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[導(dǎo)讀]摘要:采用VHDL硬件描述語(yǔ)言,以自頂向下的設(shè)計(jì)方法,在Quartus II 9.1的開(kāi)發(fā)環(huán)境下,設(shè)計(jì)了基于FPGA的數(shù)字密碼鎖。并選用ALTERA公司Cylone II系列的EP2C35F672C8芯片為其硬件條件,驗(yàn)證了其功能及可靠性。結(jié)果表明

摘要:采用VHDL硬件描述語(yǔ)言,以自頂向下的設(shè)計(jì)方法,在Quartus II 9.1的開(kāi)發(fā)環(huán)境下,設(shè)計(jì)了基于FPGA的數(shù)字密碼鎖。并選用ALTERA公司Cylone II系列的EP2C35F672C8芯片為其硬件條件,驗(yàn)證了其功能及可靠性。結(jié)果表明,本設(shè)計(jì)高效、穩(wěn)定、可靠!
關(guān)鍵詞:現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列;VHDL;數(shù)字密碼鎖;Quartus II

0 前言
    自古以來(lái)人們對(duì)物品安全就十分重視,數(shù)字化的今天,電子鎖正在逐步取代以往的機(jī)械鎖被廣泛運(yùn)用在門(mén)禁、銀行和保險(xiǎn)柜。然而,這些基于單片機(jī)的密碼鎖可靠性較差,而且功能拓展有限。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,人們對(duì)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(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列,它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。由于其高集成度,使得電子產(chǎn)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(shè)計(jì)師們的青睞。

1 系統(tǒng)概述
1.1 功能概述
    (1)初始密碼為000000,按C鍵設(shè)置密碼,密碼設(shè)置完成后按A鍵即上鎖。
    (2)以4×4鍵盤(pán)為輸入設(shè)備,按B鍵開(kāi)始密碼輸入,串行輸入6位密碼,輸入完成后按#鍵,確認(rèn)密碼輸入完成。七段數(shù)碼管將顯示用戶所輸入的數(shù)字。
    (3)密碼輸入正確,則開(kāi)鎖指示燈滅,若密碼輸入錯(cuò)誤或位數(shù)不足,報(bào)警燈亮。
    (4)處于報(bào)警狀態(tài)時(shí),按*鍵可解除報(bào)警。
    (5)為保證安全,系統(tǒng)只有在開(kāi)鎖狀態(tài)時(shí),按C鍵,用戶才可重新設(shè)置密碼。
1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    系統(tǒng)以4×4矩陣鍵盤(pán)為輸入設(shè)備,七段數(shù)碼管和指示燈為系統(tǒng)的輸入顯示和輸出指示器。系統(tǒng)內(nèi)部可分為以下幾個(gè)模塊:鍵盤(pán)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(jì)數(shù)器。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大致如圖1所示。


    按鍵所用開(kāi)關(guān)為機(jī)械彈性開(kāi)關(guān),當(dāng)機(jī)械觸點(diǎn)斷開(kāi)、閉合時(shí),由于機(jī)械觸點(diǎn)的彈性作用,一個(gè)按鍵開(kāi)關(guān)在閉合或斷開(kāi)時(shí)不會(huì)穩(wěn)定地接通或立即斷開(kāi),在電路上則會(huì)表現(xiàn)為連續(xù)地輸入同一個(gè)值。因此在鍵盤(pán)掃描電路里加入了鍵盤(pán)消抖程序。為使用戶能夠看到自己所輸入的密碼,將七段數(shù)碼管的顯示電路也集中到了鍵盤(pán)掃描電路內(nèi)。鍵盤(pán)掃描所用的時(shí)鐘頻率為1kHz,故將系統(tǒng)所用的1MHz的時(shí)鐘分頻為1kHz供鍵盤(pán)掃描用,以分頻模塊為例,其程序如下:
    
