[導讀]基于EDA技術設計的電子密碼鎖，以其價格便宜、安全可靠、使用方便，受到了人們的普遍關注。而以現(xiàn)場可編程邏輯器件(FPGA)為設計載體，以硬件描述語言(VHDE)為主要表達方式，以QuartusⅡ開發(fā)軟件和GW48EDA開發(fā)系統(tǒng)為設
基于EDA技術設計的電子密碼鎖，以其價格便宜、安全可靠、使用方便，受到了人們的普遍關注。而以現(xiàn)場可編程邏輯器件(FPGA)為設計載體，以硬件描述語言(VHDE)為主要表達方式，以QuartusⅡ開發(fā)軟件和GW48EDA開發(fā)系統(tǒng)為設計工具設計的電子密碼鎖，由于其能夠實現(xiàn)數(shù)碼輸入、數(shù)碼清除、密碼解除、密碼更改、密碼上鎖和密碼解除等功能，因此，能夠滿足社會對安全防盜的要求。
1 電子密碼鎖的基本功能
電子密碼鎖主要實現(xiàn)的功能包括：
(1)數(shù)碼輸入：按下一個數(shù)字鍵，其對應的數(shù)字就顯示在最右邊的數(shù)碼管上，同時將先前輸入的所有數(shù)字向左移動一位。設計密碼為4位，系統(tǒng)只能顯示前4位輸人的數(shù)碼。
(2)數(shù)碼清除：當按下清除鍵時，清除前面輸入的所有值，并顯示為“----”。
(3)密碼解除：按下55#鍵，可以將電子密碼鎖的舊密碼解除。
(4)密碼更改：將舊密碼解除之后，可以進行密碼更改。輸入任意四位密碼數(shù)字，再按#號就可以將輸入的數(shù)碼當作新的密碼。
(5)密碼上鎖：輸入新的密碼之后，按下11#鍵，可以進行密碼上鎖操作。
(6)密碼解鎖：按下99#鍵，再輸入數(shù)碼；如果輸入與系統(tǒng)儲存密碼一致，密碼鎖就能開啟；否則不能解鎖。
2 電子密碼鎖的結構原理
2.1 電子密碼鎖的整體結構
電子密碼鎖的整體結構如圖1所示，它包括密碼鎖輸入模塊、控制模塊和顯示模塊等。
2.2 密碼鎖輸入模塊
密碼鎖輸入模塊的電路框圖如圖2所示，它由時序產生電路、鍵盤掃描電路、彈跳消除電路、鍵盤譯碼電路和按鍵存儲電路組成。
時序產生電路用于產生電路中三種不同頻率的工作脈沖波形，包括系統(tǒng)時鐘信號、彈跳消除取樣信號和鍵盤掃描信號。
鍵盤電路可提供鍵盤掃描信號。該信號由ky3～ky0進入鍵盤，其變化的順序為1110-1101-1011-0111-1110……周而復始。掃描信號0111代表掃描的為*、0、#這一排按鍵，當*這個按鍵被按下時，由kx2～kx0讀出的值為011。按鍵位置的數(shù)碼關系如表1所列。
彈跳消除電路可避免誤操作發(fā)生。由于設計中采用的矩陣式鍵盤是機械開關結構，因此，在開關切換的瞬間，會在接觸點出現(xiàn)信號來回彈跳的現(xiàn)象。為使電子密碼鎖可靠工作，必須加上彈跳消除電路。彈跳消除電路采用軟件延時的方法消除抖動，其仿真波形如圖3所示。從圖3中可以看出，若采樣信號連續(xù)兩次或超過兩次檢測到高電平信號，說明按鍵狀態(tài)確實發(fā)生了變化，此時電路輸出一個時鐘周期的按鍵信號；否則當作抖動處理而不予理會，以此來消除抖動。
對于鍵盤譯碼電路，由于圖2中的鍵盤按鍵分為數(shù)字按鍵和功能按鍵，每一個按鍵可負責不同的功能，而鍵盤所產生的輸出(也就是掃描回復信號)卻無法直接拿來用作密碼鎖控制電路的輸入，所以必須由鍵盤譯碼電路來規(guī)劃每個按鍵的輸出形式，以便執(zhí)行相應的動作。
