基于FGPA的数字密码锁设计

0 前言

自古以来人们对物品安全就十分重视，数字化的今天，电子锁正在逐步取代以往的机械锁被广泛运用在门禁、银行和保险柜。然而，这些基于单片机的密码锁可靠性较差，而且功能拓展有限。随着物联网技术的发展，人们对电子锁安全性和可靠性又提出了新的要求。本文所述的FPGA，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。由于其高集成度，使得电子产品在体积上大大缩减，且具有可靠、灵活、高效等特性，己备受设计师们的青睐。

1 系统概述

1．1 功能概述

(1)初始密码为000000，按C键设置密码，密码设置完成后按A键即上锁。
(2)以4×4键盘为输入设备，按B键开始密码输入，串行输入6位密码，输入完成后按#键，确认密码输入完成。七段数码管将显示用户所输入的数字。
(3)密码输入正确，则开锁指示灯灭，若密码输入错误或位数不足，报警灯亮。
(4)处于报警状态时，按*键可解除报警。
(5)为保证安全，系统只有在开锁状态时，按C键，用户才可重新设置密码。

1．2 系统结构

系统以4×4矩阵键盘为输入设备，七段数码管和指示灯为系统的输入显示和输出指示器。系统内部可分为以下几个模块：键盘扫描及消抖电路、分频电路、译码电路、编码器、寄存器、比较器、控制器、计数器。系统结构大致如图1所示。

按键所用开关为机械弹性开关，当机械触点断开、闭合时，由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合或断开时不会稳定地接通或立即断开，在电路上则会表现为连续地输入同一个值。因此在键盘扫描电路里加入了键盘消抖程序。为使用户能够看到自己所输入的密码，将七段数码管的显示电路也集中到了键盘扫描电路内。键盘扫描所用的时钟频率为1kHz，故将系统所用的1MHz的时钟分频为1kHz供键盘扫描用，以分频模块为例，其程序如下：


1．3 状态机

状态机(FSM)在一个有限状态之下以目前电路所处的状态为准，一旦外加时序及输入信号来临，则以目前的状态及输入信号的变化状况为依据，产生下一次的状态及电位。状态机是密码锁的主要控制部分，如图2所示，状态分为7种，S1：密码修改状态；S2：开锁状态；S3：闭锁状态：S4：密码输入正确状态：S5：密码输入状态；S6：密码输入错误状态；S7：报警状态。

系统上电时，处于开锁状态，当输入change信号时，系统进入修改密码状态；若输入lock信号，进入安锁状态，锁闭合；在安锁状态，输入start信号，进入输入密码状态；在输入密码状态，由ps_i_l密码脉冲作为计数时钟，计数值输出作为寄存器地址，当计数器计到6时，返回计数满信号cin，如果密码内容和长度均正确，进入密码初验正确状态，如果密码错误，进入密码初验错误状态；在密码初验正确状态，输入确认信号enter时，进入开锁状态；在密码初验错误状态，输入确认信号enter时，进入报警状态；在报警状态，warn信号等于‘1’，如果输入清楚报警信号off_al，则进入安锁状态。以开锁过程为例，其功能仿真波形如图3所示。


2 系统功能仿真

自上而下的设计方法，是现代电子系统的新型设计策略，它从设计的总体要求出发。本文用VHDL语言以系统的整体输入输出作为顶层实体描述，然后进行元件例化和位置映射。分别建立每个模块的VHDL文件，最后由系统进行整体的综合和功能仿真。

2．1 系统软件仿真

完成系统的整体设计后，再对顶层文件进行编译，然后建立Vector Waveform File，编辑输入波形后进行功能仿真，以密码输入错误为例，仿真结果如图4所示，设置密码为279235，系统处于闭锁状态时，按start键，开始输入密码8765413，密码输入错误，则系统还是处于闭锁状态，且warn变为高电平。


2．2 系统硬件测试

系统硬件测试环境用的是EP2C35F672C8，它采用672引脚的BGA封装，表1列出了该款FPGA的所有资源特性。

完成引脚分配后，通过JTAG调试接口将程序下载到芯片内，进行硬件测试，首先设置密码为654321然后上锁，以输入错误密码为例，输入235689然后按#}键，由图4可见，闭锁指示灯D3亮，表示未开锁，报警指示灯D4亮，表示密码输入错误。测试结果表明设计成功。

3 结束语

设计选用FPGA芯片、4×4矩阵键盘、七段数码管为主要硬件，设计了一种低功耗、体积小的密码锁，并在硬件上验证了其可靠性。由于FPGA的灵活性，密码长度可根据寄存器个数而随意改变，此设计在现代物联网技术中将有广泛应用。