一種基于FPGA狀態(tài)機(jī)的智能電子密碼鎖的設(shè)計

摘要：電子密碼鎖和普通機(jī)械鎖相比具有很多優(yōu)點(diǎn)，廣泛適用于商業(yè)、辦公、個人等應(yīng)用領(lǐng)域。本文討論了一種基于FPGA的電子密碼鎖的設(shè)計方案，軟件部分采用狀態(tài)機(jī)描述的方法實現(xiàn)，采用狀態(tài)機(jī)的描述方法，可以使程序的編寫清晰簡化，具有一定的實用價值。

關(guān)鍵詞：電子密碼鎖；FPGA；狀態(tài)機(jī)

中圖分類號：TP311.52 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007—9599 （2012） 14—0000—02

一、引言

電子密碼鎖是一種通過輸入密碼來控制開鎖、閉鎖的數(shù)字電子產(chǎn)品。和傳統(tǒng)機(jī)械鎖相比，電子密碼鎖具有許多優(yōu)點(diǎn)：無需配鑰匙，僅需憑密碼實現(xiàn)開閉鎖；保密性比機(jī)械鎖高；操作簡單，只需要用按鍵進(jìn)行控制即可；密碼可以反復(fù)改變；當(dāng)密碼輸入錯誤還可以進(jìn)行聲光報警等。

電子密碼鎖的實現(xiàn)方法很多，以芯片為控制核心的密碼鎖是目前市場上的主流產(chǎn)品，這類產(chǎn)品主要以單片機(jī)的控制實現(xiàn)密碼鎖的主要功能。EDA技術(shù)是目前數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的核心和發(fā)展方向，本文討論了一種通過狀態(tài)機(jī)描述實現(xiàn)電子密碼鎖的設(shè)計方法，采用FPGA器件實現(xiàn)核心控制功能，由于FPGA器件具有在線可編程的特點(diǎn)，可以對系統(tǒng)實現(xiàn)升級和擴(kuò)展。

二、電子密碼鎖的系統(tǒng)功能要求

該電子密碼鎖可以在FPGA芯片的控制下實現(xiàn)以下功能：

（1）系統(tǒng)上電復(fù)位后，可通過“設(shè)置密碼”鍵，設(shè)定6位數(shù)字密碼。

（2）每輸入一位密碼，都在LED數(shù)碼管上進(jìn)行移位顯示。密碼設(shè)置好后，按“上鎖”鍵進(jìn)行上鎖操作。

（3）在閉鎖狀態(tài)下，按“核對密碼”鍵，可以輸入密碼開鎖，且每輸入一位密碼，在數(shù)碼管上移位顯示“—”，提示已輸入密碼的位數(shù)。

（4）輸入四位核對密碼后，按“開鎖”鍵，若密碼正確則系統(tǒng)開鎖，若密碼錯誤三次以內(nèi)，則系統(tǒng)仍然處于閉鎖狀態(tài)。

（5）密碼連續(xù)輸錯三次，蜂鳴器發(fā)出警告信號響10秒鐘。

三、系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)

該系統(tǒng)以FPGA芯片作為核心控制部件，實現(xiàn)密碼鎖的主要功能。采用4×4矩陣鍵盤作為數(shù)據(jù)和控制信號輸入，由LED數(shù)碼管動態(tài)顯示、蜂鳴器等作為輸出部分。

（一）核心控制電路

由FPGA芯片作為核心控制部件，實現(xiàn)密碼的主要功能。本設(shè)計采用Altera公司的Cyclone系列芯片，該系列芯片片內(nèi)資源豐富，片外只需擴(kuò)展時鐘、電源、配置電路、I/O擴(kuò)展接口即可。

（二）鍵盤輸入電路

本方案采用4×4矩陣鍵盤產(chǎn)生輸入控制信號和數(shù)字密碼。矩陣鍵盤只需4條行線和4條列線進(jìn)行控制，節(jié)省了FPGA芯片的I/O口資源。該電路配備消抖動電路、按鍵掃描信號、按鍵數(shù)據(jù)緩存等模塊即可工作。