鍵盤存儲電路可將每次掃描產生的新按鍵數(shù)據(jù)存儲下來，因此新數(shù)據(jù)可能會覆蓋前面的數(shù)據(jù)，所以需要一個按鍵存儲電路，以將整個鍵盤掃描完畢的結果記錄下來。
圖4所示是密碼鎖輸入模塊的仿真波形，圖中，數(shù)字鍵數(shù)據(jù)“0、1、2、3、4、5、6、7、8、9”和功能鍵數(shù)據(jù)“0100、0001”所得到的輸出不同，由此可證明密碼鎖輸入模塊的正確性。
2.3 控制模塊
密碼鎖控制電路是整個電路的控制中心，主要完成對數(shù)字鍵輸入和功能鍵輸入的響應和控制。密碼鎖控制電路的仿真波形如圖5所示。從圖5可見，其數(shù)字鍵輸入的響應控制過程如下：
(1)按下數(shù)字鍵，第一個數(shù)字會在顯示器的最右端顯示，隨后每按下一個新數(shù)字，顯示器上已經存在的數(shù)字整體會向左移一位，并將以新的數(shù)字顯示出來；
(2)若要更改輸入數(shù)字，則可按*鍵清除所有輸入的數(shù)字，再重新輸入數(shù)字。
(3)電子密碼鎖為4位，當輸人超過4位時，電路不予理會，且不顯示第4個以后的數(shù)字。
功能按鍵的輸入響應控制功能如下：
(1)清除功能：按下*鍵，可清除所有輸入的數(shù)字，顯示為“----”。
(2)更改密碼：按下55#鍵，輸入舊密碼(設計中為“0000 ”)，再按#鍵，即可解除舊密碼。接著輸入4位數(shù)字，再按下#鍵，就可以將4位數(shù)字作為新密碼。
(3)密碼上鎖：輸入4位新的密碼數(shù)字之后，再按11#鍵，就可以將密碼鎖上鎖。
(4)密碼解鎖：按下99#鍵可輸入密碼解鎖，假如輸入“2345”這個密碼，然后按下#鍵，系統(tǒng)將比較鍵盤輸入的數(shù)碼和寄存器中的數(shù)碼，如果一致，就會給出一個開鎖信號，密碼鎖開鎖；否則密碼輸入無效。
2.4 顯示模塊
本電子密碼鎖的顯示模塊比較簡單，其作用是將控制模塊的BCD碼輸出轉換為7段顯示編碼，然后驅動數(shù)碼管，其仿真波形如圖6所示。
3 電子密碼鎖的整合和驗證
要完成電子密碼鎖的設計，還必須將上述三個功能模塊進行整合。其整合電路圖如圖1所示。
本設計選用杭州康芯電子有限公司生產的GW48EDA系統(tǒng)作為硬件驗證系統(tǒng)，同時選用Altera公司的EPlK30TC144-3作為主控芯片。該芯片是一種基于查找表結構的現(xiàn)場可編程邏輯器件，它的基本邏輯單元是可編程的查找表，能夠實現(xiàn)組合邏輯運算，并可用可編程寄存器實現(xiàn)時序邏輯運算。設計時只需要對電子密碼鎖整體設計中的輸入輸出引腳作引腳鎖定，然后重新編譯和下載，即可進行電子密碼鎖的硬件驗證。實驗表明：本設計能夠實現(xiàn)電子密碼鎖的全部功能。
4 結束語
