基于多種通信方式的密碼鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)——前幾章

1、基于多種通信方式的密碼鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)伴隨著短距離無線通信技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展,無線電子密碼鎖成為人們保護(hù)私有財(cái)產(chǎn)的新寵。越來越多的車輛防盜系統(tǒng)、安防門禁等系統(tǒng)采用安全便捷的無線遙控電子密碼鎖?；跓o線通信技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)技術(shù),本課題設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款安全性能良好的無線密碼鎖。首先,本課題探討了嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般原則,以及常見的短距離無線通信技術(shù)。隨后,分析了無線密碼鎖的兩種方案主動(dòng)式開鎖系統(tǒng)和被動(dòng)式開鎖系統(tǒng),并選取主動(dòng)式開鎖系統(tǒng)作為系統(tǒng)方案。同時(shí),本論文討論了總體方案中的功能設(shè)計(jì)以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。其次,本論文設(shè)計(jì)了系統(tǒng)硬件電路。系統(tǒng)電路分為鑰匙電路和鎖體電路。鑰匙是發(fā)送端,而鎖是接收端。鑰匙主體

2、電路由低功耗的單片機(jī)和射頻發(fā)射芯片組成。鎖體電路主要由單片機(jī)和射頻接收芯片組成。最后,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)軟件。系統(tǒng)軟件是基于微控制器編寫的通信程序。軟件的核心是鑒權(quán)算法,它要抵抗各種常見攻擊。這里采用先進(jìn)的跳碼技術(shù),可有效防范常見的“拷貝重發(fā)”和“掃描式”等入侵方式。跳碼算法多用專用集成電路芯片硬件實(shí)現(xiàn),這需要付出高昂的專利使用費(fèi)。本課題在開源代碼的基礎(chǔ)上用軟件實(shí)現(xiàn)跳碼算法,避免了專利使用費(fèi),同時(shí)對(duì)開源代碼進(jìn)行移植和優(yōu)化,使該算法更加易于集成到各種安全系統(tǒng)中。1 緒論1.1電子鎖的結(jié)構(gòu)什么是電子鎖,即以電子線路作為中樞控制機(jī)構(gòu),以電磁鐵或微型電機(jī)驅(qū)動(dòng)的鎖體作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的機(jī)電一體化安全裝置。電子鎖

3、的一般結(jié)構(gòu)如圖1-1所示：圖1-1 電子鎖的一般結(jié)構(gòu)電子鎖系統(tǒng)由電路控制部分和機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩部分構(gòu)成。下而簡要介紹各部分功能：（1）輸入：輸入的方式根據(jù)電子鎖的具體結(jié)構(gòu)有所不同,有和鎖體結(jié)合在一起的小鍵盤,也有鎖和鑰匙分離的電子鑰匙如磁卡,遙控鑰匙等。（2）解碼器：為保證數(shù)據(jù)的保密性,輸入的數(shù)據(jù)常常為加密后的密文,因此常需要對(duì)輸入進(jìn)行解碼。（3）抗干擾電路：為了抑制外界干擾,防止電子鎖自行誤動(dòng)作設(shè)置的,從而提高了電子鎖的可靠性和安全性。（4）顯示和報(bào)警：用于顯示鑒權(quán)結(jié)果、執(zhí)行情沉和報(bào)警,是電子鎖的功能擴(kuò)展。（5）固態(tài)存儲(chǔ)單元：固態(tài)存儲(chǔ)單元是非揮發(fā)性的存儲(chǔ)器等,它存儲(chǔ)著系統(tǒng)重要的參數(shù),多為鑒權(quán)所

4、需重要信息,如密碼,用戶信息等。（6）驅(qū)動(dòng)電路：驅(qū)動(dòng)電路是控制電路與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的接口電路。因?yàn)閳?zhí)行機(jī)構(gòu)多由電磁鐵或馬達(dá)作為動(dòng)力源,所以控制電路要提供合適的信號(hào)控制電磁鐵或馬達(dá)。（7）鑒權(quán)：鑒權(quán)模塊根據(jù)鑒權(quán)算法判斷輸入是否合法,并做出一系列的動(dòng)作,如顯示、報(bào)警、驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。（8）電源：電源模塊對(duì)電路控制部分和機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)均不可或缺,理想的電源是電子鎖持續(xù)正常工作的基礎(chǔ)。1.2電子鎖的發(fā)展現(xiàn)狀與前景鎖從遙遠(yuǎn)的古代走來,在電氣時(shí)代來臨前,各種機(jī)械式鎖具成為人們保護(hù)財(cái)產(chǎn),防范入侵的重要助手。在機(jī)械鎖方面,瑞士人走在了世界前列。瑞士人制作的機(jī)械鎖憑其精密的機(jī)械結(jié)構(gòu)和牢不可破的安全性能,讓世界嘆為觀止。在

