基于FPGA的電子密碼鎖的設計說明

1、 隨著社會物質(zhì)財富的日益增長，安全防盜已成為人們所關(guān)注的焦點。然而傳統(tǒng)機械彈子鎖安全性低，密碼量少且需時刻攜帶鑰匙使其無法滿足一些特定場合的應用要求，特別是在人員經(jīng)常變動的公共場所，目前使用的電子密碼鎖主要有兩個方案：一是基于單片機用分立元件實現(xiàn)的，二是通過現(xiàn)代人體生物特征識別技術(shù)實現(xiàn)的，前者電路較復雜且靈活性差，無法滿足應用要求；后者有其先進性但需考慮成本和安全性等諸多因素?；诖?，本文設計了一種新型電子密碼鎖，采用FPGA芯片，目前以硬件描述語言（Verilog 或 VHDL）所完成的電路設計，可以經(jīng)過簡單的綜合與布局，快速的燒錄至 FPGA 上進行測試，是現(xiàn)代 IC 設計驗證的技術(shù)主流。

2、這些可編輯元件可以被用來實現(xiàn)一些基本的邏輯門電路（比如AND、OR、XOR、NOT）或者更復雜一些的組合功能比如解碼器或數(shù)學方程式。在大多數(shù)的FPGA里面，這些可編輯的元件里也包含記憶元件例如觸發(fā)器（Flipflop）或者其他更加完整的記憶塊。FPGA一般來說比ASIC（專用集成芯片）的速度要慢，無法完成復雜的設計，而且消耗更多的電能。但是他們也有很多的優(yōu)點比如可以快速成品，可以被修改來改正程序中的錯誤和更便宜的造價。廠商也可能會提供便宜的但是編輯能力差的FPGA。因為這些芯片有比較差的可編輯能力，所以這些設計的開發(fā)是在普通的FPGA上完成的，然后將設計轉(zhuǎn)移到一個類似于ASIC的芯片上。另外一

3、種方法是用CPLD（復雜可編程邏輯器件備）。1 系統(tǒng)功能描述本設計主要實現(xiàn)以下六個功能：（1）初始密碼設置：系統(tǒng)上電后輸入4位數(shù)字并按“*”后密碼設置成功系統(tǒng)進入上鎖狀態(tài)。為了實際需要，系統(tǒng)另設置了一個4位數(shù)的優(yōu)先級密碼，當用戶忘記密碼或被他人更改密碼后，可以用優(yōu)先級密碼清除所設密碼。（2）密碼更改：為了密碼安全與避免誤操作，只能在開鎖狀態(tài)下先輸入舊密碼后才能更改系統(tǒng)密碼，然后輸入4位新密碼后按“*”。（3）解鎖：輸入密碼或優(yōu)先級密碼后按“#”，系統(tǒng)即解鎖。（4）密碼保護：密碼輸入錯誤時，系統(tǒng)自動記錄一次錯誤輸入，當錯誤輸入次數(shù)等于3次時，系統(tǒng)報警并使鍵盤失效5分鐘，以免密碼被盜。（5）清除輸

4、入錯誤：當輸入數(shù)位小于4位時可以按“*”清除前面所有的輸入值，清除為“0000”。（6）系統(tǒng)復位：按“*”和“#”后系統(tǒng)即復位到初始狀態(tài)?？紤]到實際情況，系統(tǒng)只在密碼更改狀態(tài)和系統(tǒng)初始狀態(tài)下才能復位。2 系統(tǒng)設計思路VHDL主要用于描述數(shù)字系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，行為，功能和接口。除了含有許多具有硬件特征的語句外，VHDL的語言形式、描述風格以與語法是十分類似于一般的計算機高級語言。VHDL的程序結(jié)構(gòu)特點是將一項工程設計，或稱設計實體（可以是一個元件，一個電路模塊或一個系統(tǒng)）分成外部（或稱可視部分，與端口）和部（或稱不可視部分），既涉與實體的部功能和算法完成部分。在對一個設計實體定義了外部界面后，一旦其部