本文以現(xiàn)場可編程邏輯器件(FPGA)為設計載體，以硬件描述語言(VHDL)為主要表達方式，以QuartusⅡ開發(fā)軟件和GW48EDA開發(fā)系統(tǒng)為設計工具設計了一種具有密碼輸入、數(shù)碼清除、密碼解除、密碼設置和密碼激活等功能的電子密碼鎖。同時闡述電子密碼鎖的工作原理和軟硬件實現(xiàn)方法。對該電子密碼鎖進行時序仿真和硬件驗證的結果表明：該電路能夠實現(xiàn)所要求的功能。由于本設計中的FPGA芯片體積小，功耗低，價格便宜，安全可靠，稍加修改就可以改變密碼的位數(shù)，而且維護和升級比較方便，很容易做成ASIC芯片，因而具有較好的應用前景。
1 電子密碼鎖的基本功能
電子密碼鎖主要實現(xiàn)的功能包括：
(1)數(shù)碼輸入：按下一個數(shù)字鍵，其對應的數(shù)字就顯示在最右邊的數(shù)碼管上，同時將先前輸入的所有數(shù)字向左移動一位。設計密碼為4位，系統(tǒng)只能顯示前4位輸人的數(shù)碼。
(2)數(shù)碼清除：當按下清除鍵時，清除前面輸入的所有值，并顯示為“----”。
(3)密碼解除：按下55#鍵，可以將電子密碼鎖的舊密碼解除。
(4)密碼更改：將舊密碼解除之后，可以進行密碼更改。輸入任意四位密碼數(shù)字，再按#號就可以將輸入的數(shù)碼當作新的密碼。
(5)密碼上鎖：輸入新的密碼之后，按下11#鍵，可以進行密碼上鎖操作。
(6)密碼解鎖：按下99#鍵，再輸入數(shù)碼；如果輸入與系統(tǒng)儲存密碼一致，密碼鎖就能開啟；否則不能解鎖。
2 電子密碼鎖的結構原理
2.1 電子密碼鎖的整體結構
電子密碼鎖的整體結構如圖1所示，它包括密碼鎖輸入模塊、控制模塊和顯示模塊等。
2.2 密碼鎖輸入模塊
密碼鎖輸入模塊的電路框圖如圖2所示，它由時序產生電路、鍵盤掃描電路、彈跳消除電路、鍵盤譯碼電路和按鍵存儲電路組成。
時序產生電路用于產生電路中三種不同頻率的工作脈沖波形，包括系統(tǒng)時鐘信號、彈跳消除取樣信號和鍵盤掃描信號。
鍵盤電路可提供鍵盤掃描信號。該信號由ky3～ky0進入鍵盤，其變化的順序為1110-1101-1011-0111-1110……周而復始。掃描信號0111代表掃描的為*、0、#這一排按鍵，當*這個按鍵被按下時，由kx2～kx0讀出的值為011。按鍵位置的數(shù)碼關系如表1所列。
彈跳消除電路可避免誤操作發(fā)生。由于設計中采用的矩陣式鍵盤是機械開關結構，因此，在開關切換的瞬間，會在接觸點出現(xiàn)信號來回彈跳的現(xiàn)象。為使電子密碼鎖可靠工作，必須加上彈跳消除電路。彈跳消除電路采用軟件延時的方法消除抖動，其仿真波形如圖3所示。從圖3中可以看出，若采樣信號連續(xù)兩次或超過兩次檢測到高電平信號，說明按鍵狀態(tài)確實發(fā)生了變化，此時電路輸出一個時鐘周期的按鍵信號；否則當作抖動處理而不予理會，以此來消除抖動。
對于鍵盤譯碼電路，由于圖2中的鍵盤按鍵分為數(shù)字按鍵和功能按鍵，每一個按鍵可負責不同的功能，而鍵盤所產生的輸出(也就是掃描回復信號)卻無法直接拿來用作密碼鎖控制電路的輸入，所以必須由鍵盤譯碼電路來規(guī)劃每個按鍵的輸出形式，以便執(zhí)行相應的動作。
鍵盤存儲電路可將每次掃描產生的新按鍵數(shù)據(jù)存儲下來，因此新數(shù)據(jù)可能會覆蓋前面的數(shù)據(jù)，所以需要一個按鍵存儲電路，以將整個鍵盤掃描完畢的結果記錄下來。
