基于FPGA的多功能密碼鎖的設計

摘要：本文設計的基于FPGA的電子密碼鎖，具有記憶和修改6位密碼、輸入密碼位數指示及防止多次試探密碼等功能，與銀行卡的原理和功能極其相似，使得密碼鎖的保密和安全性能進(jìn)一步增強。最后，給出了在Quartus II軟件開(kāi)發(fā)平臺上實(shí)現密碼鎖各項功能的仿真圖，并在FPGA芯片EP1K30TC144-3上通過(guò)了驗證。
關(guān)鍵詞：現場(chǎng)可編程門(mén)陣列；超高速集成電路硬件描述語(yǔ)言；密碼鎖

0 引言
電子密碼鎖能保護用戶(hù)的重要資料不被非法用戶(hù)所竊取，目前使用的電子密碼鎖大多以單片機為控制器，通過(guò)運行程序完成密碼鎖的各項功能。由于受到外部干擾的影響，單片機很容易將程序“跑飛”，因而可靠性較差。仿照銀行卡輸入密碼的原理，本文介紹了一種基于FG-PA的多功能密碼鎖的設計和實(shí)現方案，由于采用純硬件實(shí)現，使得可靠性和安全性大大提高。

1 電子密碼鎖的功能要求
設計的密碼鎖至少具有下列功能：
(1)6位密碼，與銀行卡密碼位數相同；
(2)每位密碼采用十六進(jìn)制數，與十進(jìn)制數密碼相比，密碼被破譯的概率大大降低；
(3)每位密碼按下時(shí)，有密碼位數指示，類(lèi)似自動(dòng)取款機輸入密碼時(shí)有“*”號提示；
(4)密碼輸入過(guò)程中密碼有誤時(shí)，能對已經(jīng)輸入的密碼清除以便重新輸入密碼；
(5)6位密碼輸入都正確后，應有開(kāi)鎖指示，上鎖時(shí)也應有上鎖指示；
(6)密碼連續三次輸入錯誤，密碼鎖死鎖，并開(kāi)啟報警，防止竊賊多次試探密碼；
(7)初始密碼默認為“123456”，密碼可以修改，在密碼鎖打開(kāi)狀態(tài)下，再一次輸入正確的舊密碼及兩次輸入的新密碼一致時(shí)，密碼才能修改成功。

2 密碼鎖的系統構成
根據密碼鎖具有的功能，可將其實(shí)現的功能劃分成分頻模塊、鍵盤(pán)和數碼管掃描模塊、按鍵抖動(dòng)消除模塊、按鍵編碼模塊、鍵值到7段數碼管譯碼顯示模塊和主控制模塊等6個(gè)子模塊，如圖1所示。

(1)分頻模塊。它對系統的主時(shí)鐘進(jìn)行分頻，以產(chǎn)生4×8小鍵盤(pán)的列掃描信號和6位數碼管的列掃描信號所需要的時(shí)鐘。分頻是因為消除按鍵抖動(dòng)的計數器時(shí)鐘要比分頻后掃描時(shí)鐘高得多。
(2)鍵盤(pán)和數碼管掃描模塊。它檢測到分頻輸出信號的上升沿到來(lái)時(shí)，就對掃描的列加1，當掃描到最后一列即第7列，再從第0列開(kāi)始掃描。當檢測到有鍵按下的掃描控制信號時(shí)，則停止列掃描，直至按鍵釋放后，再接著(zhù)掃描下一列。數碼管的6列掃描信號和小鍵盤(pán)的8列掃描信號可以共用，當掃描到小鍵盤(pán)的第6、7列時(shí)，并沒(méi)有掃描6位數碼管，由于掃描速度足夠快，這并不影響數碼管的動(dòng)態(tài)顯示。
(3)按鍵抖動(dòng)消除模塊。機械鍵按下時(shí)，會(huì )產(chǎn)生抖動(dòng)現象，若不消除，一次按鍵會(huì )被錯誤地認為同一鍵被多次按下，從而造成無(wú)法正確地輸入密碼。消除的方法可以采用硬件方法如RS觸發(fā)器和軟件延時(shí)方法，本文采用后者。
(4)按鍵編碼模塊。它負責將按下鍵的行列位置碼編碼成0～31的鍵值碼，鍵值0～15當作有效的16進(jìn)制數輸入密碼位，大于等于16的鍵值可以定義成功能鍵，如定義清除密碼鍵[Clear]鍵值為17，確認鍵[Enter]鍵值為23，修改密碼鍵[Chgsecret]鍵值為24，其他沒(méi)有定義的鍵可
以預留升級時(shí)的備用功能鍵。
(5)譯碼顯示模塊。它負責將按下的數值鍵0～F譯碼成7段LED共陰極字型碼。
(6)主控模塊。它依據消除抖動(dòng)后產(chǎn)生的按鍵釋放信號koff及按下的是數值鍵或功能鍵決定轉移的下一狀態(tài)，在不同的狀態(tài)完成密碼的比較、修改及多次試探密碼報警提示等多項控制功能。
3 軟件實(shí)現
本文采用VHDL語(yǔ)言實(shí)現本密碼鎖系統的設計。對系統中劃分出的每一個(gè)模塊功能都可以采用一個(gè)進(jìn)程來(lái)描述。分頻、掃描和譯碼顯示三個(gè)功能模塊都比較簡(jiǎn)單，本文只重點(diǎn)介紹剩余的3個(gè)模塊實(shí)現原理及進(jìn)程中的部分關(guān)鍵代碼。完整的代碼可以向本文作者發(fā)郵件索取。
根據主控制模塊實(shí)現的功能，可以整理成如下圖2所示的流程圖，圖中對修改密碼的流程作了省略。