基于FPGA的电子密码锁设计与实现

【摘 要】电子密码锁是一种通过密码输入来控制电路或是芯片工作，从而控制机械开关的闭合，完成开锁、闭锁任务的电子产品。本文主要阐述了一种基于现场可编程门阵列FPGA器件的电子密码锁的设计方法，用FPGA器件构造系统，所有算法完全由硬件电路来实现，使得系统的工作可靠性大为提高。

【关键词】FPGA 电子密码锁 原理 设计

一、电子密码锁的产生

随着科学技术的发展，在安全技术防范领域，具有防盗报警功能的电子密码锁逐渐兴起，技术上正日趋成熟，功能也越来越大。电子密码锁是一种通过密码输入来控制电路或是芯片工作，从而控制机械开关的闭合，完成开锁、闭锁任务的电子产品[1]。现在应用较广的电子密码锁是以芯片为核心，通过编程来实现的。其性能和安全性已大大超过了机械锁[2][3]，特点如下：①保密性好，编码量多，远远大于弹子锁，随机开锁成功率几乎为零；②密码可变，用户可以经常更改密码，防止密码被盗，同时也可以避免因人员的更替而使锁的密级下降；③误码输入保护。

二、基于FPGA的电子密码锁的原理

（一）FPGA的工作原理

FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输出输入模块IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分。FPGA的基本特点主要有：①采用FPGA设计ASIC电路，用户容易得到合用的芯片；②FPGA可做其他全定制或半定制ASIC电路的中试样片；③FPGA内部有丰富的触发器和I/O引脚；④FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。

（二）QuartusⅡ开发设计平台

本设计使用Altera公司的QuartusⅡ软件开发平台。QuartusⅡ软件平台能满足各种特定设计的需要，是FPGA/CPLD开发集成环境，也是单芯片可编程系统（SOPC）设计的综合性环境。

三、基于FPGA的电子密码锁的设计

（一）电子密码锁的设计要求

电子密码锁的设计要求：①需具有密码锁输入功能；②设置复位按键，以便重新输入新的密码；③在密码管上显示输入次数；④拒绝接受超过规定次数的密码输入信号；⑤当输入密码正确时，在数码管上显示字符H，当输入密码不正确时，在数码管上显示字符E。

（二）电子密码锁的方案设计

设计电子密码锁采用VDHL语言输入的方式实现[4]，通常，开发实验板上有10个按键K1～K10，其中K1～K9作为密码输入按键，K10作为复位按键，以便重新开始输入新的密码。

电子密码锁采用状态机和对按键输入次数计数相结合的方法，保证只有输入正确的密码，状态机才能转换到最后正确的状态，显示开锁字符。程序由6个进程组成：进程P1和P2将8Hz标准信号分频后，产生0.5s的脉冲信号（carry），与按键输入信号配合，消除按键输入的抖动，并作为状态转换进程P4的时钟输入信号；进程P3琐存按键输入信号，为状态机提供一个稳定的按键输入信号；进程P4将下一个状态（next_state）转换为当前状态（state），进程P5产生次态信号（next_state），只有当有按键输入和状态转移控制信号en为逻辑“1”时才能产生次态信号，进程P4和P5是电子密码锁的核心，密码的设置也是编写状态机时确定的；进程P6对按键输入次数计数，并且为显示按键输入次数的七段译码器BCD码数据。进程判断按键输入次数是否已输入了3次：如果输入密码的次数小于等于3，则状态转移控制信号en为逻辑“1”；如果输入密码的次数大于3，则状态转移控制信号en为逻辑“0”，当仍有密码输入时，禁止状态发生变化。

四、电子密码锁的时序仿真验证

电路设计完成后，需要进行功能仿真和时序仿真，验证设计结果是否满足设计要求。时序仿真在文件综合后，由FPGA适配器映射于具体的芯片，得到文件进行仿真，与器件具体特性有关，包含了器件和布线的延时信息，按要求运行仿真器并输入相应参数进行验证。

五、总结

用FPGA器件构造电子密码锁的设计方法，所有算法完全由硬件电路来实现，并且由于FPGA具有现场可编程功能，当设计需要更改时，只需更改FPGA中的控制和接口电路，利用EDA工具将更新后的设计下载到FPGA中即可，无须更改外部电路的设计，大大提高了设计的效率。

【参考文献】

[1]王卫兵，刘克刚，朱秋萍.用FPGA的电子密码锁[J].电子技术，2005，32（01）：26-28.

[2]许琦.基于FPGA的电子密码锁的设计[J].科技信息（学术版），2006（10）：10-11.

[3]李连华.基于FPGA的电子密码锁设计[J].中国科技信息，2006（01）：63.

[4]刘钰，张有志.一种用VHDL语言设计的数字密码锁[J].信息技术与信息化，2004（04）：37-40.