1.3 狀態(tài)機(jī)
    狀態(tài)機(jī)(FSM)在一個(gè)有限狀態(tài)之下以目前電路所處的狀態(tài)為準(zhǔn),一旦外加時(shí)序及輸入信號(hào)來(lái)臨,則以目前的狀態(tài)及輸入信號(hào)的變化狀況為依據(jù),產(chǎn)生下一次的狀態(tài)及電位。狀態(tài)機(jī)是密碼鎖的主要控制部分,如圖2所示,狀態(tài)分為7種,S1:密碼修改狀態(tài);S2:開(kāi)鎖狀態(tài);S3:閉鎖狀態(tài):S4:密碼輸入正確狀態(tài):S5:密碼輸入狀態(tài);S6:密碼輸入錯(cuò)誤狀態(tài);S7:報(bào)警狀態(tài)。


    系統(tǒng)上電時(shí),處于開(kāi)鎖狀態(tài),當(dāng)輸入change信號(hào)時(shí),系統(tǒng)進(jìn)入修改密碼狀態(tài);若輸入lock信號(hào),進(jìn)入安鎖狀態(tài),鎖閉合;在安鎖狀態(tài),輸入start信號(hào),進(jìn)入輸入密碼狀態(tài);在輸入密碼狀態(tài),由ps_i_l密碼脈沖作為計(jì)數(shù)時(shí)鐘,計(jì)數(shù)值輸出作為寄存器地址,當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)到6時(shí),返回計(jì)數(shù)滿信號(hào)cin,如果密碼內(nèi)容和長(zhǎng)度均正確,進(jìn)入密碼初驗(yàn)正確狀態(tài),如果密碼錯(cuò)誤,進(jìn)入密碼初驗(yàn)錯(cuò)誤狀態(tài);在密碼初驗(yàn)正確狀態(tài),輸入確認(rèn)信號(hào)enter時(shí),進(jìn)入開(kāi)鎖狀態(tài);在密碼初驗(yàn)錯(cuò)誤狀態(tài),輸入確認(rèn)信號(hào)enter時(shí),進(jìn)入報(bào)警狀態(tài);在報(bào)警狀態(tài),warn信號(hào)等于‘1’,如果輸入清楚報(bào)警信號(hào)off_al,則進(jìn)入安鎖狀態(tài)。以開(kāi)鎖過(guò)程為例,其功能仿真波形如圖3所示。



2 系統(tǒng)功能仿真
    自上而下的設(shè)計(jì)方法,是現(xiàn)代電子系統(tǒng)的新型設(shè)計(jì)策略,它從設(shè)計(jì)的總體要求出發(fā)。本文用VHDL語(yǔ)言以系統(tǒng)的整體輸入輸出作為頂層實(shí)體描述,然后進(jìn)行元件例化和位置映射。分別建立每個(gè)模塊的VHDL文件,最后由系統(tǒng)進(jìn)行整體的綜合和功能仿真。
2.1 系統(tǒng)軟件仿真
    完成系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)后,再對(duì)頂層文件進(jìn)行編譯,然后建立Vector Waveform File,編輯輸入波形后進(jìn)行功能仿真,以密碼輸入錯(cuò)誤為例,仿真結(jié)果如圖4所示,設(shè)置密碼為279235,系統(tǒng)處于閉鎖狀態(tài)時(shí),按start鍵,開(kāi)始輸入密碼8765413,密碼輸入錯(cuò)誤,則系統(tǒng)還是處于閉鎖狀態(tài),且warn變?yōu)楦唠娖健?/p>


2.2 系統(tǒng)硬件測(cè)試
    系統(tǒng)硬件測(cè)試環(huán)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(guò)JTAG調(diào)試接口將程序下載到芯片內(nèi),進(jìn)行硬件測(cè)試,首先設(shè)置密碼為654321然后上鎖,以輸入錯(cuò)誤密碼為例,輸入235689然后按#}鍵,由圖4可見(jiàn),閉鎖指示燈D3亮,表示未開(kāi)鎖,報(bào)警指示燈D4亮,表示密碼輸入錯(cuò)誤。測(cè)試結(jié)果表明設(shè)計(jì)成功。



3 結(jié)束語(yǔ)
    設(shè)計(jì)選用FPGA芯片、4×4矩陣鍵盤(pán)、七段數(shù)碼管為主要硬件,設(shè)計(jì)了一種低功耗、體積小的密碼鎖,并在硬件上驗(yàn)證了其可靠性。由于FPGA的靈活性,密碼長(zhǎng)度可根據(jù)寄存器個(gè)數(shù)而隨意改變,此設(shè)計(jì)在現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中將有廣泛應(yīng)用。

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