5、開發(fā)完成后，其他的設計就可以直接調(diào)用這個實體。本文采用自頂向下的模塊化設計方法，先對系統(tǒng)級進行功能描述，再進行功能模塊的劃分，最后分別對各個子模塊進行VHDL建模。所設計的電子密碼鎖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。鍵盤消抖鍵盤編碼輸入處理顯示系統(tǒng)控制 鍵盤矩陣 時鐘與掃描圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.1 時鐘產(chǎn)生模塊此模塊主要功能是產(chǎn)生時鐘信號和鍵盤掃描信號。主要產(chǎn)生三個時鐘信號（16 Hz、64 Hz、100 kHz），分別為系統(tǒng)各個功能模塊提供時鐘驅(qū)動信號。其中鍵盤掃描模塊包括在時鐘產(chǎn)生模塊中，用來產(chǎn)生掃描信號。由于要產(chǎn)生多個時鐘信號。密碼輸入一般采用機械式和觸摸式兩種鍵盤。由于機械式鍵盤具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單、

6、可靠性高、應用廣泛等優(yōu)點，其按鍵分布與鍵值編碼如圖2所示。其中*、#為多功能組合鍵。鍵盤掃描電路用來產(chǎn)生掃描信號KH，其按照1110-1101-1011-0111的規(guī)律循環(huán)變化，并通過KC來檢測是否有鍵按下。其他鍵也是類似原理。特別值得注意的是鍵盤掃描電路掃描時鐘的確立，如果掃描時鐘不合適，將產(chǎn)生鍵按下時反應太慢，或KC產(chǎn)生錯誤的輸出。2.2 按鍵消抖模塊本設計采用機械鍵盤，其缺點是易產(chǎn)生抖動，因此鍵盤輸出KC20必須經(jīng)過消抖電路后才能加入到鍵盤編碼模塊，以避免多次識別。此模塊采用狀態(tài)機設計，其狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖3所示。只有當連續(xù)檢測到3次低電平輸入，模塊才輸出一次低電平。消抖電路的時鐘選擇很關(guān)鍵

7、，選擇不當則不能正常工作。因為鍵盤掃描電路的時鐘是16 Hz且掃描信號為4組循環(huán)輸出，所以消抖電路要能夠在4個鍵盤掃描時鐘檢測出是否有鍵按下就必須設置其時鐘信號至少為鍵盤掃描時鐘的4倍。2.3 鍵盤編碼模塊上述的鍵盤中可分為數(shù)字鍵和功能鍵，其中數(shù)字鍵用來輸入數(shù)字，但鍵盤所產(chǎn)生的信號KC20并不能直接用于鍵盤輸入處理模塊，因此必須由鍵盤編碼電路對數(shù)字按鍵的輸出形式進行規(guī)劃。同時多功能鍵*、#也分別被規(guī)劃為“1010”和“1011”。另外，在系統(tǒng)規(guī)劃時，也將系統(tǒng)復位電路規(guī)劃在此模塊，復位信號是由鍵盤編碼模塊和系統(tǒng)主控模塊輸出的系統(tǒng)復位輔助信號mm共同作用產(chǎn)生，從而實現(xiàn)只能在密碼更改狀態(tài)和系統(tǒng)初始狀

8、態(tài)下才能進行系統(tǒng)復位，確保系統(tǒng)安全可靠。2.4 按鍵輸入處理模塊按鍵輸入處理模塊用來儲存每次按鍵產(chǎn)生的值，以免覆蓋前面輸入的數(shù)據(jù)，此模塊使用串行移位寄存器對依次輸入的4位十進制數(shù)字進行存儲。按鍵輸入超過4位時，后面的輸入將被忽略。2.5 顯示模塊為了節(jié)省I/O管腳和芯片部資源，本設計采用動態(tài)掃描的方法進行顯示。模塊用100 kHz時鐘信號和人眼的視覺暫留效應使4位數(shù)碼管看起來像是同時點亮。圖4是根據(jù)VHDL代碼所繪制的顯示模塊框圖。其中多路數(shù)據(jù)選擇器是由按鍵次數(shù)（NC）控制選擇哪一個數(shù)碼管和哪一組輸入數(shù)據(jù)。2.6 系統(tǒng)主控模塊此模塊是系統(tǒng)的核心控制模塊，系統(tǒng)的所有控制行為都是由它完成的，采用狀

