基于FPGA的多功能電子密碼鎖設(shè)計(jì)

0 引言

傳統(tǒng)機(jī)械鎖的防盜功能差，在現(xiàn)代高科技安防系統(tǒng)中無(wú)法起到作用，已逐步被更可靠、更智能的電子數(shù)字密碼鎖代替。目前市場(chǎng)上的大部分密碼鎖產(chǎn)品是以單片機(jī)為核心的，利用軟件進(jìn)行控制，實(shí)際應(yīng)用中系統(tǒng)穩(wěn)定性較差且成本高。本文研究的是電子密碼鎖的一種純硬件實(shí)現(xiàn)方案，為彌補(bǔ)傳統(tǒng)技術(shù)的不足，采用EDA技術(shù)在可編程芯片上實(shí)現(xiàn)密碼的存儲(chǔ)、運(yùn)算等操作，使產(chǎn)品既具有硬件的安全性和高速性，又具有軟件開(kāi)發(fā)的靈活性和易維護(hù)性。

1 主要技術(shù)與開(kāi)發(fā)環(huán)境

1.1 EDA技術(shù)及特點(diǎn)

EDA(Electronic Design Automation)，即“電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化”,是目前電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的主流技術(shù)。EDA技術(shù)就是依靠功能強(qiáng)大的電子計(jì)算機(jī)，在EDA 工具軟件平臺(tái)上，對(duì)以硬件描述語(yǔ)言為系統(tǒng)邏輯描述手段完成的設(shè)計(jì)文件，自動(dòng)地完成邏輯編譯、化簡(jiǎn)、分割、綜合、優(yōu)化和仿真，直至下載到可編程邏輯器件CPLD/FPGA 或?qū)Ｓ眉呻娐稟SIC 芯片中，實(shí)現(xiàn)特定的電子電路設(shè)計(jì)功能。與傳統(tǒng)電子設(shè)計(jì)方法相比，EDA技術(shù)具有以下主要優(yōu)勢(shì)：

(1)可以在電子設(shè)計(jì)的各個(gè)階段、各個(gè)層次進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬驗(yàn)證;

(2)獨(dú)特的自頂向下的電子設(shè)計(jì)方案;

(3)使設(shè)計(jì)者擁有完全的自主權(quán)。

1.2 硬件描述語(yǔ)言

VHDL(Very High Speed Integration Circuits Hard-ware Description Language)，即“超高速集成電路硬件描述語(yǔ)言”,是當(dāng)今電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域的主流硬件描述語(yǔ)言。

它具有很好的電路行為描述能力和系統(tǒng)描述能力，且具有與具體硬件電路無(wú)關(guān)、與設(shè)計(jì)平臺(tái)無(wú)關(guān)的特性，使得設(shè)計(jì)者可以專心致力于系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)，而不需要對(duì)不影響功能的、與工藝有關(guān)的因素花費(fèi)過(guò)多的時(shí)間和精力。

1.3 開(kāi)發(fā)環(huán)境

1.3.1 軟件平臺(tái)

QuartusⅡ是Altera公司推出的新一代開(kāi)發(fā)軟件，支持多種編輯輸入法，包括圖形輸入法，基于硬件描述語(yǔ)言的文本編輯輸入法和內(nèi)存編輯輸入法。它支持Al-tera 的IP 核，包含了LPM/MegaFunction 宏功能模塊庫(kù)，使用戶可以充分利用成熟的模塊，簡(jiǎn)化自己的設(shè)計(jì)、提高開(kāi)發(fā)效率。

Quartus Ⅱ作為一種可編程邏輯的設(shè)計(jì)環(huán)境，其強(qiáng)大的設(shè)計(jì)能力已經(jīng)成為廣大設(shè)計(jì)人員首選的開(kāi)發(fā)工具，本設(shè)計(jì)采用的是Quartus Ⅱ9.0版本作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

1.3.2 硬件平臺(tái)

CPLD(Complex Programmable Logic Device)，即復(fù)雜可編程器件，由于CPLD具有編程靈活、集成度高、設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)周期短、制造成本低、保密性強(qiáng)等特點(diǎn)，本文的硬件測(cè)試是基于MAXⅡ系列的CPLD上完成的，芯片型號(hào)為EPM240T100C5.

