endif(count2==50_900_000)beginbee_clk=0;endif(count2==51_000_000)begincount2<=0;endend /*****************************************************************************************///按键检测函数//========================================================================================reg [31:0]count1; // CLK 分频计数器
always @(posedge clk or negedge rst) //检测时钟的上升沿和复位的下降沿
beginif(!rst)                 //复位信号低有效count1 <= 32'd0;         //计数器清 0elsebeginif(count1 ==32'd999_999) //20ms 扫描一次按键,20ms 计数(50M/50-1=999_999)begincount1 <= 1'b0;          //计数器计到 20ms，计数器清零key_scan <= key_in;      //采样按键输入电平endelsecount1 <= count1 + 1'b1; //计数器加 1end
end
//====================================================
// 按键信号锁存一个时钟节拍
//====================================================
input [6:0] key_in;//按键的定义 key0为数字0-9输入 key1为大小写字母输入 key2为输入密码的下一位 key3为确定键
reg [6:0] key_scan_r;
reg [6:0] key_scan;
always @(posedge clk)
key_scan_r <= key_scan;//利用非阻塞赋值实现下降沿检测
wire [6:0] flag_key = key_scan_r[6:0] & (~key_scan[6:0]); //检测按键的下降沿/****************************************************************************************/
//密码输入处理函数
/**************************************************************************************/
reg key_flag; //修改密码标记位
reg [3:0]i,flag;//i用于指示密码的第几位，flag用于判断判断密码输入错误的次数，3次后，键盘锁定，不可以输入数据
reg[7:0]xianshi,shuzi,zimu;//定义xianshi为显示的变量，shuzi,zimu显示的暂存变量
reg add_flag;//地址改变标志位output led,led1,led2,led3;//LED灯的定义
reg led,led1,led2,led3; reg[7:0] a,b,c,d,e,f,g,h,A,B,C,D,E,F,G,H;//存储输入的密码和设定密码的变量always @ (posedge clk or negedge rst) 
beginif (!rst) //复位信号低有效begin key_flag=0;shuzi<=8'd57;  //复位为数字9zimu<=8'd122;  //复位为小写字母zxianshi<=8'd16;//复位为空字符add=8'h80;    //复位第一行第一个显示i=1;          flag=0;led=0;led1=0;led2=0;led3=0;bee=0;add_flag=0;a=0;b=0;c=0;d=0;e=0;f=0;g=0;h=0;end else if(flag<=2)  //flag为错误密码的次数，等于3if条件不满足，键盘不能使用beginif(lcd_flag&&add_flag)//如果显示的地址发生变化且LCD显示完成（lcd_flag=1）,才显示为空字符，beginxianshi=8'd16;add_flag=0;endif ( flag_key[0] )begin  shuzi=shuzi+1'b1;if(shuzi==8'd58)shuzi=8'd48;xianshi=shuzi; //按键 KEY0 按下时，数字加一，第一次按下时，// 初始shuzi为9，按下后加一，等于10，就自动变成0if(key_flag==0) //  key_flag==0表示输入密码状态begin								  if(i==1)a=shuzi;                                                     if(i==2)b=shuzi;if(i==3)c=shuzi;if(i==4)d=shuzi;if(i==5)e=shuzi;if(i==6)f=shuzi;if(i==7)g=shuzi;if(i==8)h=shuzi;endif(key_flag==1) //  key_flag==1表示设置密码状态,i表示给第i位密码赋值begin								  if(i==1)A=shuzi;                                                     if(i==2)B=shuzi;if(i==3)C=shuzi;if(i==4)D=shuzi;if(i==5)E=shuzi;if(i==6)F=shuzi;if(i==7)G=shuzi;if(i==8)H=shuzi;endend if ( flag_key[1] ) begin zimu=zimu+1;if(zimu==91)zimu=8'd97;if(zimu==8'd123)zimu=8'd65;xianshi=zimu;//65为A,97为a,122为小写字母zif(key_flag==0) //  key_flag==0表示输入密码状态beginif(i==1)a=zimu;                                                     if(i==2)b=zimu;if(i==3)c=zimu;if(i==4)d=zimu;if(i==5)e=zimu;if(i==6)f=zimu;if(i==7)g=zimu;if(i==8)h=zimu; endif(key_flag==1) //  key_flag==1表示设置密码状态begin								  if(i==1)A=zimu;                                                     if(i==2)B=zimu;if(i==3)C=zimu;if(i==4)D=zimu;if(i==5)E=zimu;if(i==6)F=zimu;if(i==7)G=zimu;if(i==8)H=zimu;endend if ( flag_key[2] ) begin add_flag<=1;i=i+1;if(i>7)i=8; //密码的位数与显示的地址应该同步add<=add+1'b1;    //按键 KEY2 值变化时，地址显示加一，字符右移一位if(add>8'h86)add<=8'h87;//到达第8后不再加，因为密码为8位，可根据需要修改shuzi<=8'd57;zimu<=8'd122;endif ( flag_key[3] )begin        //按键 KEY3 按下时，一位一位的比对密码if(a==A)beginif(b==B)beginif(c==C)beginif(d==D)beginif(e==E)beginif(f==F)beginif(g==G)beginif(h==H)beginled=1;led1=0;bee_flag=1;bee=1;endelse begin led1=1;led=0; endendelse begin led1=1;led=0; endendelse begin led1=1;led=0; endendelse begin led1=1;led=0; endendelse begin led1=1;led=0; endendelse begin led1=1;led=0; endendelse begin led1=1;led=0; endendelse begin led1=1;led=0; endif(led==1)flag=0;if(led1==1)flag=flag+1;if(flag==3)led2=1;endif ( flag_key[4] )begin //如果密码输入正确，按下此按键可以修改密码 if(led==1)beginkey_flag=~key_flag;if(key_flag==1)led3=1;elseled3=0;endend if ( flag_key[5] )begin//按下此按键可以退回上一位xianshi=8'd16; //显示为空字符shuzi<=8'd57;  //复位为数字9zimu<=8'd122;  //复位为小写字母z add<=add-1;if(add<8'h80)add<=8'h87;i=i-1;if(i==0)i=8;end//****************蜂鸣器代码*******************************//下面这段代码实现的功能为：密码输入正确后，蜂鸣器响一声//（当bee_clk=0，bee_flag=1时（也就是密码输入正确时）蜂鸣器在响）if(bee_clk&&bee_flag==1)//当蜂鸣器时钟bee_clk=1且蜂鸣器标志位bee_flag为1时beginbee=0;                   //蜂鸣器停止p=1;                    //p=1用来表示蜂鸣器已经响了endelse if(p==1)beginp=0;          //清零等待下一次响bee_flag=0;   //清零等待下一次密码输入正确end//**************************************************************** 
end
endassign en=en_sel; assign rw=0;//rw为0表示LCD的rw引脚为低电平，此时为写，rw为1时读
endmodule