9、態(tài)機（FSM）來描述系統(tǒng)的控制行為。由于多進程編程狀態(tài)機的輸出是由組合電路發(fā)出的，如果這些輸出信號被用作時鐘信號，則極易產(chǎn)生錯誤的驅(qū)動，其優(yōu)勢是由時序器件同步輸出，輸出信號不會出現(xiàn)毛刺現(xiàn)象，從而很好地避免了競爭冒險的發(fā)生。缺點是與多進程狀態(tài)機相比，輸出信號要晚一個時鐘周期。通過反復試驗在VHDL編程時將輸出信號與狀態(tài)轉(zhuǎn)換同步進行，從而很好地解決了輸出信號滯后的問題。圖5為主控模塊的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。其中S0為系統(tǒng)上電初始化狀態(tài)，也是系統(tǒng)復位后所轉(zhuǎn)入的狀態(tài)。本設計設置S0狀態(tài)的另一主要原因是考慮到一個完備的狀態(tài)機應該具備初始化狀態(tài)和默認狀態(tài)。當芯片加電或者復位后，狀態(tài)機應該能夠自動將所有判斷條件復位，

10、并進入初始化狀態(tài)。但需要強調(diào)的是，大多數(shù)FPGA有GSR（Global Set/Reset）信號，當FPGA加電后，GSR信號拉高，對所有的寄存器，RAM等單元復位/置位，這時配置于FPGA的邏輯并未生效；不能保證正確地進入初始化狀態(tài)。所以使用GSR企圖進入FPGA的初始化狀態(tài)，常常會產(chǎn)生種種不必要的麻煩。S1為上鎖狀態(tài)，S2為解鎖狀態(tài)，S3為解鎖錯誤次數(shù)記錄狀態(tài)，S4為系統(tǒng)報警狀態(tài)，S5為開鎖狀態(tài)，S6為密碼更改狀態(tài)。3 重要程序模塊分析1，密碼設置模塊process(clk) -定義個存儲器將密碼存放在keyin中 begin if clk'event and clk='1

11、' then keyin<=key; end if;end process; prr<=pdan or rw1 or rin or ok;st: process(keyin,prr,ok1) -第一次修改密碼 begin if ok1='1' then start<='0' elsif (keyin/="000000" and prr='0') then start<='1' else start<='0' end if; end process;inkey

12、: process(key,start,clk) begin -輸入密碼時間進入記時狀態(tài) if clk'event and clk='1' then ok1<='0'ok2<='0' if start='1' then sbuf1<=keyin; -將密碼放入rom1暫存器中 if ok='1' then ok2<='1' elsift="100" thent<="000" ;ok1<='1' -5秒

13、到將cnt值零將ok1值置高 elset<=cnt+'1' end if ; elset<="000"sbuf1<=sbuf1; -當start=1時cnt永遠保持0 end if; end if; end process;2，報警信號產(chǎn)生模塊：pandan : process(ok,ok1,ok2,clk,start) -輸入密碼用于判斷密碼是否正確 begin if ok2='1' or ok1='1' then pdan<='1' -開鎖信號 elsif clk'event

14、 and clk='1' then if pdan='1' then ift1="10011" then pdan<='0' -20秒后判斷結(jié)束，進入等待外部輸入狀態(tài) else t1<=cnt1+'1' end if; else t1<="00000" -等待狀態(tài)時cnt1一直為0 end if; end if; end process;3顯示模塊Display: process(open,rw ,rin,clk1) -顯示程序 begin if open='1&#

15、39; then -開鎖信號密碼正確 red<='0'green<='1' speaker<='0' -紅燈滅，綠燈亮 else -密碼錯誤 red<='1'green<='0' speaker<=clk1; -紅燈亮，綠燈滅， end if; elsif rw='1' then -第一次修改密碼顯示狀態(tài) red<='1'green<='0'speaker<='0' elsif rin='1' then red<='0'green<='0' speaker<='0' else red<='1'green<='0' speaker<='0' end if; end process;4 主要功能模塊的仿真圖6是鍵盤編碼模塊的時序仿真圖。其號mm是主控模塊，用來限制復位條件，即只在S0和S6狀態(tài)下產(chǎn)生復位信號RR；信號rst_key和unen_key共同控制鍵盤，也是來自主控模塊；sn是模塊輸出信