1、-. z.基于FPGA的四位電子密碼鎖設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘要：針對(duì)于傳統(tǒng)密碼鎖平安性能低及可靠性差等問題,立足于芯片中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的性,運(yùn)用EDA技術(shù)自頂向下的設(shè)計(jì)方法,提出了基于FPGA的四位電子密碼鎖的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法,所設(shè)計(jì)的四位電子密碼鎖具有解鎖、密碼修改、報(bào)警提示及液晶顯示功能。設(shè)計(jì)分析與仿真結(jié)果說明,基于FPGA所設(shè)計(jì)的四位電子密碼鎖性更高、靈活性更好,使得數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的整體可靠性增強(qiáng),為提高數(shù)據(jù)的性提供了新的解決方案。關(guān)鍵詞：密碼鎖;FPGA;性;EDA技術(shù);Design and Implementation of 4-Bit Electronic Cipher Lock Based on FPG

2、AWANG Guo-qiangLI Shang-fuWANG Fei*IE Li-liWANG QinSUN BaiSchool of Electronic Engineering,Heilongjiang University;Abstract：Traditional lock faces safety problem of low performance and poor reliability. Based on the data stored in the chip of confidentiality,and using EDA technology top-down design

3、approach,we proposed the design and implementation of a 4-bit FPGA-based electronic lock,which provides unlock,password change,alarm and LCD functions.Design analysis and simulation results show that the designed FPGA-based electronic lock provides better confidentiality,fle*ibility and reliability

4、for data storage.This approach provides a novel solution for improving data confidentiality.Keyword：Coded lock;FPGA;Confidentiality;EDA technology;0 引言隨著時(shí)代的開展,人們生活水平逐步提高,同時(shí)平安意識(shí)也日益增強(qiáng),如何實(shí)現(xiàn)家庭防盜這一問題就尤其突出。傳統(tǒng)的機(jī)械鎖由于其構(gòu)造簡(jiǎn)單,鎖芯直接外露,導(dǎo)致被撬的事情比比皆是。因此,隨著電子技術(shù)工業(yè)的開展,數(shù)字電子技術(shù)已經(jīng)深入到人們的日常生活中,層出不窮的電子產(chǎn)品也向著高端方向開展,電子密碼鎖也就應(yīng)運(yùn)而生,在

5、生活平安領(lǐng)域,具有防盜、報(bào)警功能的電子密碼鎖完全打破了機(jī)械密碼鎖的密碼量少和平安性差的缺點(diǎn)1。電子密碼鎖的復(fù)雜性,需要設(shè)計(jì)專門的電子電路和技術(shù),許多相關(guān)研究機(jī)構(gòu)和組織的科研人員進(jìn)展了大量研究。目前該領(lǐng)域的研究主要集中在如何使電子密碼鎖體積縮小、可靠性提高、本錢降低、續(xù)航能力增強(qiáng)以及應(yīng)用圍提升等方面,所以設(shè)計(jì)一款平安、可靠和廉價(jià)的電子鎖有著重大的意義2。1 電子密碼鎖的系統(tǒng)框圖本設(shè)計(jì)系統(tǒng)由主控芯片(FPGA)、顯示電路、報(bào)警電路和開/關(guān)門電路組成,而主控芯片又可分為按鍵處理局部、控制局部和譯碼顯示局部。系統(tǒng)原理圖如圖1所示。圖1 系統(tǒng)原理圖下載原圖2 設(shè)計(jì)原理及流程設(shè)計(jì)采用傳統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)方法

