新型超低功耗電子密碼鎖設計

王麗君，李 萌

（1.南華大學 電氣工程學院，湖南 衡陽421001；2.南華大學 計算機科學與技術學院，湖南 衡陽421001）

新型超低功耗電子密碼鎖設計

王麗君1，李 萌2

（1.南華大學 電氣工程學院，湖南 衡陽421001；2.南華大學 計算機科學與技術學院，湖南 衡陽421001）

文中介紹了一種新型的超低功耗電子密碼鎖設計方案。該密碼鎖能實現密碼開鎖、自動落鎖、修改密碼、異常情況報警及門鈴等功能。鎖體主要采用ALTER公司的EP3C40Q240C8芯片來完成密碼識別和開鎖控制、密碼的存儲和修改等。整個系統操作簡單，安全可靠，功耗極低，有很強的實用性和通用性。

電子密碼鎖；報警；門鈴；自動落鎖；功耗

安全防盜一直是社會關注的話題，如何制作安全可靠、使用方便的各種防盜鎖，是全社會迫切需要解決的問題。傳統的機械彈子鎖由于結構上的局限，容易被仿制，保密性差，且需要隨身攜帶。而機械密碼鎖密碼量少、安全性能差，制造精度要求較高，且容易出現故障，已難以滿足當前家庭防盜要求[1]。

電子密碼鎖是一種通過密碼輸入來控制芯片工作，進而控制機械開關的閉合，完成開鎖閉鎖任務的電子產品[2]。它以電子方式識別、處理相關信息并控制執行機構[3]，相比傳統的機械鎖具，保密性、便捷性、精度都有很大提高，且具有防盜報警功能[4]，因而人們對電子密碼鎖愈加青睞。目前，電子密碼鎖的使用非常廣泛，可用于不需要集中處理的獨立用戶，如私人住宅、車庫、保險柜及允許多人進入的小型辦公樓等[5]。文中設計了一種具有密碼開鎖、自動落鎖、改密、異常情況報警及門鈴等功能特點的智能電子密碼鎖。它采用片內資源豐富的“現場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array FPGA）”EP3C40Q240C8 完成核心控制功能，結合適當的外圍電路，通過編程來實現。由于FPGA的掉電易失性，實際應用時要配一片配置芯片[6]。該電子密碼鎖具有以下功能特點：1）有極低的隨機破碼率，能隨時修改密碼，保密性好；2）兩種方式開鎖，操作簡單，使用方便；3）按鍵輸入聲音提示；4）誤碼輸入保護，3次輸入錯碼報警；5）通用性強，可根據需要，安裝在不同的設備上；6）多功能防塵罩設計，使系統功耗極低[7]。

1 實現流程

電子密碼鎖實現流程圖如圖1所示。

由圖1可知，該電子密碼鎖的主要流程有兩個：室外密碼開鎖及非法開啟報警；室內修改密碼。

室外開鎖時，用戶通過按鍵輸入4位密碼，按下“確認”鍵后，FPGA將輸入密碼與設定密碼進行比對，密碼正確則開鎖，關門后可自動落鎖。若密碼連續3次輸入錯誤，則啟動現場報警，由蜂鳴器發聲實現[8]。修改密碼鍵設在室內，能有效防止外人非法開啟。

設計中巧妙地加裝了一個三重作用的防塵罩。在電子密碼鎖的電源回路中，接了一個常開按鈕開關，平時斷開，電子密碼鎖處于休眠狀態，這就大大降低了全系統的功耗。當防塵罩掀起時，轉接口剛好按壓在開關上，開關閉合，接通電源回路，系統被喚醒，轉為工作狀態，電子鎖也開始工作[9]。除了防塵，該裝置還可在輸入密碼時起到遮擋防偷窺作用。防塵罩設計如圖2所示。室內采用轉動門把手機械開鎖，這樣可以不必耗電，故電子密碼鎖平時無需處于待機模式，功耗極低，這是該設計的最大優勢所在。

圖1 電子密碼鎖流程圖

圖2 防塵罩設計及電磁鎖控制示意圖

2 硬件設計

系統硬件設計原理結構如圖3所示。本系統以FPGA為控制核心，加以合適的外圍器件共同組成。FPGA體積小，容量大，功能強，內部資源豐富，最大的優勢就是能夠通過軟件編程的方式實現硬件系統[10]。該設計的控制電路部分均在FPGA中編程實現，因此，整個硬件系統的設計都變得相對簡單。FPGA控制系統電路圖如圖4所示。

圖3 系統硬件設計原理結構圖

圖4 FPGA控制系統電路圖

2.1 上電自動復位模塊

當掀開防塵罩后，接通電源，系統被喚醒并自動復位。復位信號持續0.125s，可以避免因電源閉合過程引起抖動而影響復位[11]。因復位有效信號足夠短，并不會影響人對電子鎖的正常操作。

2.2 鍵盤接口與編碼

密碼采用串行輸入方式，這樣只需4位密碼（可重復）就有10的4次方（1萬次）種不同組合，可以杜絕非授權用戶通過非法試探的方式試圖解鎖，破碼率幾乎為0。功能鍵有5個，“確認”鍵用于密碼輸入及修改后確認，“改密”鍵用于修改密碼，“清除”鍵用于清除錯誤輸入，“復位”鍵用于系統復位，另加一個“門鈴”鍵。