2 密碼鎖功能要求

目前市面上的電子密碼鎖，只允許用戶輸入固定位數(shù)的密碼。但在實(shí)際應(yīng)用中，密碼位數(shù)太多，不便于老年用戶記憶，而位數(shù)太少，又不能滿足一些對(duì)安全性能要求高的青年用戶。本文中，基于CPLD 的集成度高、成本低的特點(diǎn)，克服了以上缺點(diǎn)，讓用戶自行設(shè)定密碼位數(shù)，該功能在同行業(yè)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)中有一定的優(yōu)勢(shì)。

設(shè)計(jì)的電子密碼鎖可以完成以下功能：

(1)設(shè)置密碼鎖的密碼位數(shù)n;

(2)n 位密碼的輸入及顯示;

(3)密碼的核對(duì);

(4)報(bào)警功能;

(5)密碼的清除和修改。

主要由密碼輸入電路、核心控制電路和顯示輸出電路構(gòu)成。其中，輸入電路包括矩陣式鍵盤(pán)、鍵盤(pán)掃描電路、消抖電路、譯碼電路等;控制電路主要完成密碼的輸入、核對(duì)、清除和修改等功能;輸出電路控制數(shù)碼顯示屏上密碼值的顯示。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 輸入電路

本設(shè)計(jì)采用的是4×3 矩陣式鍵盤(pán)，如圖1所示，它是由4 根I/O線作為行線，3根I/O線作為列線，在行列線的每一個(gè)交叉點(diǎn)上都設(shè)置一個(gè)按鍵，一共有12個(gè)按鍵，分別代表數(shù)字0~9、確認(rèn)鍵和設(shè)置鍵，如圖1所示。用戶如需設(shè)置密碼位數(shù)，可以長(zhǎng)按設(shè)置鍵達(dá)到3 s,聽(tīng)到提示音后再輸入密碼位數(shù)(本設(shè)計(jì)暫時(shí)只支持4,6,8位);如需設(shè)置新密碼，可以短按設(shè)置鍵，提示音后再輸入新的密碼即可。輸入電路應(yīng)具備矩陣鍵盤(pán)掃描功能、鍵盤(pán)消抖功能以及譯碼等功能。其中，鍵盤(pán)掃描采用是行掃描方式，4 根I/O 線KEYR3~KEYR0 為行掃描信號(hào)，其中KEYR3對(duì)應(yīng)第一行，KEYR2對(duì)應(yīng)第二行，依此類推。

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很顯然，掃描信號(hào)的變化順序?yàn)椋?111,1011,1101,1110,周而復(fù)始。在掃描的過(guò)程中，當(dāng)某鍵被按下時(shí)，從KEYC2~KEYC0 中讀出的相應(yīng)列信號(hào)為“0”,再將此時(shí)的4位行信號(hào)和3位列信號(hào)值送至鍵盤(pán)譯碼電路進(jìn)行譯碼，即可得出準(zhǔn)確的按鍵值。相反，若從KEYC2~KEYC0 讀出的值全為“1”,則表示沒(méi)有鍵被按下，即不做任何操作。如表1所示。

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在鍵盤(pán)掃描過(guò)程中，掃描信號(hào)在不斷變化，以判斷按鍵的按下和抬起?？焖僮兓膾呙栊盘?hào)不僅使增加了系統(tǒng)功耗，而且還會(huì)對(duì)其他敏感電路造成干擾[6-7].因此必須進(jìn)行以下改進(jìn)：將掃描模式改為鍵按下觸發(fā)掃描方式，即當(dāng)某鍵被按下后，才觸發(fā)鍵盤(pán)掃描電路產(chǎn)生掃描時(shí)序，鍵被放開(kāi)后，停止對(duì)鍵盤(pán)的掃描，使電路處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，以減少干擾信號(hào)。

另外，在按鍵按下時(shí)刻與開(kāi)始掃描時(shí)刻之間加入一段較小的延時(shí)，延時(shí)結(jié)束后才允許電路開(kāi)始掃描工作，可以最大限度地避免因鍵盤(pán)抖動(dòng)帶來(lái)的錯(cuò)誤輸入。

主要VHDL代碼描述如下：

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