6、來設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件。基于FPGA電子密碼鎖3,將開鎖電路、執(zhí)行電路、報(bào)警電路4和鍵盤輸入次數(shù)鎖定電路等完整地集成在一個(gè)電路板;包括輸入電路模塊、密碼識(shí)別電路模塊、密碼錯(cuò)誤報(bào)警模塊和顯示模塊。通過鍵盤輸入密碼,用FPGA作為中控芯片,配以硬件的電路,接收代碼,跟存儲(chǔ)中的密碼進(jìn)展比對(duì),如果密碼正確則驅(qū)動(dòng)電磁執(zhí)行器進(jìn)展開鎖5,密碼不正確,允許再次輸入密碼,假設(shè)連續(xù)3次輸入錯(cuò)誤,則通過通信線路引導(dǎo)智能報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)展報(bào)警。其中,中控芯片又可分為按鍵處理局部、控制局部和譯碼顯示局部6,用電磁繼電器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械式密碼鎖,用數(shù)碼管顯示輸入的數(shù)字,由于采用的是可編程邏輯器件FPGA,使得系統(tǒng)有相當(dāng)大的靈活性,隨時(shí)

7、可以進(jìn)展硬件升級(jí)、擴(kuò)展。而且系統(tǒng)設(shè)計(jì)完善以后還可以將主控的FPGA固化成一片ASIC7-8,則這塊ASIC就可以作為專用的數(shù)字密碼鎖芯片。該電子密碼鎖通過各個(gè)模塊間的相互配合,利用密碼識(shí)別模塊檢驗(yàn)其準(zhǔn)確性,根據(jù)準(zhǔn)確性來激發(fā)報(bào)警模塊。最終將會(huì)顯示其是否成功,然后執(zhí)行解開鎖功能來完成既定的平安任務(wù)。3 四位電子密碼鎖的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)3.1 輸入電路模塊本密碼鎖采用四位二進(jìn)制編碼作為密碼進(jìn)展輸入,輸入電路模塊即借助DE2開發(fā)板這個(gè)平臺(tái),利用四個(gè)去抖按鍵鍵入密碼,一個(gè)撥動(dòng)開關(guān)作為復(fù)位鍵。由于按鍵上面沒有確切的數(shù)字,本設(shè)計(jì)通過程序設(shè)定:K0、K1、K2和K3分別對(duì)應(yīng)二進(jìn)制數(shù)字0、1。所以密碼共有2=16種組

8、合方式,相比照擬繁瑣,不易破解。輸入電路模塊作為人機(jī)交互的模塊,其作用就是傳遞人與機(jī)器間的信息,即通過對(duì)按鍵的識(shí)別進(jìn)展采集,并傳遞給中控芯片。3.2 密碼識(shí)別電路模塊密碼識(shí)別電路模塊是接收中控芯片傳遞給它的密碼信息進(jìn)展識(shí)別。首先通過對(duì)程序編程預(yù)置初始密碼,然后隨著中控芯片收到輸入電路模塊的密碼信息后9,發(fā)送命令給密碼識(shí)別電路模塊,讓與預(yù)置的初始密碼進(jìn)展比對(duì),不管正確與否,該模塊都會(huì)將比對(duì)后的信息反應(yīng)回中控芯片。3.3 密碼錯(cuò)誤報(bào)警模塊當(dāng)中控芯片收到密碼識(shí)別電路模塊反應(yīng)的信息后,判斷該密碼是否正確;如假設(shè)錯(cuò)誤,中控芯片則會(huì)發(fā)送信息給密碼錯(cuò)誤報(bào)警模塊,該模塊會(huì)觸發(fā)導(dǎo)致響鈴報(bào)警,并使報(bào)警燈LED D