圖4的keyin模塊中，key[9..0]為0～9數字鍵，用于密碼的輸入和修改。時鐘clk0的頻率為8 Hz。外部12 M石英晶體振蕩產生的信號，經處理后得到12 MHz的方波，通過FPGA內部鎖相環分頻得到穩定的頻率為4 kHz的信號，再經分頻器分頻后得到脈寬足夠寬的8 Hz的方波作為時鐘clk0[12]。在clk0的驅動下，每輸入一位密碼，將其轉換成相應的四位二進制從out0[3..0]輸出送至寄存器模塊reg1或reg2。如輸入在按鍵“3”上，key[9..0]為“0000001000”，編碼后為“0011”。一次編碼后必須等到按鍵全部釋放，即key[9..0]為全0后，clk0才會檢測下一個按鍵輸入，這樣可以避免同一個按鍵被多次采集。clr為“清除”鍵，輸入有錯誤時，每按一次清除一位。reset為“復位”鍵，上電后或按下有效，持續1個時鐘周期約0.125秒。

2.3 密碼輸入寄存器

reg1用于存儲閉室外密碼輸入。modify為 “改密”鍵，按下為高電平有效。當它為低電平時，為正常輸入密碼狀態，由clk0驅動，按下enter（確認）鍵后，將輸入的4個四位邏輯矢量通過右移方式依次存入out1[15..0][13]。

reg2用于存儲室內更改的密碼輸入。當modify按下，可以修改密碼。連續兩次輸入相同的密碼，按下“確認”鍵后，將更改后的密碼存入out2[15..0]。因為“改密”鍵設在室內，可在按鍵后直接改密，而無需輸入舊密碼。

時鐘clk1和clk2的有效性跟clk0保持一致，所以寄存器在有按鍵輸入時右移一次，在按鍵全被彈起后，再次有按鍵輸入時才會繼續右移。

2.4 密碼比較與聲音控制模塊

master模塊主要完成輸入密碼比較和聲音控制功能。當按下“確認”鍵，enter為高電平時，將輸入的密碼out1與設定密碼out2進行比較，若密碼完全正確，ope引腳輸出高電平，開鎖。高電平持續10秒，同時green為高電平，點亮綠燈。若密碼不正確，可重新輸入密碼，同時錯碼計數器加1。當錯碼計數器為3時，red為高電平，點亮紅燈，同時buzz為高電平，啟動報警模塊[14]。

master模塊同時也實現報警電路、門鈴和按鍵的聲音輸出控制。keyin模塊只要有鍵按下，h0輸出高電平，與reg2模塊的modify按鍵通過二輸入或門相或后送至master模塊的h1端口。端口h1和enter任何一個為高電平，都會給buzz一個高電平，所以只要有鍵按下，蜂鳴器就會在高電平持續時間發出“滴”的聲音，提示按鍵有效，既巧妙地提醒了用戶，又保護了用戶密碼。當密碼連續三次輸入錯誤，buzz的高電平持續10秒，驅動蜂鳴器報警，10秒后復位。當bell（門鈴鍵）按下為高電平時，高電平以1秒間隔交替在buzz與buzz1上輸出。buzz與buzz1分別外接了三極管進行電流放大后，驅動兩個發聲頻率不同的壓電式蜂鳴器，所以可以發出兩種不同的聲音作為門鈴使用。

2.5 執行模塊

電磁鎖主要由三極管和繼電器構成，其控制示意圖見圖2。繼電器在電路中起著安全保護、轉換電路等作用。繼電器的線圈一端接直流電源，另一端接在三極管的集電極。電磁鎖鐵心固定在一端，銜鐵由彈簧固定在鐵心上方。三極管的基極接至FPGA的OPEN端。當FPGA輸出的OPEN為高電平時，三極管導通，繼電器線圈上有電流，產生吸合力，克服彈簧阻力吸合銜鐵，電子鎖開鎖。當OPEN為低電平時，三極管截止，繼電器線圈上無電流，銜鐵在彈簧力作用下釋放，回復到初始位置，實現電流消失自動落鎖功能。由于電路只在開鎖時才耗電，整個系統的功耗非常低[15]。

2.6 電源管理模塊

電子鎖最大的一個問題就是斷電，造成密碼鎖電路失效，打不開電子鎖。本設計采用兩套供電裝置，可以很好的解決這個問題。電池盒安裝在室內，平時采用干電池供電。在室外也外接了電子鎖的供電電源孔，可以接入電池盒（帶插頭）或移動電源作為應急電源，保證電子鎖的正常工作。

3 結論

該系統結構簡單、功耗低、體積小，實現了電子密碼鎖的基本功能，比較其它各類鎖具，具有自動落鎖、防塵節電兩大明顯優勢，在使用的方便性、防非法開啟、智能管理等方面是機械鎖無法比擬的，可用于多種場合，具有良好的可移植性和可靠性，市場前景廣闊。但由于電子密碼鎖機電一體化的結構特點，一旦出現故障，一般的開鎖人員不具備維修能力，故而維護時效性較差，可采用電子開鎖和機械應急開鎖相結合的結構設計彌補此缺陷。另外可加裝震動報警裝置，防止暴力開啟門鎖；加裝室內遙控開鎖、錯碼遠程報警等功能。

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A new design of ultra-low power consumption electronic combination lock

WANG Li-jun1，LI Meng2
（1.School of Electric Engineering，University of South China，Hengyang 421001，China；2.School of Computer Science and Technology，University of South China，Hengyang 421001，China）

Introduce a new design of ultra-low power consumption electronic combination lock.It has functions of password unlocking， automatic locking， password modifying， abnormity warning and doorbell.With chip EP3C40Q240C8 produced by ALTER Corporation，it can realize password identifying， unlock control， password saving and modifying， etc.The whole system is simple operation，safe and reliable，low-power dissipation.It has very good practicability and universality.

electronic combination lock；alarm；doorbell；automatic lock up；power consumption

TN4

：A

：1674－6236（2017）15-0145-03

2016-07-05稿件編號：201607031

王麗君（1979—），女，湖南邵陽人，碩士，講師。研究方向：電子信息工程。