基于FPGA的電子密碼鎖的研制

隨著社會物質(zhì)財富的日益增長，安全防盜已成為人們所關(guān)注的焦點。然而傳統(tǒng)機械彈子鎖安全性低，密碼量少且需時刻攜帶鑰匙使其無法滿足一些特定場合的應(yīng)用要求,特別是在人員經(jīng)常變動的公共場所，如辦公室、賓館、汽車、銀行柜員機等地方。由于電子密碼鎖具有語音提示、防盜報警、易于系統(tǒng)升級與功能擴展的優(yōu)勢，越來越受到人們的青睞。目前使用的電子密碼鎖主要有兩個方案：一是基于單片機用分立元件實現(xiàn)的，二是通過現(xiàn)代人體生物特征識別技術(shù)實現(xiàn)的，前者電路較復雜且靈活性差，無法滿足應(yīng)用要求；后者有其先進性但需考慮成本和安全性等諸多因素。基于此，本文設(shè)計了一種新型電子密碼鎖，采用FPGA芯片，利用先進的EDA技術(shù)、ALTERA公司的QUATUSII軟件開發(fā)平臺進行設(shè)計。系統(tǒng)采用VHDL硬件編程語言對系統(tǒng)建模，并利用狀態(tài)機(FSM)實現(xiàn)對消抖電路及主控模塊的設(shè)計[1]。

1 系統(tǒng)功能描述

本設(shè)計主要實現(xiàn)以下六個功能：

(1)初始密碼設(shè)置:系統(tǒng)上電后輸入4位數(shù)字并按“*”后密碼設(shè)置成功系統(tǒng)進入上鎖狀態(tài)。為了實際需要，系統(tǒng)另設(shè)置了一個4位數(shù)的優(yōu)先級密碼，當用戶忘記密碼或被他人更改密碼后，可以用優(yōu)先級密碼清除所設(shè)密碼。
(2)密碼更改：為了密碼安全及避免誤操作，只能在開鎖狀態(tài)下先輸入舊密碼后才能更改系統(tǒng)密碼，然后輸入4位新密碼后按“*”。
(3)解鎖：輸入密碼或優(yōu)先級密碼后按“#”，系統(tǒng)即解鎖。
(4)密碼保護：密碼輸入錯誤時，系統(tǒng)自動記錄一次錯誤輸入，當錯誤輸入次數(shù)等于3次時，系統(tǒng)報警并使鍵盤失效5分鐘，以免密碼被盜。
(5)清除輸入錯誤：當輸入數(shù)位小于4位時可以按“*”清除前面所有的輸入值，清除為“0000”。
(6)系統(tǒng)復位：按“*”和“#”后系統(tǒng)即復位到初始狀態(tài)。考慮到實際情況，系統(tǒng)只在密碼更改狀態(tài)和系統(tǒng)初始狀態(tài)下才能復位。

2 系統(tǒng)設(shè)計思路

本文采用自頂向下的模塊化設(shè)計方法，先對系統(tǒng)級進行功能描述，再進行功能模塊的劃分，最后分別對各個子模塊進行VHDL建模。所設(shè)計的電子密碼鎖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1 時鐘產(chǎn)生模塊

此模塊主要功能是產(chǎn)生時鐘信號和鍵盤掃描信號。主要產(chǎn)生三個時鐘信號(16 Hz、64 Hz、100 kHz)，分別為系統(tǒng)各個功能模塊提供時鐘驅(qū)動信號。其中鍵盤掃描模塊包括在時鐘產(chǎn)生模塊中，用來產(chǎn)生掃描信號。由于要產(chǎn)生多個時鐘信號，因此該模塊的VHDL程序分別用三個進程來處理。

密碼輸入一般采用機械式和觸摸式兩種鍵盤。由于機械式鍵盤具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、應(yīng)用廣泛等優(yōu)點，本設(shè)計采用機械式3×4鍵盤矩陣。其按鍵分布及鍵值編碼如圖2所示。其中‘*’、‘#’為多功能組合鍵。鍵盤掃描電路用來產(chǎn)生掃描信號KH[3..0]，其按照1110-1101-1011-0111...的規(guī)律循環(huán)變化,并通過KC[2..0]來檢測是否有鍵按下。例如，當掃描信號為1011時,鍵6、7、8所對應(yīng)的行為低電平，此時若8鍵被按下，則KC2為低電平，KC[2..0]輸出為011。如果沒有鍵被按下，則KC[2..0]輸出為111。其他鍵也是類似原理。特別值得注意的是鍵盤掃描電路掃描時鐘的確立，如果掃描時鐘不合適，將產(chǎn)生鍵按下時反應(yīng)太慢，或KC[2..0]產(chǎn)生錯誤的輸出。一般為20 Hz，本設(shè)計通過實驗證明掃描時鐘取16 Hz較為合適。