數(shù)字鍵盤中共有“0—9”10個數(shù)字鍵，另外6個按鍵為功能鍵。功能鍵的設(shè)定如下：

1.設(shè)置密碼鍵：按下后可以輸入四位數(shù)字密碼，考慮到密碼鎖的實際使用，在鎖開狀態(tài)時該鍵有效，鎖閉時無效。

2.核對密碼鍵：按下后，可輸入四位密碼進(jìn)行核對。該鍵在鎖開狀態(tài)下無效，鎖閉狀態(tài)下有效。

3.上鎖鍵：在設(shè)置密碼狀態(tài)下輸入設(shè)置的密碼后，按下該鍵，系統(tǒng)進(jìn)行閉鎖操作。

4.開鎖鍵：在核對密碼狀態(tài)下，輸入4位密碼后，若密碼正確，系統(tǒng)發(fā)出開鎖控制信號進(jìn)行開鎖操作，密碼有誤則不開鎖。

5.清除鍵：在設(shè)置密碼或核對密碼時，按下此鍵可以清除前面輸入的密碼，等待重新輸入。

6.復(fù)位鍵：按下該鍵，系統(tǒng)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，考慮到實際應(yīng)用，該鍵只在鎖開的狀態(tài)下有效。

（三）顯示電路

本方案采用四位動態(tài)顯示的數(shù)碼管顯示密碼，在設(shè)置密碼時移位顯示密碼的值，在核對密碼的時候移位顯示“—”，確保密碼安全。

四、系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)

在Quarters II軟件平臺下，編寫VHDL語言源文件，實現(xiàn)FPGA的邏輯功能。軟件的設(shè)計采用狀態(tài)機(jī)的描述法，將密碼鎖的控制過程分為準(zhǔn)備、設(shè)置密碼、核對密碼、開鎖、閉鎖等狀態(tài)，不同狀態(tài)之間的切換通過相應(yīng)的控制信號來完成。

S0：復(fù)位狀態(tài)，系統(tǒng)上電復(fù)位后或“復(fù)位”信號有效即進(jìn)入此狀態(tài)，在該狀態(tài)下可進(jìn)行密碼的設(shè)置。

S1：設(shè)置密碼狀態(tài)，在該狀態(tài)可設(shè)置4位數(shù)字密碼，并允許進(jìn)行“清除”操作。

S2：閉鎖狀態(tài)，設(shè)置密碼成功后進(jìn)入該狀態(tài)，F(xiàn)PGA存儲密碼并控制機(jī)械鎖閉合。

S3：核對密碼狀態(tài)：在該狀態(tài)下可進(jìn)行密碼核對操作，允許進(jìn)行“清除”操作。

S4：開鎖狀態(tài)，4位密碼核對正確后，進(jìn)入該狀態(tài)，F(xiàn)PGA控制機(jī)械鎖打開并將存儲區(qū)內(nèi)保存的密碼清除。在該狀態(tài)下按“復(fù)位”鍵，可回到狀態(tài)S0。

S5：核對一次錯誤狀態(tài)，核對密碼時，輸入一次錯誤進(jìn)入此狀態(tài)。

S6：核對兩次錯誤狀態(tài)， 核對密碼時，輸入兩次錯誤進(jìn)入此狀態(tài)。

S7：核對三次錯誤狀態(tài)，此時FPGA控制蜂鳴器發(fā)出10秒的報警音。

各個狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖1所示：

五、結(jié)束語

本設(shè)計采用狀態(tài)機(jī)的描述方法實現(xiàn)密碼鎖的邏輯功能，基于狀態(tài)機(jī)的編程方法使程序結(jié)構(gòu)清晰，在Quarters II軟件平臺下通過編譯、鎖定引腳、配置，系統(tǒng)的仿真結(jié)果和設(shè)計要求一致，能夠完成控制任務(wù)。由于FPGA的可重復(fù)編程性，可在此基礎(chǔ)上還通過修改源程序和相應(yīng)外圍電路對密碼鎖的功能進(jìn)行升級和擴(kuò)展，該密碼鎖的設(shè)計和開發(fā)方法靈活、高效，具有一定的實際應(yīng)用價值。

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[作者簡介]侯靜（1983—），女，陜西省西安市，助教，研究生，研究方向：電子信息技術(shù)。