圖4所示是密碼鎖輸入模塊的仿真波形，圖中，數(shù)字鍵數(shù)據(jù)“0、1、2、3、4、5、6、7、8、9”和功能鍵數(shù)據(jù)“0100、0001”所得到的輸出不同，由此可證明密碼鎖輸入模塊的正確性。
2.3 控制模塊
密碼鎖控制電路是整個電路的控制中心，主要完成對數(shù)字鍵輸入和功能鍵輸入的響應和控制。密碼鎖控制電路的仿真波形如圖5所示。從圖5可見，其數(shù)字鍵輸入的響應控制過程如下：
(1)按下數(shù)字鍵，第一個數(shù)字會在顯示器的最右端顯示，隨后每按下一個新數(shù)字，顯示器上已經存在的數(shù)字整體會向左移一位，并將以新的數(shù)字顯示出來；
(2)若要更改輸入數(shù)字，則可按*鍵清除所有輸入的數(shù)字，再重新輸入數(shù)字。
(3)電子密碼鎖為4位，當輸人超過4位時，電路不予理會，且不顯示第4個以后的數(shù)字。
功能按鍵的輸入響應控制功能如下：
(1)清除功能：按下*鍵，可清除所有輸入的數(shù)字，顯示為“----”。
(2)更改密碼：按下55#鍵，輸入舊密碼(設計中為“0000 ”)，再按#鍵，即可解除舊密碼。接著輸入4位數(shù)字，再按下#鍵，就可以將4位數(shù)字作為新密碼。
(3)密碼上鎖：輸入4位新的密碼數(shù)字之后，再按11#鍵，就可以將密碼鎖上鎖。
(4)密碼解鎖：按下99#鍵可輸入密碼解鎖，假如輸入“2345”這個密碼，然后按下#鍵，系統(tǒng)將比較鍵盤輸入的數(shù)碼和寄存器中的數(shù)碼，如果一致，就會給出一個開鎖信號，密碼鎖開鎖；否則密碼輸入無效。
2.4 顯示模塊
本電子密碼鎖的顯示模塊比較簡單，其作用是將控制模塊的BCD碼輸出轉換為7段顯示編碼，然后驅動數(shù)碼管，其仿真波形如圖6所示。
3 電子密碼鎖的整合和驗證
要完成電子密碼鎖的設計，還必須將上述三個功能模塊進行整合。其整合電路圖如圖1所示。
本設計選用杭州康芯電子有限公司生產的GW48EDA系統(tǒng)作為硬件驗證系統(tǒng)，同時選用Altera公司的EPlK30TC144-3作為主控芯片。該芯片是一種基于查找表結構的現(xiàn)場可編程邏輯器件，它的基本邏輯單元是可編程的查找表，能夠實現(xiàn)組合邏輯運算，并可用可編程寄存器實現(xiàn)時序邏輯運算。設計時只需要對電子密碼鎖整體設計中的輸入輸出引腳作引腳鎖定，然后重新編譯和下載，即可進行電子密碼鎖的硬件驗證。實驗表明：本設計能夠實現(xiàn)電子密碼鎖的全部功能。
4 結束語
本文以現(xiàn)場可編程邏輯器件(FPGA)為設計載體，以硬件描述語言(VHDL)為主要表達方式，以QuartusⅡ開發(fā)軟件和GW48EDA開發(fā)系統(tǒng)為設計工具設計了一種具有密碼輸入、數(shù)碼清除、密碼解除、密碼設置和密碼激活等功能的電子密碼鎖。同時闡述電子密碼鎖的工作原理和軟硬件實現(xiàn)方法。對該電子密碼鎖進行時序仿真和硬件驗證的結果表明：該電路能夠實現(xiàn)所要求的功能。由于本設計中的FPGA芯片體積小，功耗低，價格便宜，安全可靠，稍加修改就可以改變密碼的位數(shù)，而且維護和升級比較方便，很容易做成ASIC芯片，因而具有較好的應用前景。
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