基于FGPA的數字密碼鎖設計

0 前言

自古以來(lái)人們對物品安全就十分重視，數字化的今天，電子鎖正在逐步取代以往的機械鎖被廣泛運用在門(mén)禁、銀行和保險柜。然而，這些基于單片機的密碼鎖可靠性較差，而且功能拓展有限。隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，人們對電子鎖安全性和可靠性又提出了新的要求。本文所述的FPGA，即現場(chǎng)可編程門(mén)陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。由于其高集成度，使得電子產(chǎn)品在體積上大大縮減，且具有可靠、靈活、高效等特性，己備受設計師們的青睞。

1 系統概述

1．1 功能概述

(1)初始密碼為000000，按C鍵設置密碼，密碼設置完成后按A鍵即上鎖。
(2)以4×4鍵盤(pán)為輸入設備，按B鍵開(kāi)始密碼輸入，串行輸入6位密碼，輸入完成后按#鍵，確認密碼輸入完成。七段數碼管將顯示用戶(hù)所輸入的數字。
(3)密碼輸入正確，則開(kāi)鎖指示燈滅，若密碼輸入錯誤或位數不足，報警燈亮。
(4)處于報警狀態(tài)時(shí)，按*鍵可解除報警。
(5)為保證安全，系統只有在開(kāi)鎖狀態(tài)時(shí)，按C鍵，用戶(hù)才可重新設置密碼。

1．2 系統結構

系統以4×4矩陣鍵盤(pán)為輸入設備，七段數碼管和指示燈為系統的輸入顯示和輸出指示器。系統內部可分為以下幾個(gè)模塊：鍵盤(pán)掃描及消抖電路、分頻電路、譯碼電路、編碼器、寄存器、比較器、控制器、計數器。系統結構大致如圖1所示。

按鍵所用開(kāi)關(guān)為機械彈性開(kāi)關(guān)，當機械觸點(diǎn)斷開(kāi)、閉合時(shí)，由于機械觸點(diǎn)的彈性作用，一個(gè)按鍵開(kāi)關(guān)在閉合或斷開(kāi)時(shí)不會(huì )穩定地接通或立即斷開(kāi)，在電路上則會(huì )表現為連續地輸入同一個(gè)值。因此在鍵盤(pán)掃描電路里加入了鍵盤(pán)消抖程序。為使用戶(hù)能夠看到自己所輸入的密碼，將七段數碼管的顯示電路也集中到了鍵盤(pán)掃描電路內。鍵盤(pán)掃描所用的時(shí)鐘頻率為1kHz，故將系統所用的1MHz的時(shí)鐘分頻為1kHz供鍵盤(pán)掃描用，以分頻模塊為例，其程序如下：


1．3 狀態(tài)機

狀態(tài)機(FSM)在一個(gè)有限狀態(tài)之下以目前電路所處的狀態(tài)為準，一旦外加時(shí)序及輸入信號來(lái)臨，則以目前的狀態(tài)及輸入信號的變化狀況為依據，產(chǎn)生下一次的狀態(tài)及電位。狀態(tài)機是密碼鎖的主要控制部分，如圖2所示，狀態(tài)分為7種，S1：密碼修改狀態(tài)；S2：開(kāi)鎖狀態(tài)；S3：閉鎖狀態(tài)：S4：密碼輸入正確狀態(tài)：S5：密碼輸入狀態(tài)；S6：密碼輸入錯誤狀態(tài)；S7：報警狀態(tài)。

系統上電時(shí)，處于開(kāi)鎖狀態(tài)，當輸入change信號時(shí)，系統進(jìn)入修改密碼狀態(tài)；若輸入lock信號，進(jìn)入安鎖狀態(tài)，鎖閉合；在安鎖狀態(tài)，輸入start信號，進(jìn)入輸入密碼狀態(tài)；在輸入密碼狀態(tài)，由ps_i_l密碼脈沖作為計數時(shí)鐘，計數值輸出作為寄存器地址，當計數器計到6時(shí)，返回計數滿(mǎn)信號cin，如果密碼內容和長(cháng)度均正確，進(jìn)入密碼初驗正確狀態(tài)，如果密碼錯誤，進(jìn)入密碼初驗錯誤狀態(tài)；在密碼初驗正確狀態(tài)，輸入確認信號enter時(shí)，進(jìn)入開(kāi)鎖狀態(tài)；在密碼初驗錯誤狀態(tài)，輸入確認信號enter時(shí)，進(jìn)入報警狀態(tài)；在報警狀態(tài)，warn信號等于‘1’，如果輸入清楚報警信號off_al，則進(jìn)入安鎖狀態(tài)。以開(kāi)鎖過(guò)程為例，其功能仿真波形如圖3所示。


2 系統功能仿真

自上而下的設計方法，是現代電子系統的新型設計策略，它從設計的總體要求出發(fā)。本文用VHDL語(yǔ)言以系統的整體輸入輸出作為頂層實(shí)體描述，然后進(jìn)行元件例化和位置映射。分別建立每個(gè)模塊的VHDL文件，最后由系統進(jìn)行整體的綜合和功能仿真。

2．1 系統軟件仿真

完成系統的整體設計后，再對頂層文件進(jìn)行編譯，然后建立Vector Waveform File，編輯輸入波形后進(jìn)行功能仿真，以密碼輸入錯誤為例，仿真結果如圖4所示，設置密碼為279235，系統處于閉鎖狀態(tài)時(shí)，按start鍵，開(kāi)始輸入密碼8765413，密碼輸入錯誤，則系統還是處于閉鎖狀態(tài)，且warn變?yōu)楦唠娖健?br />

2．2 系統硬件測試

系統硬件測試環(huán)境用的是EP2C35F672C8，它采用672引腳的BGA封裝，表1列出了該款FPGA的所有資源特性。

完成引腳分配后，通過(guò)JTAG調試接口將程序下載到芯片內，進(jìn)行硬件測試，首先設置密碼為654321然后上鎖，以輸入錯誤密碼為例，輸入235689然后按#}鍵，由圖4可見(jiàn)，閉鎖指示燈D3亮，表示未開(kāi)鎖，報警指示燈D4亮，表示密碼輸入錯誤。測試結果表明設計成功。

3 結束語(yǔ)

設計選用FPGA芯片、4×4矩陣鍵盤(pán)、七段數碼管為主要硬件，設計了一種低功耗、體積小的密碼鎖，并在硬件上驗證了其可靠性。由于FPGA的靈活性，密碼長(cháng)度可根據寄存器個(gè)數而隨意改變，此設計在現代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中將有廣泛應用。