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基于FGPA的數字密碼鎖設計
2018.9.27

文章来源:由「百度新聞」平台非商業用途取用"http://www.eepw.com.cn/article/201706/348912.htm"

0前言自古以來人們對物品安全就十分重視,數字化的今天,電子鎖正在逐步取代以往的機械鎖被廣泛運用在門禁、銀行和保險柜。然而,這些基于單片機的密碼鎖可靠性較差,而且功能拓展有限。隨著物聯網技術的發展,人們對電子鎖安全性和可靠性又提出了新的要求。本文所述的FPGA,即現場可編程門陣列,它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎上進一步發展的產物。由于其高集成度,使得電子產品在體積上大大縮減,且具有可靠、靈活、高效等特性,己備受設計師們的青睞。本文引用地址:http:www.eepw.com.cnarticle201706348912.htm1系統概述1.1功能概述(1)初始密碼為000000,按C鍵設置密碼,密碼設置完成后按A鍵即上鎖。(2)以44鍵盤為輸入設備,按B鍵開始密碼輸入,串行輸入6位密碼,輸入完成后按#鍵,確認密碼輸入完成。七段數碼管將顯示用戶所輸入的數字。(3)密碼輸入正確,則開鎖指示燈滅,若密碼輸入錯誤或位數不足,報警燈亮。(4)處于報警狀態時,按*鍵可解除報警。(5)為保證安全,系統只有在開鎖狀態時,按C鍵,用戶才可重新設置密碼。1.2系統結構系統以44矩陣鍵盤為輸入設備,七段數碼管和指示燈為系統的輸入顯示和輸出指示器。系統內部可分為以下幾個模塊:鍵盤掃描及消抖電路、分頻電路、譯碼電路、編碼器、寄存器、比較器、控制器、計數器。系統結構大致如圖1所示。按鍵所用開關為機械彈性開關,當機械觸點斷開、閉合時,由于機械觸點的彈性作用,一個按鍵開關在閉合或斷開時不會穩定地接通或立即斷開,在電路上則會表現為連續地輸入同一個值。因此在鍵盤掃描電路里加入了鍵盤消抖程序。為使用戶能夠看到自己所輸入的密碼,將七段數碼管的顯示電路也集中到了鍵盤掃描電路內。鍵盤掃描所用的時鐘頻率為1kHz,故將系統所用的1MHz的時鐘分頻為1kHz供鍵盤掃描用,以分頻模塊為例,其程序如下:1.3狀態機狀態機(FSM)在一個有限狀態之下以目前電路所處的狀態為準,一旦外加時序及輸入信號來臨,則以目前的狀態及輸入信號的變化狀況為依據,產生下一次的狀態及電位。狀態機是密碼鎖的主要控制部分,如圖2所示,狀態分為7種,S1:密碼修改狀態;S2:開鎖狀態;S3:閉鎖狀態:S4:密碼輸入正確狀態:S5:密碼輸入狀態;S6:密碼輸入錯誤狀態;S7:報警狀態。系統上電時,處于開鎖狀態,當輸入change信號時,系統進入修改密碼狀態;若輸入lock信號,進入安鎖狀態,鎖閉合;在安鎖狀態,輸入start信號,進入輸入密碼狀態;在輸入密碼狀態,由ps_i_l密碼脈沖作為計數時鐘,計數值輸出作為寄存器地址,當計數器計到6時,返回計數滿信號cin,如果密碼內容和長度均正確,進入密碼初驗正確狀態,如果密碼錯誤,進入密碼初驗錯誤狀態;在密碼初驗正確狀態,輸入確認信號enter時,進入開鎖狀態;在密碼初驗錯誤狀態,輸入確認信號enter時,進入報警狀態;在報警狀態,warn信號等于1,如果輸入清楚報警信號off_al,則進入安鎖狀態。以開鎖過程為例,其功能仿真波形如圖3所示。2系統功能仿真自上而下的設計方法,是現代電子系統的新型設計策略,它從設計的總體要求出發。本文用VHDL語言以系統的整體輸入輸出作為頂層實體描述,然后進行元件例化和位置映射。分別建立每個模塊的VHDL文件,最后由系統進行整體的綜合和功能仿真。2.1系統軟件仿真完成系統的整體設計后,再對頂層文件進行編譯,然后建立VectorWaveformFile,編輯輸入波形后進行功能仿真,以密碼輸入錯誤為例,仿真結果如圖4所示,設置密碼為279235,系統處于閉鎖狀態時,按start鍵,開始輸入密碼8765413,密碼輸入錯誤,則系統還是處于閉鎖狀態,且warn變為高電平。2.2系統硬件測試系統硬件測試環境用的是EP2C35F672C8,它采用672引腳的BGA封裝,表1列出了該款FPGA的所有資源特性。完成引腳分配后,通過JTAG調試接口將程序下載到芯片內,進行硬件測試,首先設置密碼為654321然后上鎖,以輸入錯誤密碼為例,輸入235689然后按#}鍵,由圖4可見,閉鎖指示燈D3亮,表示未開鎖,報警指示燈D4亮,表示密碼輸入錯誤。測試結果表明設計成功。3結束語設計選用FPGA芯片、44矩陣鍵盤、七段數碼管為主要硬件,設計了一種低功耗、體積小的密碼鎖,并在硬件上驗證了其可靠性。由于FPGA的靈活性,密碼長度可根據寄存器個數而隨意改變,此設計在現代物聯網技術中將有廣泛應用。

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