基于FPGA的多功能密码锁的设计

摘要：本文设计的基于FPGA的电子密码锁，具有记忆和修改6位密码、输入密码位数指示及防止多次试探密码等功能，与银行卡的原理和功能极其相似，使得密码锁的保密和安全性能进一步增强。最后，给出了在Quartus II软件开发平台上实现密码锁各项功能的仿真图，并在FPGA芯片EP1K30TC144-3上通过了验证。
关键词：现场可编程门阵列；超高速集成电路硬件描述语言；密码锁

0 引言
电子密码锁能保护用户的重要资料不被非法用户所窃取，目前使用的电子密码锁大多以单片机为控制器，通过运行程序完成密码锁的各项功能。由于受到外部干扰的影响，单片机很容易将程序“跑飞”，因而可靠性较差。仿照银行卡输入密码的原理，本文介绍了一种基于FG-PA的多功能密码锁的设计和实现方案，由于采用纯硬件实现，使得可靠性和安全性大大提高。

1 电子密码锁的功能要求
设计的密码锁至少具有下列功能：
(1)6位密码，与银行卡密码位数相同；
(2)每位密码采用十六进制数，与十进制数密码相比，密码被破译的概率大大降低；
(3)每位密码按下时，有密码位数指示，类似自动取款机输入密码时有“*”号提示；
(4)密码输入过程中密码有误时，能对已经输入的密码清除以便重新输入密码；
(5)6位密码输入都正确后，应有开锁指示，上锁时也应有上锁指示；
(6)密码连续三次输入错误，密码锁死锁，并开启报警，防止窃贼多次试探密码；
(7)初始密码默认为“123456”，密码可以修改，在密码锁打开状态下，再一次输入正确的旧密码及两次输入的新密码一致时，密码才能修改成功。

2 密码锁的系统构成
根据密码锁具有的功能，可将其实现的功能划分成分频模块、键盘和数码管扫描模块、按键抖动消除模块、按键编码模块、键值到7段数码管译码显示模块和主控制模块等6个子模块，如图1所示。

(1)分频模块。它对系统的主时钟进行分频，以产生4×8小键盘的列扫描信号和6位数码管的列扫描信号所需要的时钟。分频是因为消除按键抖动的计数器时钟要比分频后扫描时钟高得多。
(2)键盘和数码管扫描模块。它检测到分频输出信号的上升沿到来时，就对扫描的列加1，当扫描到最后一列即第7列，再从第0列开始扫描。当检测到有键按下的扫描控制信号时，则停止列扫描，直至按键释放后，再接着扫描下一列。数码管的6列扫描信号和小键盘的8列扫描信号可以共用，当扫描到小键盘的第6、7列时，并没有扫描6位数码管，由于扫描速度足够快，这并不影响数码管的动态显示。
(3)按键抖动消除模块。机械键按下时，会产生抖动现象，若不消除，一次按键会被错误地认为同一键被多次按下，从而造成无法正确地输入密码。消除的方法可以采用硬件方法如RS触发器和软件延时方法，本文采用后者。
(4)按键编码模块。它负责将按下键的行列位置码编码成0～31的键值码，键值0～15当作有效的16进制数输入密码位，大于等于16的键值可以定义成功能键，如定义清除密码键[Clear]键值为17，确认键[Enter]键值为23，修改密码键[Chgsecret]键值为24，其他没有定义的键可
以预留升级时的备用功能键。
(5)译码显示模块。它负责将按下的数值键0～F译码成7段LED共阴极字型码。
(6)主控模块。它依据消除抖动后产生的按键释放信号koff及按下的是数值键或功能键决定转移的下一状态，在不同的状态完成密码的比较、修改及多次试探密码报警提示等多项控制功能。
3 软件实现
本文采用VHDL语言实现本密码锁系统的设计。对系统中划分出的每一个模块功能都可以采用一个进程来描述。分频、扫描和译码显示三个功能模块都比较简单，本文只重点介绍剩余的3个模块实现原理及进程中的部分关键代码。完整的代码可以向本文作者发邮件索取。
根据主控制模块实现的功能，可以整理成如下图2所示的流程图，图中对修改密码的流程作了省略。