2．2 按鍵消抖模塊

本設(shè)計采用機械鍵盤，其缺點是易產(chǎn)生抖動，因此鍵盤輸出KC[2..0]必須經(jīng)過消抖電路后才能加入到鍵盤編碼模塊，以避免多次識別。此模塊采用狀態(tài)機設(shè)計，其狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖3所示。只有當連續(xù)檢測到3次低電平輸入，模塊才輸出一次低電平。消抖電路的時鐘選擇很關(guān)鍵，選擇不當則不能正常工作。因為鍵盤掃描電路的時鐘是16 Hz且掃描信號為4組循環(huán)輸出，所以消抖電路要能夠在4個鍵盤掃描時鐘內(nèi)檢測出是否有鍵按下就必須設(shè)置其時鐘信號至少為鍵盤掃描時鐘的4倍。本設(shè)計采用64 Hz作為消抖模塊的時鐘驅(qū)動信號，實驗證明能達到設(shè)計要求。

2.3 鍵盤編碼模塊

上述的鍵盤中可分為數(shù)字鍵和功能鍵，其中數(shù)字鍵用來輸入數(shù)字，但鍵盤所產(chǎn)生的信號KC[2..0]并不能直接用于鍵盤輸入處理模塊，因此必須由鍵盤編碼電路對數(shù)字按鍵的輸出形式進行規(guī)劃。同時多功能鍵‘*’、‘#’也分別被規(guī)劃為“1010”和“1011”。另外，在系統(tǒng)規(guī)劃時，也將系統(tǒng)復位電路規(guī)劃在此模塊內(nèi)，復位信號是由鍵盤編碼模塊和系統(tǒng)主控模塊輸出的系統(tǒng)復位輔助信號mm共同作用產(chǎn)生，從而實現(xiàn)只能在密碼更改狀態(tài)和系統(tǒng)初始狀態(tài)下才能進行系統(tǒng)復位，確保系統(tǒng)安全可靠。


2.4 按鍵輸入處理模塊

按鍵輸入處理模塊用來儲存每次按鍵產(chǎn)生的值，以免覆蓋前面輸入的數(shù)據(jù)，此模塊使用串行移位寄存器對依次輸入的4位十進制數(shù)字進行存儲。按鍵輸入超過4位時，后面的輸入將被忽略。

2.5 顯示模塊

為了節(jié)省I/O管腳和芯片內(nèi)部資源，本設(shè)計采用動態(tài)掃描的方法進行顯示。模塊用100 kHz時鐘信號和人眼的視覺暫留效應(yīng)使4位數(shù)碼管看起來像是同時點亮。圖4是根據(jù)VHDL代碼所繪制的顯示模塊框圖。其中多路數(shù)據(jù)選擇器是由按鍵次數(shù)（NC）控制選擇哪一個數(shù)碼管和哪一組輸入數(shù)據(jù)。