9、0燈熄滅。3.4 顯示模塊顯示模塊包括字符液晶顯示屏和LED燈兩個(gè)局部。字符液晶顯示屏能清晰地顯示輸入的密碼,以防止由于失誤鍵入錯(cuò)誤密碼,而LED燈能直觀地表示出密碼輸入的正誤,二者相輔相成,使本設(shè)計(jì)更人性化,更加利于操作。3.5 各個(gè)模塊具體實(shí)現(xiàn)3.5.1 FPGA有限狀態(tài)機(jī)本設(shè)計(jì)是通過FPGA有限狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)8,設(shè)計(jì)有限狀態(tài)機(jī)最開場(chǎng)的工作時(shí)要確定電路,包括哪些狀態(tài),比方*個(gè)電路包括4個(gè)狀態(tài),S0、Sl、S2和S3。然后對(duì)所有狀態(tài)給出一個(gè)狀態(tài)編碼,比方為狀態(tài)S0賦予編碼00,為狀態(tài)Sl賦予編碼01,為狀態(tài)S2賦予編碼10,為狀態(tài)S3賦予編碼11。狀態(tài)編碼是狀態(tài)的標(biāo)識(shí),保存在存放器當(dāng)中,對(duì)于此

10、編碼形式,只需一個(gè)2位的存放器就可以了。如圖2所示,有限狀態(tài)機(jī)應(yīng)該包括以下狀態(tài):密碼為輸入前的等待狀態(tài)、輸入密碼時(shí)的等待狀態(tài)、輸入密碼正確時(shí)的通過狀態(tài)、輸入密碼錯(cuò)誤時(shí)的警報(bào)狀態(tài)。圖2 有限狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)下載原圖其中當(dāng)密碼輸入時(shí)又可包括以下狀態(tài):正常輸入狀態(tài)、異常輸入狀態(tài)(包括命令狀態(tài))。圖3(該圖是在程序編譯后,tools-Netiist_Vewers-RTL Vewer得到的)表示了密碼輸入時(shí)候的次狀態(tài)機(jī),表示了4個(gè)密碼輸入的順序狀態(tài),以及輸入完成后的等待確認(rèn)狀態(tài)。圖3 密碼輸入的次狀態(tài)機(jī)下載原圖3.5.2 密碼的輸入本次密碼鎖的密碼輸入采用FPGA芯片上的4位單個(gè)按鍵K0、K1、K2和K3,

11、在前面的輸入電路模塊中已提到:每個(gè)按鍵都有0和1兩種表現(xiàn)形式,通過程序,按下按鍵表示密碼1,沒有按鍵表示密碼0。假設(shè)要更改輸入的數(shù)字,可以按復(fù)位鍵,重新按鍵。密碼輸入4位按鍵后可以自動(dòng)檢驗(yàn)密碼的正誤。3.5.3 密碼的顯示密碼顯示采用數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描顯示9,初始時(shí)顯示4位密碼,當(dāng)輸入密碼后數(shù)碼管的第1位、第2位、第3位、第4位會(huì)依次顯示輸入的密碼,錯(cuò)誤后復(fù)位可以重新輸入。密碼顯示采用的是記錄密碼的存放器的數(shù)據(jù),顯示掃描的掃描時(shí)間設(shè)置為1ms左右,這樣顯示不會(huì)出現(xiàn)閃爍或者殘影10。3.5.4 電路的識(shí)別當(dāng)輸入密碼正確時(shí),中控芯片會(huì)進(jìn)展判斷識(shí)別,通過LED燈來顯示輸入的密碼正確與否。當(dāng)密碼輸入正確時(shí)

12、,LED D3燈亮。3.5.5 警報(bào)識(shí)別電路當(dāng)密碼輸入錯(cuò)誤時(shí),系統(tǒng)會(huì)進(jìn)展報(bào)警,使LED燈顯示為1110,即LED D0亮。并且反應(yīng)給中控芯片觸發(fā)報(bào)警模塊,當(dāng)警報(bào)過一段時(shí)間之后,系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入Waits狀態(tài),然后恢復(fù)初始狀態(tài)。3.5.6 密碼鎖控制電路密碼鎖的控制電路是實(shí)現(xiàn)鎖的功能11,當(dāng)密碼輸入正確后,輸入信號(hào)通過中控芯片向密碼鎖控制電路發(fā)出命令進(jìn)展解鎖。密碼鎖控制電路的主要局部便是電磁繼電器。這里的電磁繼電器就相當(dāng)于鎖,之前已提出當(dāng)信號(hào)正確便會(huì)通過中控芯片,密碼鎖控制電路實(shí)現(xiàn)既定功能。使用電子密碼鎖的時(shí)候,只會(huì)用到兩種工作模式12,一種是密碼輸入正確后自動(dòng)開鎖,另一種是密碼錯(cuò)誤向中控芯片反應(yīng)信息

