基于FPGA的電子密碼鎖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李建軍，胡苗苗

（廣西民族師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，廣西崇左532200）

0 引 言

伴隨著智慧生活和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，電子密碼鎖取代傳統(tǒng)鎖具已成為一種必然的趨勢(shì)。但目前電子密碼鎖類(lèi)鎖具在國(guó)內(nèi)運(yùn)用多偏向于公共場(chǎng)合，普通家庭使用的依然主要為普通鎖具，智能電子密碼鎖是智慧生活的一個(gè)重要組成部分。相對(duì)于傳統(tǒng)鎖具來(lái)說(shuō)，用FPGA所開(kāi)發(fā)的密碼鎖更加地方便可靠，可以在不需要鑰匙的情況下有效地保護(hù)個(gè)人空間［1］。電子密碼鎖解決了鑰匙被盜配，鎖具被撬等安全隱患。因此研制一款能夠?qū)崿F(xiàn)智能感知、智能分析及智能控制的低成本、高效率、安全可靠的多功能智能電子密碼鎖具有重要的意義。

系統(tǒng)主要包括FPGA、矩陣鍵盤(pán)、語(yǔ)音模塊、LCD顯示屏作為系統(tǒng)智能記憶與交互部分。

1 系統(tǒng)工作原理

用戶(hù)通過(guò)鍵盤(pán)輸入密碼數(shù)字并與預(yù)先設(shè)定好的數(shù)字進(jìn)行對(duì)比，以此來(lái)判斷輸入的密碼正確與否。根據(jù)比對(duì)結(jié)果FPGA通過(guò)I／O口輸出信號(hào)控制電磁開(kāi)關(guān)或者提示電路，從而達(dá)到控制開(kāi)鎖或者發(fā)出警告的目的。

研究中，本設(shè)計(jì)可剖解為如下模塊：芯片控制部分、按鍵輸入電路、液晶顯示屏模塊、報(bào)警電路，電源模塊。

8位數(shù)字密碼鎖具的總體設(shè)計(jì)框架如圖1所示。系統(tǒng)由主控芯片、鍵盤(pán)掃描電路、警告線路、顯示線路共同組成［2］。以FPGA為控制核心，通過(guò)鍵盤(pán)輸入開(kāi)鎖，經(jīng)由提示燈提示，系統(tǒng)將輸入的數(shù)字與設(shè)定的數(shù)字進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果顯示屏顯示密碼鎖狀態(tài)，密碼匹配錯(cuò)誤超過(guò)一定次數(shù)后，蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警。系統(tǒng)簡(jiǎn)單穩(wěn)定，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件是整個(gè)系統(tǒng)的研究基礎(chǔ)，并將直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠等方面的重要性能［3］。本系統(tǒng)硬件設(shè)備的組成設(shè)計(jì)可探討分述如下。

2.1 主控芯片EP1C3T100的介紹

FPGA器件選用 Altera公司開(kāi)發(fā)的EP1C3T100C8芯片。EP1C3T100C8是 FPGA（可編程邏輯器件）系列的嵌入式器件，不僅用途廣泛、市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值高，而且將其投入到制作生產(chǎn)過(guò)程中所需成本低廉，因而受到廣大開(kāi)發(fā)商的青睞。EP1C3T100C8器件主要由4部分組成，分別是：I／O單元、EAB（嵌入式陣列塊）、快速通道線、LAB（邏輯陣列塊）。其中，LAB在系統(tǒng)中主要用來(lái)接收設(shè)計(jì)輸入進(jìn)行編譯解析后形成的數(shù)據(jù)格式，LAB接收得多，內(nèi)存占用過(guò)多則會(huì)影響整體的工作效率，因而開(kāi)發(fā)另一個(gè)存儲(chǔ)渠道，即把接收到的數(shù)據(jù)格式部分儲(chǔ)存到EAB中。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 System chart

2.2 報(bào)警電路

系統(tǒng)采用蜂鳴器報(bào)警。蜂鳴器工作時(shí)所需的電流較大，F(xiàn)PGA的IO端口無(wú)法驅(qū)動(dòng)，因此在實(shí)際報(bào)警設(shè)計(jì)中引入了放大電路來(lái)增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力。

