电子密码锁 FPGA 设计 Verilog Quartus

名称：电子密码锁 FPGA 设计 Verilog Quartus

软件：Quartus

语言：Verilog

开发板/平台：Cyclone IV FPGA开发板

功能介绍

本设计为基于 FPGA 的电子密码锁系统，采用 Verilog 编写，工程环境为 Quartus。系统以顶层模块 mimasuo 为核心，支持 4x4 矩阵键盘数字输入、确认开锁、密码修改、上锁控制、报警提示、LED 状态指示以及 8 位数码管显示，适合用于 FPGA 课程设计、数字系统实验和密码锁控制逻辑学习。 系统通过矩阵键盘输入 0-9 数字密码，确认键用于提交密码并触发校验流程，修改键用于进入密码修改相关操作，上锁键用于将系统重新置为锁定状态。开锁与关锁状态分别通过 led_open 和 led_close 输出显示，报警状态通过蜂鸣器 alarm 和报警灯 led_alarm 输出，用户可以直观看到密码锁的运行状态。 工程包含完整 Quartus 编译输出和板级配置，能够帮助用户学习从 Verilog 模块设计、顶层例化、管脚分配到开发板验证的完整流程。设计结构清晰，功能模块划分明确，便于二次修改，例如扩展密码位数、调整报警逻辑、替换显示方式或适配其他 FPGA 开发板。

运行环境

开发语言：Verilog 开发软件：Quartus 顶层模块：mimasuo 适配硬件：Cyclone IV FPGA 开发板 主要外设：4x4 矩阵键盘、确认键、修改键、上锁键、蜂鸣器、LED 指示灯、8 位数码管 工程文件：包含 Quartus 工程配置、Verilog 源码、管脚约束、编译输出文件和可下载配置文件。

设计思路

该密码锁采用模块化 Verilog 设计，将键盘扫描、按键消抖、密码输入、密码重置、状态控制、报警输出和数码管显示分开实现。顶层模块 mimasuo 负责连接各功能模块，并统一管理时钟、复位、矩阵键盘行列信号、确认/修改/上锁按键、蜂鸣器报警、LED 指示以及 8 位数码管显示接口。 输入部分通过分频模块把系统时钟转换为适合键盘扫描的 500KHz 时钟，再由 data_input 模块对 4x4 矩阵键盘进行扫描，提取 0-9 数字按键事件。独立的确认键、修改键和上锁键经过 key_jitter 消抖处理后输出稳定触发信号，降低机械按键抖动对密码状态机的影响。 密码处理部分由 mima_input、reset_password 和 mimasuo_ctrl 等模块配合完成。mima_input 负责将数字按键组合成密码数据，reset_password 用于密码重置或修改流程，mimasuo_ctrl 负责根据当前输入密码、正确密码、确认信号、修改信号和上锁信号控制开锁、关锁、报警等状态。显示模块则将当前输入或状态信息转换为数码管位选与段选输出，方便在开发板上直接观察运行状态。

模块结构

顶层模块：mimasuo，负责连接时钟复位、矩阵键盘、功能按键、报警输出、LED 指示和数码管显示。 主要功能模块包括： reset_password：密码重置/修改相关逻辑。 key_4x4：4x4 矩阵键盘扫描相关模块。 alarm_on：报警控制模块，用于驱动报警输出。 data_input：键盘输入采集模块，输出数字按键触发信号。 display：数码管显示模块，输出 DIG 位选和 SEG 段选。 div_clk：时钟分频模块，将系统时钟分频到键盘扫描所需时钟。 mima_input：密码输入组合模块，将数字按键转换为密码数据。 key_jitter：按键消抖模块，用于确认、修改、上锁等独立按键处理。 mimasuo_ctrl：密码锁控制模块，管理开锁、关锁、报警及状态转换。

开发板验证

工程面向 Cyclone IV FPGA 开发板进行了板级使用配置，包含 Quartus 管脚约束与分配文件，可用于按键矩阵、独立功能按键、蜂鸣器报警、报警指示灯、开锁/关锁指示灯以及数码管显示等外设连接。 开发板验证重点对应密码锁的完整交互流程：通过 4x4 矩阵键盘输入数字密码，使用确认键完成密码校验，使用修改键进入密码修改相关流程，使用上锁键恢复锁定状态；当输入或状态不满足开锁条件时，报警模块可驱动蜂鸣器与报警灯输出。板级图片与管脚分配内容可帮助用户对照实际硬件连线和 Quartus 工程配置。

演示视频

配套演示视频展示了密码锁工程在实际操作中的运行效果，便于观察按键输入、确认、修改、上锁、开锁指示、关锁指示以及报警输出等功能状态。用户可结合工程源码和开发板管脚配置，对照视频理解完整的人机交互流程。

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、管脚分配和仿真图等说明，并配有按键消抖模块、分频模块、报警模块、显示模块、密码重置模块、控制模块、密码输入模块等相关设计图片。仿真与文档图片可用于理解各模块连接关系、逻辑功能划分以及密码锁控制流程。

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 reset,//-复位--S0

input [3:0] L_row,//行
output [3:0] H_col,//列

input confirm_key,//-确认键--S1
input modify_key,//--修改--S2
input lock_up_key,//--上锁--S3

output alarm,//报警，蜂鸣器
output led_alarm,//报警灯
output led_open,//开锁，灯--
output led_close,//关锁，灯--
output  [7:0] DIG,//数码管位选
output  [7:0] SEG//数码管段选	
);

wire key_0;
wire key_1;
wire key_2;
wire key_3;
wire key_4;
wire key_5;
wire key_6;
wire key_7;
wire key_8;
wire key_9;

wire key_0_p;
wire key_1_p;
wire key_2_p;
wire key_3_p;
wire key_4_p;
wire key_5_p;
wire key_6_p;
wire key_7_p;
wire key_8_p;
wire key_9_p;

wire clk_500KHz;

wire [2:0] current_state;
wire [15:0] password;
wire [15:0] correct_password;
wire confirm;
wire modify;
wire lock_up;

wire open;
assign led_close=~open;
assign led_open=open;

//分频
div_clk i_div_clk(
. clk(clk),//50M
. clk_500KHz(clk_500KHz)//分频到500K
);

//输入模块
data_input i_data_input(
. clk_500KHz(clk_500KHz),//500KHZ 
. reset(reset),
. L_row(L_row),//行
. H_col(H_col),//列
. key_0_rise(key_0),//键0
. key_1_rise(key_1),//键1
. key_2_rise(key_2),//键2
. key_3_rise(key_3),//键3
. key_4_rise(key_4),//键4
. key_5_rise(key_5),//键5
. key_6_rise(key_6),//键6
. key_7_rise(key_7),//键7
. key_8_rise(key_8),//键8
. key_9_rise(key_9) //键9
);


//上升沿检测
key_jitter i1_key_jitter(
. clkin(clk),    
. key_in(confirm_key),//输入
. key_posedge(),//消抖后按键上升沿
. key_negedge(confirm),//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(),//消抖后按键上升沿
. key_negedge(modify),//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(),//消抖后按键上升沿
. key_negedge(lock_up),//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),
. key_0(key_0),
. key_1(key_1),
. key_2(key_2),
. key_3(key_3),
. key_4(key_4),
. key_5(key_5),
. key_6(key_6),
. key_7(key_7),
. key_8(key_8),
. key_9(key_9),

// ... 以下代码略，完整源码请下载压缩包查看

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