5、電氣化的時(shí)代,人們采用電氣組件來一設(shè)計(jì)電鎖。電鎖由組合開關(guān)、繼電器、電磁鐵和鎖體組成,往往供以市電。伴隨著電子技術(shù)的出現(xiàn)和飛速發(fā)展,電子鎖也與時(shí)俱進(jìn),往往采用當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的電子技術(shù)和電子兀器件,功能也越來越豐富。最早人們采用分立元件電容、電阻、齊種有源器件、二幾簧管、繼電器等，后來采用小規(guī)模集成電路與門、或門、非門、觸發(fā)器等而后采川中等規(guī)模集成電路計(jì)數(shù)器、移位寄存器、比較器、數(shù)據(jù)選擇器、電路等再后來大規(guī)模集成電路出現(xiàn)了,人們開始使用編譯碼器等，近二片年來,隨著超大規(guī)模集成電路的應(yīng)用,尤其是以一為代表的單片機(jī)的出現(xiàn),使電子鎖的功能趨于復(fù)雜化最近,集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展,催生了各種應(yīng)用于某個(gè)專業(yè)領(lǐng)域

6、的專用集成電路。同時(shí)出現(xiàn)了“片上系統(tǒng)”芯片,電子鎖領(lǐng)域的芯片主要有公司的系列,公司的系列等。2 總體方案的設(shè)計(jì)2.1嵌入式系統(tǒng)簡介以往我們按照計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)、運(yùn)算速度、結(jié)構(gòu)規(guī)模、適用領(lǐng)域,將其分為大型計(jì)算機(jī)、中型機(jī)、小型機(jī)和微型計(jì)算機(jī),并以此來組織學(xué)科和產(chǎn)業(yè)分工,這種分類沿襲了半個(gè)世紀(jì)。近年來,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展,以及計(jì)算機(jī)技術(shù)和產(chǎn)品對(duì)其它行業(yè)的廣泛滲透,使得以應(yīng)用為中心的分類方法變得更為切合實(shí)際。具體的說,就是按計(jì)算機(jī)的嵌入式應(yīng)用和非嵌入式應(yīng)用將其分為嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)是伴隨著超大規(guī)模集成電路的高速發(fā)展而出現(xiàn)的。在當(dāng)前數(shù)字信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)高速發(fā)展的后一時(shí)代

7、,嵌入式系統(tǒng)己經(jīng)廣泛地滲透到科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及人們的日常生活等方方面面中。嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用數(shù)量已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過通用臺(tái)式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。制造工業(yè)、過程控制、通訊、儀器儀表、汽車、船舶、航空航天、軍事裝備、消費(fèi)類電子產(chǎn)品等均是嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域。2.2基于單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)概要單片機(jī)又稱單片微控制器,它將中央處理器、存儲(chǔ)器、和等、及各種輸入輸出接口定時(shí)計(jì)數(shù)器、等串行接日、轉(zhuǎn)換部件等集成到一個(gè)微小的芯片內(nèi)。單片機(jī)可謂“麻雀雖小,五臟俱全”,它實(shí)際上將普通微機(jī)系統(tǒng)的主要功能部件集成到了單一芯片內(nèi)。單片機(jī)的出現(xiàn)和發(fā)展與Intel公司密不可分,1971年推出了位單片一機(jī)4001,1972年推出了8位單片

8、機(jī)8008,1976年推出ncs-48單片機(jī),特別是mcs-51單片機(jī)的出現(xiàn),翻開了單片機(jī)發(fā)展的新篇章。直到現(xiàn)在,mcs-51系列單片機(jī)仍然占據(jù)著較大的市場(chǎng)份額。在這以后,單片機(jī)進(jìn)入了一個(gè)高速發(fā)展期,每三四年集成度增加一倍、功能翻一番,總線寬度從8位、到16位、再到32位,各種體系結(jié)構(gòu)也相繼涌現(xiàn)，如zillion公司的z8單片機(jī),各種mcs-51兼容單片機(jī),microchip公司系列plc單片機(jī),系列單片機(jī),oatmeal公司系列單片機(jī)。2.3無線密碼鎖的功能的設(shè)計(jì)本課題設(shè)計(jì)的密碼鎖擬使用于汽車門禁系統(tǒng),摩托車電動(dòng)車防盜安全系統(tǒng),保險(xiǎn)柜安全系統(tǒng)等,已將主要具有以下功能：（1）開鎖。采用主動(dòng)開鎖

