矩阵键盘密码锁 FPGA 设计 Verilog Vivado

名称：矩阵键盘密码锁 FPGA 设计 Verilog Vivado

软件：Vivado

语言：Verilog

开发板/平台：Nexys A7

功能介绍

本设计实现一个基于 FPGA 的矩阵键盘密码锁控制器，使用 Verilog 编写并在 Vivado 工程中组织源码。系统面向数字系统课程设计中常见的密码锁场景，完成密码输入、密码判断、开锁指示、错误提示、报警以及状态返回等核心功能。 密码锁平时处于等待状态，用户可通过 4x4 矩阵键盘输入 4 位密码，并通过确认键提交。若输入密码正确，系统进入开锁状态并点亮开锁指示；若密码错误，系统提示重新输入，连续三次错误后触发报警信号。默认密码为 0000，管理员可通过专用控制按键进入密码修改相关流程。 输入过程中支持退格修正，在按下确认键之前可以逐位删除已输入内容，便于模拟真实密码锁的人机交互。系统还结合 LED、蜂鸣/报警输出和数码管显示，使密码状态、输入内容和控制结果能够在开发板上直观呈现。

运行环境

开发语言：Verilog 开发软件：Vivado 适用工程：FPGA 密码锁控制器工程 开发板验证：Nexys A7 主要外设：4x4 矩阵键盘、独立按键、拨码开关、LED 指示、报警输出、八位数码管显示。

设计思路

整体设计采用模块化结构，将密码锁的人机输入、状态控制、显示输出、报警处理和密码重置分开实现。顶层模块 mimasuo 负责连接时钟、矩阵键盘行列信号、确认/修改/上锁/退格按键、复位开关、管理员开关、报警输出、开锁 LED、状态指示灯以及数码管位选和段选信号。 按键部分先经过 key_jitter 模块进行消抖和边沿检测，将机械按键转换为稳定的确认、修改、上锁、退格等控制脉冲。矩阵键盘由 mima_input 模块完成扫描和密码输入组合，根据当前状态接收用户输入，并在退格键作用下修正已输入数字。 密码锁核心控制由 mimasuo_ctrl 完成，控制逻辑围绕等待、输入、开锁、修改、错误和报警等状态展开。用户提交密码后，控制模块比较输入密码与当前正确密码，输出开锁指示并更新状态；错误次数达到要求后进入报警相关状态。reset_password 模块负责在指定状态下更新正确密码，使管理员修改密码功能与普通用户开锁流程分离。 显示与报警分别由 display 和 alarm_on 模块处理。display 根据当前密码、正确密码、系统状态和管理员开关驱动数码管显示；alarm_on 根据状态和按键情况输出报警信号及三色/状态指示灯效果。这样的划分便于单独理解各模块功能，也方便在 Vivado 中查看 RTL 层次结构和后续扩展。

模块结构

顶层模块：mimasuo 主要子模块包括： reset_password：密码重置/修改逻辑。 key44_scan：4x4 矩阵键盘扫描相关模块。 alarm_on：报警输出和指示灯控制。 display：数码管显示控制。 mima_input：密码输入、退格处理和键值组织。 hx75_hex_7seg：数码管段码转换。 key_jitter：按键消抖与边沿检测。 key_7seg：按键显示辅助模块。 mimasuo_ctrl：密码锁状态机与开锁控制核心。 工程包含 Vivado 项目文件、Verilog 源码文件和 XDC 管脚约束文件，顶层通过模块例化方式把输入、控制、显示、报警和密码管理连接为完整密码锁系统。

开发板验证

本设计带有 Nexys A7 相关管脚约束文件，并配套开发板实物验证图片。约束中包含矩阵键盘、独立按键、拨码开关、LED、报警输出以及数码管等接口分配，可用于在开发板上进行密码输入、确认、退格、修改密码、开锁指示和报警效果验证。

演示视频

配套演示视频展示了密码锁工程在开发板上的运行效果，可用于查看矩阵键盘输入、数码管显示、确认开锁、错误处理和报警等功能的实际表现。

仿真图/仿真说明/设计文档图片

设计文档内容包含工程文件、程序文件、程序编译、RTL 图、管脚分配以及课程设计题目说明等部分，并配有多张设计文档图片，可作为理解工程结构、模块连接和管脚配置的参考。

部分代码

以下展示顶层模块 mimasuo 的部分代码，完整源码请下载压缩包查看。

module mimasuo(
input clk,//时钟
input [3:0] row,  //行
output [3:0] col,   //列
input confirm_key,//确认键--key1
input modify_key,//修改密码--key2
input lock_up_key,//上锁--key3
input back_key,//退格--key4
input reset,//SW1--(清除报警)
input admin_sw,//SW2--(管理)
output alarm,//报警（低响）
output led_open,//开锁，绿灯
output [2:0] tri_led,//指示灯

//数码管
output [7:0] seg_sel,//数码管位选
output [7:0] seg_led//数码管段选
);
wire reset_p;
assign reset_p=reset;
wire [2:0] current_state;
wire [15:0] password;
wire [15:0] correct_password;
wire confirm;
wire modify;
wire lock_up;
wire back_s;
wire to_idle_en;

//上升沿检测
key_jitter i1_key_jitter(
. clkin(clk),    
. key_in(confirm_key),//输入
. key_posedge(confirm),//消抖后按键上升沿
. key_negedge(),//消抖后按键下降沿
. key_value()//消抖后按键
);

//上升沿检测
key_jitter i2_key_jitter(
. clkin(clk),    
. key_in(modify_key),//输入
. key_posedge(modify),//消抖后按键上升沿
. key_negedge(),//消抖后按键下降沿
. key_value()//消抖后按键
);

//上升沿检测
key_jitter i3_key_jitter(
. clkin(clk),    
. key_in(lock_up_key),//输入
. key_posedge(lock_up),//消抖后按键上升沿
. key_negedge(),//消抖后按键下降沿
. key_value()//消抖后按键
);

//上升沿检测
key_jitter i4_key_jitter(
. clkin(clk),    
. key_in(back_key),//输入
. key_posedge(back_s),//消抖后按键上升沿
. key_negedge(),//消抖后按键下降沿
. key_value()//消抖后按键
);

//密码输入模块
mima_input i_mima_input(
. clk(clk),
. back_s(back_s),
. row(row),  //行
. col(col),   //列
. to_idle_en(to_idle_en),
. current_state(current_state),
. password(password)
);

//密码锁控制模块
mimasuo_ctrl i_mimasuo_ctrl(
. clk(clk),
. password(password),
. correct_password(correct_password),
. confirm(confirm),
. reset(reset_p),
. modify(modify),
. lock_up(lock_up),
. to_idle_en(to_idle_en),
. led_open(led_open),
. current_state(current_state)
);


//显示控制模块
display i_display
(
. clk(clk),
. password(password),
. state(current_state),
.correct_password(correct_password),
. admin_sw(admin_sw),//SW2--(管理)
. bit_select(seg_sel),//数码管位选
. seg_select(seg_led)//数码管段选
);

//报警模块
alarm_on i_alarm_on(
. clk(clk),
. tri_led(tri_led),
. confirm_key(confirm_key),
. current_state(current_state),
. alarm(alarm)
);

//重置密码模块
reset_password i_reset_password(
. clk(clk),
. password(password),
. correct_password(correct_password),
. confirm(confirm),
. current_state(current_state)
);
// ... 以下代码略，完整源码请下载压缩包查看

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