本文爲明德揚原創及錄用文章，轉載請註明出處！
作者：造就狂野青春
一、總體設計
1、概述
本文基於明德揚至簡設計法和明德揚設計規範，設計了一個基於FPGA的數字密碼鎖，實現了在撥碼開關條件下，按鍵設置密碼、按鍵輸入解鎖密碼，密碼正確時正確指示燈亮、密碼錯誤時或者默認狀態錯誤指示燈亮，密碼正確時一位數碼管顯示1，其他情況顯示0。本案例的擴展和應用在現實生活中具有重大意義。在本案例的設計過程中，應用了至簡設計法、計數器模板應用等，在經過逐步改進、調試等一系列工作之後，最終達到了設計目標。
2、設計目標
（1）實現8位數字密碼鎖功能
（2）按鍵1、2設置密碼，按鍵1有效時設置一位密碼0，按鍵2有效時設置一位密碼1，按下8次後密碼設置完成
（3）按鍵3、4輸入密碼，按鍵3有效時輸入一位密碼0，按鍵2有效時輸入一位密碼1，按下8次後密碼輸入完成
（4）比較設置的密碼和輸入的密碼是否相同，正確時正確指示燈亮，數碼管顯示1，否則錯誤指示燈亮，數碼管顯示0；
3、模塊功能
（1）密碼模塊實現功能：
SW1有效時按鍵1、2設置密碼，按鍵1有效時設置一位密碼0，按鍵2有效時設置一位密碼1，按下8次後密碼設置完成
SW2有效時按鍵3、4輸入密碼，按鍵3有效時輸入一位密碼0，按鍵2有效時輸入一位密碼1，按下8次後密碼輸入完成
（2）數碼管顯示模塊實現功能：
密碼正確時數碼管顯示1，否則顯示0；
（3）led模塊實現功能：
密碼正確時led_y指示燈亮，否則led_n指示燈亮；
（4）按鍵模塊實現功能：
將外來異步信號打兩拍處理，將異步信號同步化；
實現20ms按鍵消抖功能，並輸出有效按鍵信號；
4、信號定義
1）頂層模塊Lock_Top.v
| 信號 | 定義 |
|---|---|
| clk | 系統時鐘 |
| rst_n | 低電平復位信號 |
| key_in | 按鍵輸入 |
| sw | 撥碼開關 |
| led_y | 正確指示燈 |
| led_n | 錯誤指示燈 |
| seg_sel | 數碼管位選信號 |
| segment | 數碼管顯示信號 |
2)密碼模塊password.v
| 信號 | 定義 |
|---|---|
| clk | 系統時鐘 |
| rst_n | 低電平復位信號 |
| key_vld | 按鍵有效 |
| SW | 撥碼開關 |
| password_set | 設置的密碼 |
| password_shift | 輸入的密碼 |
3）數碼管顯示模塊sel_disp.v
| 信號 | 定義 |
|---|---|
| clk | 系統時鐘 |
| rst_n | 低電平復位信號 |
| password_set | 設置的密碼 |
| password_shift | 輸入的密碼 |
| seg_sel | 數碼管位選信號 |
| segment | 數碼管顯示信號 |
4)led模塊led_flag.v
| 信號 | 定義 |
|---|---|
| clk | 系統時鐘 |
| rst_n | 低電平復位信號 |
| led_y | 正確指示燈 |
| led_n | 錯誤指示燈 |
5)按鍵模塊key_module.v
| 信號 | 定義 |
|---|---|
| clk | 系統時鐘 |
| rst_n | 低電平復位信號 |
| key_in | 按鍵輸入 |
| key_vld | 有效按鍵 |
5、密碼模塊核心代碼
SW1有效時按鍵1、2設置密碼，按鍵1有效時設置一位密碼0，按鍵2有效時設置一位密碼1，按下8次後密碼設置完成
SW2有效時按鍵3、4輸入密碼，按鍵3有效時輸入一位密碼0，按鍵2有效時輸入一位密碼1，按下8次後密碼輸入完成
6、數碼管顯示
參數化設置顯示0~F對應的8位數
對比設置的密碼和輸入的密碼是否一致，密碼正確時數碼管顯示1，否則顯示0；
7、led指示燈模塊
密碼正確時led_y指示燈亮，否則led_n指示燈亮；
8、按鍵消抖代碼
利用明德揚的按鍵消抖模塊，每20ms掃描一次按鍵輸入key_in,可以達到消抖的目的，再用寄存器緩存一下，按鍵爲低電平有效，所以檢測當檢測到按鍵有下降沿變化時，代表該按鍵被按下，按鍵有效，輸出1；
9、Modelsim仿真驗證
編寫測試文件，添加激勵，這裏避免長時間仿真，需將消抖時間縮小
按鍵2按下時設置了一位密碼1，再按鍵時設置了兩位密碼1；
按鍵4按下時輸入了一位密碼1，再按鍵時輸入了兩位密碼1；
設置的密碼和輸入的密碼是否相同，正確時正確指示燈亮，數碼管顯示1，否則錯誤指示燈亮，數碼管顯示0；從仿真圖可以看出符合功能要求。
在這個設計案例中，至簡設計法和明德揚至簡法發揮了至關重要的作用，使我能夠快速準確完成設計。
本設計可以加以拓展：
可以結合開發板外設和實際情況，改變設置和輸入密碼的方式、位數，以及密碼正確與否的反應，如蜂鳴器報警等等。
對於初學者而言，流水燈太簡單，複雜項目又太難，不如嘗試一下這些相對簡單而又酷炫的案例，並一步步拓展成大項目。趕緊動手嘗試吧。