13、并報(bào)警。4 仿真結(jié)果與性能分析本文設(shè)計(jì)對(duì)于密碼鎖模塊功能的仿真將采用Quarters軟件來實(shí)現(xiàn)。4.1 仿真流程在完成編寫、編譯VHDL程序后,則進(jìn)展仿真驗(yàn)證VHDL程序。仿真流程圖如圖4所示。圖4 仿真流程圖下載原圖4.2 密碼識(shí)別電路仿真當(dāng)密碼輸入1111正確之后,LED燈對(duì)應(yīng)數(shù)值變成0111,此時(shí)表示解鎖通過。同時(shí),在經(jīng)過一段時(shí)間之后,LED燈又變成了初始值0010,如圖5所示。圖5 密碼識(shí)別電路仿真結(jié)果下載原圖本設(shè)計(jì)全局時(shí)鐘設(shè)置為50 MHz、zero1、one1、yes、three1即為鍵入密碼的輸入信號(hào),復(fù)位鍵resetb一直處于高電平狀態(tài),即沒有復(fù)位、0、1、2、3作為輸出信號(hào)分

14、別對(duì)應(yīng)燈LED D0、LED D1、LED D2、LED D3,高電平時(shí)LED燈滅,低電平LED燈亮。當(dāng)輸入信號(hào)都為高電平時(shí),即輸入密碼為1111,輸出信號(hào)3為低電平,即LED D3燈亮。4.3 警報(bào)識(shí)別電路仿真當(dāng)密碼輸入1110錯(cuò)誤之后,LED燈變成1110,此時(shí)表示報(bào)警。同時(shí),在經(jīng)過一段時(shí)間之后,LED燈又變成了初始值0010。如圖6所示。圖6 警報(bào)識(shí)別電路仿真結(jié)果下載原圖5 完畢語數(shù)據(jù)平安是衡量系統(tǒng)性的重要指標(biāo),因此,對(duì)于密碼鎖的研究十分重要。本文基于ALTERA公司的DE2開發(fā)板,所有算法完全由硬件電路來實(shí)現(xiàn),使得系統(tǒng)的工作可靠性大為提高;同時(shí)由于FPGA具有在系統(tǒng)可編程功能,當(dāng)設(shè)計(jì)需

15、要更改時(shí),只需更改FPGA中的控制和接口電路,利用EDA工具將更新后的設(shè)計(jì)下載到FPGA中即可,無需更改外部電路的設(shè)計(jì),大大提高了設(shè)計(jì)的效率,充分發(fā)揮了該芯片的作用。該密碼鎖采用四位按鍵輸入密碼,操作簡(jiǎn)單。并且借助FPGA這個(gè)工作平臺(tái),將密碼輸入模塊、密碼識(shí)別模塊、錯(cuò)誤報(bào)警模塊和顯示模塊有機(jī)地結(jié)合在一起,使之構(gòu)成一個(gè)完善的系統(tǒng),完成了數(shù)字電子密碼鎖的密碼錄入、密碼識(shí)別功能,并通過LED燈的顯示能清晰地判斷輸入密碼是否正確。研究及仿真結(jié)果說明,四位密碼鎖平安性更高,可靠性更強(qiáng)。未來的研究將進(jìn)一步總結(jié)各種平安技術(shù)的特點(diǎn),為后續(xù)設(shè)計(jì)平安系數(shù)更高的密碼鎖提供新的思路。參考文獻(xiàn)1瀟婷.基于FPGA的紅外

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