基于FPGA的電子密碼鎖設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周慶芳

【摘 要】電子密碼鎖是一種通過密碼輸入來控制電路或是芯片工作，從而控制機(jī)械開關(guān)的閉合，完成開鎖、閉鎖任務(wù)的電子產(chǎn)品。本文主要闡述了一種基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA器件的電子密碼鎖的設(shè)計(jì)方法，用FPGA器件構(gòu)造系統(tǒng)，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。

【關(guān)鍵詞】FPGA 電子密碼鎖 原理 設(shè)計(jì)

一、電子密碼鎖的產(chǎn)生

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在安全技術(shù)防范領(lǐng)域，具有防盜報(bào)警功能的電子密碼鎖逐漸興起，技術(shù)上正日趨成熟，功能也越來越大。電子密碼鎖是一種通過密碼輸入來控制電路或是芯片工作，從而控制機(jī)械開關(guān)的閉合，完成開鎖、閉鎖任務(wù)的電子產(chǎn)品[1]。現(xiàn)在應(yīng)用較廣的電子密碼鎖是以芯片為核心，通過編程來實(shí)現(xiàn)的。其性能和安全性已大大超過了機(jī)械鎖[2][3]，特點(diǎn)如下：①保密性好，編碼量多，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于彈子鎖，隨機(jī)開鎖成功率幾乎為零；②密碼可變，用戶可以經(jīng)常更改密碼，防止密碼被盜，同時(shí)也可以避免因人員的更替而使鎖的密級(jí)下降；③誤碼輸入保護(hù)。

二、基于FPGA的電子密碼鎖的原理

（一）FPGA的工作原理

FPGA采用了邏輯單元陣列LCA（Logic Cell Array）這樣一個(gè)新概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊CLB（Configurable Logic Block）、輸出輸入模塊IOB（Input Output Block）和內(nèi)部連線（Interconnect）三個(gè)部分。FPGA的基本特點(diǎn)主要有：①采用FPGA設(shè)計(jì)ASIC電路，用戶容易得到合用的芯片；②FPGA可做其他全定制或半定制ASIC電路的中試樣片；③FPGA內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和I/O引腳；④FPGA是ASIC電路中設(shè)計(jì)周期最短、開發(fā)費(fèi)用最低、風(fēng)險(xiǎn)最小的器件之一。

（二）QuartusⅡ開發(fā)設(shè)計(jì)平臺(tái)

本設(shè)計(jì)使用Altera公司的QuartusⅡ軟件開發(fā)平臺(tái)。QuartusⅡ軟件平臺(tái)能滿足各種特定設(shè)計(jì)的需要，是FPGA/CPLD開發(fā)集成環(huán)境，也是單芯片可編程系統(tǒng)（SOPC）設(shè)計(jì)的綜合性環(huán)境。

三、基于FPGA的電子密碼鎖的設(shè)計(jì)

（一）電子密碼鎖的設(shè)計(jì)要求

電子密碼鎖的設(shè)計(jì)要求：①需具有密碼鎖輸入功能；②設(shè)置復(fù)位按鍵，以便重新輸入新的密碼；③在密碼管上顯示輸入次數(shù)；④拒絕接受超過規(guī)定次數(shù)的密碼輸入信號(hào)；⑤當(dāng)輸入密碼正確時(shí)，在數(shù)碼管上顯示字符H，當(dāng)輸入密碼不正確時(shí)，在數(shù)碼管上顯示字符E。

（二）電子密碼鎖的方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)電子密碼鎖采用VDHL語言輸入的方式實(shí)現(xiàn)[4]，通常，開發(fā)實(shí)驗(yàn)板上有10個(gè)按鍵K1～K10，其中K1～K9作為密碼輸入按鍵，K10作為復(fù)位按鍵，以便重新開始輸入新的密碼。

電子密碼鎖采用狀態(tài)機(jī)和對(duì)按鍵輸入次數(shù)計(jì)數(shù)相結(jié)合的方法，保證只有輸入正確的密碼，狀態(tài)機(jī)才能轉(zhuǎn)換到最后正確的狀態(tài)，顯示開鎖字符。程序由6個(gè)進(jìn)程組成：進(jìn)程P1和P2將8Hz標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)分頻后，產(chǎn)生0.5s的脈沖信號(hào)（carry），與按鍵輸入信號(hào)配合，消除按鍵輸入的抖動(dòng)，并作為狀態(tài)轉(zhuǎn)換進(jìn)程P4的時(shí)鐘輸入信號(hào)；進(jìn)程P3瑣存按鍵輸入信號(hào)，為狀態(tài)機(jī)提供一個(gè)穩(wěn)定的按鍵輸入信號(hào)；進(jìn)程P4將下一個(gè)狀態(tài)（next_state）轉(zhuǎn)換為當(dāng)前狀態(tài)（state），進(jìn)程P5產(chǎn)生次態(tài)信號(hào)（next_state），只有當(dāng)有按鍵輸入和狀態(tài)轉(zhuǎn)移控制信號(hào)en為邏輯“1”時(shí)才能產(chǎn)生次態(tài)信號(hào)，進(jìn)程P4和P5是電子密碼鎖的核心，密碼的設(shè)置也是編寫狀態(tài)機(jī)時(shí)確定的；進(jìn)程P6對(duì)按鍵輸入次數(shù)計(jì)數(shù)，并且為顯示按鍵輸入次數(shù)的七段譯碼器BCD碼數(shù)據(jù)。進(jìn)程判斷按鍵輸入次數(shù)是否已輸入了3次：如果輸入密碼的次數(shù)小于等于3，則狀態(tài)轉(zhuǎn)移控制信號(hào)en為邏輯“1”；如果輸入密碼的次數(shù)大于3，則狀態(tài)轉(zhuǎn)移控制信號(hào)en為邏輯“0”，當(dāng)仍有密碼輸入時(shí)，禁止?fàn)顟B(tài)發(fā)生變化。

四、電子密碼鎖的時(shí)序仿真驗(yàn)證

電路設(shè)計(jì)完成后，需要進(jìn)行功能仿真和時(shí)序仿真，驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果是否滿足設(shè)計(jì)要求。時(shí)序仿真在文件綜合后，由FPGA適配器映射于具體的芯片，得到文件進(jìn)行仿真，與器件具體特性有關(guān)，包含了器件和布線的延時(shí)信息，按要求運(yùn)行仿真器并輸入相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。

五、總結(jié)

用FPGA器件構(gòu)造電子密碼鎖的設(shè)計(jì)方法，所有算法完全由硬件電路來實(shí)現(xiàn)，并且由于FPGA具有現(xiàn)場(chǎng)可編程功能，當(dāng)設(shè)計(jì)需要更改時(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，無須更改外部電路的設(shè)計(jì)，大大提高了設(shè)計(jì)的效率。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王衛(wèi)兵，劉克剛，朱秋萍.用FPGA的電子密碼鎖[J].電子技術(shù)，2005，32（01）：26-28.

[2]許琦.基于FPGA的電子密碼鎖的設(shè)計(jì)[J].科技信息（學(xué)術(shù)版），2006（10）：10-11.

[3]李連華.基于FPGA的電子密碼鎖設(shè)計(jì)[J].中國科技信息，2006（01）：63.

[4]劉鈺，張有志.一種用VHDL語言設(shè)計(jì)的數(shù)字密碼鎖[J].信息技術(shù)與信息化，2004（04）：37-40.