2.6 系統(tǒng)主控模塊

此模塊是系統(tǒng)的核心控制模塊，系統(tǒng)的所有控制行為都是由它完成的，采用狀態(tài)機（FSM）來描述系統(tǒng)的控制行為。由于多進程編程狀態(tài)機的輸出是由組合電路發(fā)出的，因此在一些特定情況下容易產(chǎn)生毛刺現(xiàn)象。如果這些輸出信號被用作時鐘信號，則極易產(chǎn)生錯誤的驅(qū)動。因此本設(shè)計采用單進程來實現(xiàn)狀態(tài)機，其優(yōu)勢是由時序器件同步輸出，輸出信號不會出現(xiàn)毛刺現(xiàn)象，從而很好地避免了競爭冒險的發(fā)生。缺點是與多進程狀態(tài)機相比，輸出信號要晚一個時鐘周期[2]。通過反復試驗在VHDL編程時將輸出信號與狀態(tài)轉(zhuǎn)換同步進行，從而很好地解決了輸出信號滯后的問題。圖5為主控模塊的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。其中S0為系統(tǒng)上電初始化狀態(tài)，也是系統(tǒng)復位后所轉(zhuǎn)入的狀態(tài)。此狀態(tài)下系統(tǒng)未設(shè)置密碼。本設(shè)計設(shè)置S0狀態(tài)的另一主要原因是考慮到一個完備的狀態(tài)機(健壯性強)應(yīng)該具備初始化狀態(tài)和默認狀態(tài)。當芯片加電或者復位后，狀態(tài)機應(yīng)該能夠自動將所有判斷條件復位，并進入初始化狀態(tài)。但需要強調(diào)的是，大多數(shù)FPGA有GSR(Global Set/Reset)信號，當FPGA加電后，GSR信號拉高，對所有的寄存器，RAM等單元復位/置位，這時配置于FPGA的邏輯并未生效；不能保證正確地進入初始化狀態(tài)。所以使用GSR企圖進入FPGA的初始化狀態(tài)，常常會產(chǎn)生種種不必要的麻煩[3]。S1為上鎖狀態(tài)，S2為解鎖狀態(tài)，S3為解鎖錯誤次數(shù)記錄狀態(tài)，S4為系統(tǒng)報警狀態(tài)，S5為開鎖狀態(tài)，S6為密碼更改狀態(tài)。以S5狀態(tài)為例給出S5狀態(tài)的VHDL代碼:

When s5=>
clr_nc=‘0’;
MMA=‘0’;
ED=‘1’;
EA=‘1’;
EB=‘1’;
alarma=‘0’;
unen_keya=‘0’;
if NC=4 and keyout_fun=1011 then
if REGS=ACC or PW=ACC then
states=s1;
clr_nc=‘1’;
else
clr_nc=‘1’;
end if;
elsif NC=4 and keyout_fun=1010 then
--transfer to the state of changing PW-
if REGS=ACC or REGS=PW then
--after entering the right previous PW.
states=s6;
clr_nc=‘1’;
else
clr_nc=‘1’;
end if;
end if;

3 主要功能模塊的仿真

圖6是鍵盤編碼模塊的時序仿真圖。其中信號mm是主控模塊，用來限制復位條件，即只在S0和S6狀態(tài)下產(chǎn)生復位信號RR；信號rst_key和unen_key共同控制鍵盤，也是來自主控模塊；sn是模塊輸出信號，為高電平時表示有數(shù)字鍵被按下；sf為高電平時表示有功能鍵被按下。從仿真圖上可知，模塊設(shè)計滿足要求。

　圖7是主控模塊的時序仿真圖。其中信號NC等于4表示連續(xù)輸入了4個數(shù)字，信號nn記錄密碼輸入錯誤次數(shù)。由圖可知，系統(tǒng)初始狀態(tài)為S0，設(shè)置密碼后為S1，經(jīng)過3次輸入錯誤的密碼時系統(tǒng)進入S4，再輸入密碼后返回S1。在S1時輸入密碼后經(jīng)過S2進入開鎖狀態(tài)S5，再輸入密碼后則進入密碼更改狀態(tài)S6，然后設(shè)置新密碼，設(shè)置成功后返回S1，滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。在S6時，系統(tǒng)新密碼要在S5轉(zhuǎn)入S6后的下一時鐘上升沿時才被系統(tǒng)接受，這主要是因為在S5轉(zhuǎn)S6狀態(tài)時需要輸入舊密碼或優(yōu)先級密碼進行確認的原故。在工程實踐中，考慮到實際按鍵要比系統(tǒng)時鐘慢，所以在此期間，不可能輸入4位數(shù)字,因而系統(tǒng)不會出現(xiàn)密碼遺漏的問題。而其他狀態(tài)下，輸出信號與狀態(tài)轉(zhuǎn)換是一致的，這樣就克服了輸出信號比多進程晚一個時鐘周期的缺點。

本文介紹了在FPGA可編程邏輯器件上利用狀態(tài)機（FSM）實現(xiàn)的電子密碼鎖，從實際工程設(shè)計角度闡述了其工作原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、軟件設(shè)計方法、系統(tǒng)調(diào)試及設(shè)計注意點。實現(xiàn)了對密碼設(shè)置、密碼更改、上鎖、解鎖、密碼防盜報警等功能。文中對主要模塊的程序進行了時序仿真，并在FPGA（EP1C6Q240C8）上下載實現(xiàn)，仿真與實測結(jié)果都表明該密碼鎖滿足功能設(shè)計要求，且系統(tǒng)工作穩(wěn)定。此電子密碼鎖是以實際需求為出發(fā)點來完成研制的，具有很好的實用價值和市場前景。