9、,或者被動(dòng)開鎖。（2）關(guān)鎖。用戶可選擇手動(dòng)關(guān)鎖,也可選擇自動(dòng)關(guān)鎖。（3）添加鑰匙/用戶。每個(gè)鎖要容納一定數(shù)量的鑰匙,支持多用戶使用。（4）刪除鑰匙用戶。對(duì)于確認(rèn)丟失的鑰匙,系統(tǒng)應(yīng)將其刪除或注銷,以防不法人員利用該鑰匙實(shí)施入侵。（5）報(bào)警提示功能。當(dāng)系統(tǒng)判別出非法入侵,或系統(tǒng)處于其他非安全狀態(tài)時(shí),系統(tǒng)會(huì)發(fā)出清晰而響亮的報(bào)警警示音,以報(bào)告用戶和干擾入侵者。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入安全狀態(tài)時(shí),也要報(bào)告用戶使其放心。3 總結(jié)與展望基于無線通信技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)技術(shù),本課題設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款安全性能好的無線密碼鎖。無線密碼鎖通常采用兩種方案主動(dòng)式開鎖系統(tǒng)和被動(dòng)式開鎖系統(tǒng),這里我們選用了主動(dòng)式開鎖系統(tǒng)作為系統(tǒng)方案。在討論了

10、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般原則和無線通信技術(shù)的有關(guān)知識(shí)后,淪文給出了系統(tǒng)硬件電路和軟件的設(shè)計(jì)。鑰匙主體電路由低功耗的單片機(jī)，atmega48p和射頻發(fā)射芯片mc33594組成,兩者之間通過普通i/o通信。鎖主要由單片機(jī)atmega8l和射頻接收芯片mc33594組成,兩者之間通過Cpl接口交換數(shù)據(jù)。論文闡述了電路的工作原理。軟件系統(tǒng)是基于單片機(jī)的嵌入式程序。軟件系統(tǒng)本質(zhì)上是一個(gè)通信協(xié)議,文中給出了協(xié)議的幀格式等規(guī)范。軟件的核心是鑒權(quán)算法,即怎樣保證系統(tǒng)的安全,特別是應(yīng)對(duì)常見的攻擊如“拷貝重發(fā)”和“掃描攻擊”等。本設(shè)計(jì)采用KEELOQ跳碼算法,并采用軟件實(shí)現(xiàn),而不是采用具有專利的專用集成電路。用軟件實(shí)

11、現(xiàn)的跳碼算法易于集成到各種門禁系統(tǒng)中,具有很大的靈活性。致謝這次畢業(yè)設(shè)計(jì)是在老師的辛勤指導(dǎo)下完成的。老師對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)非常認(rèn)真，經(jīng)常給我們幫助，而且他的指導(dǎo)非常具有特色，鼓勵(lì)學(xué)生自己想方案，解決困難，開放性非常強(qiáng)，這對(duì)于我以后工作的思維和能動(dòng)性的提高幫助非常大。在最后定稿的一周內(nèi)，同學(xué)一直在我旁邊指導(dǎo)我，碰到不懂得地方就一直在我旁邊幫助我，特別感謝她，為我解決了最后的問題。在此要感謝我的指導(dǎo)老師對(duì)我論文的指導(dǎo)，感謝老師給予我的幫助。在做畢業(yè)設(shè)計(jì)的時(shí)候我也有很多不懂的地方，我也咨詢了很多相關(guān)的資料，并且和同學(xué)一起交流。老師給了我寶貴的意見，非常的感謝指導(dǎo)老師讓我學(xué)到了很多的只是，培養(yǎng)了自己動(dòng)手操作的能力，讓自己做好了提前進(jìn)入社會(huì)工作的準(zhǔn)備。以后不論是工作還是學(xué)習(xí)，都要不斷地學(xué)習(xí)不斷地提升自己的綜合能力。參考文獻(xiàn)1田春亮最新跳碼編碼芯片原理和應(yīng)用國外電子元器件2005年第9期2馬忠梅,馬廣云等嵌入式處理器結(jié)構(gòu)與應(yīng)用編程,