2.3 LCD1602 顯示屏

LCD1602為工業(yè)字符型液晶。在工作中，能在同一時(shí)間顯示出16×02、即32個(gè)字符。1602液晶，又稱(chēng)為1602字符型液晶。LCD1602作為液晶體具有一定的物理性質(zhì)，在工作過(guò)程中主要根據(jù)控制指令在屏幕上顯示出符號(hào)、字母等信息。LCD1602在應(yīng)用中呈現(xiàn)內(nèi)容豐富、效果直觀并且價(jià)格低廉，常被廣泛用于各類(lèi)電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，如數(shù)碼相機(jī)、電子手表等。

2.4 鍵盤(pán)控制電路結(jié)構(gòu)與原理

按鍵有獨(dú)立式按鍵和行列式按鍵。在基于FPGA電子密碼鎖的研發(fā)中，采用了4×4矩陣鍵盤(pán)，總共設(shè)置了14個(gè)按鍵功能。該次研究將按鍵設(shè)計(jì)為行列式結(jié)構(gòu)，工作過(guò)程中對(duì)I／O接口進(jìn)行逐行逐列的動(dòng)態(tài)掃描，從而形成按鍵回路。也就是說(shuō)，每個(gè)按鍵將基于橫向布局的4根及豎向布局的4根、總共8根I／O口線進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描，每根I／O接口的工作狀態(tài)是相互獨(dú)立，互不干擾的。4×4鍵盤(pán)占用的I／O資源少，電路配置靈活，并且軟件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)主控制流程

密碼鎖在進(jìn)入工作狀態(tài)后，當(dāng)用戶(hù)輸入正確密碼并按下確認(rèn)鍵后才可開(kāi)門(mén)，在門(mén)開(kāi)的狀態(tài)下，按下新密碼的設(shè)置鍵后，輸入新密碼，再按確認(rèn)鍵方可對(duì)密碼進(jìn)行重新設(shè)置［4］。輸入的密碼在顯示屏上顯示出來(lái)，顯示在屏幕最右邊的是最后輸入的數(shù)字，每輸入一位數(shù)字，密碼在數(shù)碼管上的顯示便會(huì)往左移一位。系統(tǒng)的初始密碼為123456，也就是接通電源后，按下123456及確認(rèn)鍵即可開(kāi)門(mén)。系統(tǒng)控制流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)控制流程圖Fig.2 System control flow chart

輸入密碼、并且按下確定鍵后，若此密碼并非正確密碼，此時(shí)門(mén)仍舊上鎖，顯示屏清屏，計(jì)數(shù)器加1，系統(tǒng)允許用戶(hù)進(jìn)行再次輸入密碼操作。若密碼再次錯(cuò)誤，系統(tǒng)反應(yīng)同上。若密碼輸入錯(cuò)誤，計(jì)數(shù)器累計(jì)達(dá)到4次，揚(yáng)聲器發(fā)出警報(bào)聲。直到按下復(fù)位鍵后，計(jì)數(shù)器清0，警報(bào)聲停止，系統(tǒng)再次進(jìn)入工作狀態(tài)。

3.2 系統(tǒng)仿真演示結(jié)果

輸入密碼235689，相應(yīng)鍵值波形為高電平。密碼錯(cuò)誤，計(jì)數(shù)器加1；輸入密碼2688，密碼錯(cuò)誤，計(jì)數(shù)器加為2；輸入密碼295988，密碼錯(cuò)誤，計(jì)數(shù)器加為3；輸入密碼123456，密碼正確，有開(kāi)門(mén)信號(hào)，pass為高電平，LED持續(xù)發(fā)光。仿真波形結(jié)果如圖3所示。系統(tǒng)調(diào)試后的結(jié)果即如圖4、圖5所示。

圖3 仿真波形圖Fig.3 Simulation waveform

圖4 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果1Fig.4 Debugging result 1

圖5 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果2 Fig.5 Debugging result 2

4 結(jié)束語(yǔ)

基于FPGA的電子密碼鎖，相對(duì)于一般的基于軟件控制的密碼鎖具有成本低、實(shí)用性強(qiáng)、可靠性高的特點(diǎn)。通過(guò)測(cè)試可知，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)正常的開(kāi)鎖、報(bào)警、密碼修改、保存密碼等功能，各參數(shù)均滿足設(shè)計(jì)要求。隨著科技的不斷發(fā)展，未來(lái)的電子密碼鎖將會(huì)更加智能化，更加安全。