基于FPGA的紅外遙控密碼鎖的設(shè)計*

崔 巖，吳國興，顧媛媛，陸 惠，殷美琳

（上海師范大學(xué)天華學(xué)院 實習(xí)實訓(xùn)處，上海201815）

隨著人們生活質(zhì)量的不斷提高，如何在工作生活中實現(xiàn)安全有效的防盜成為人們所關(guān)心的問題。傳統(tǒng)的機械鎖由于其笨重、開鎖麻煩以及容易被破解破壞，已經(jīng)開始逐步退出市場[1]。本文設(shè)計的密碼鎖將鍵盤式電子密碼鎖與紅外遙控技術(shù)結(jié)合起來，在保證實現(xiàn)輸入解鎖、修改密碼功能的基礎(chǔ)下，還能進行遠距離遙控解鎖。

1 密碼鎖系統(tǒng)的工作原理

本文設(shè)計的紅外遙控密碼鎖由紅外遙控發(fā)射模塊、接收模塊、鍵盤式密碼鎖模塊及液晶顯示模塊組成。在10 m的使用范圍內(nèi)，通過紅外遙控發(fā)射器上的鍵盤輸入密碼，紅外發(fā)射器將產(chǎn)生與按鍵對應(yīng)的控制信號，在信號發(fā)送前預(yù)先對按鍵信號進行識別編碼，將數(shù)碼指令信號調(diào)制到載波上以串行數(shù)據(jù)的形式發(fā)送出去。接收器接收到來自于發(fā)射器的紅外信號后，經(jīng)過放大、濾波、解調(diào)等過程還原出基帶信號送入FPGA，通過相應(yīng)的密碼鎖解碼模塊，得到原始的按鍵信息并與原來設(shè)定的密碼進行比對，若密碼比對正確，則自動開啟；若密碼輸入3次錯誤，則自動報警。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 紅外遙控密碼鎖的系統(tǒng)框圖

2 紅外遙控密碼鎖系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 發(fā)射模塊硬件設(shè)計

本設(shè)計采用紅外編碼發(fā)射芯片BA5104及其外圍電路構(gòu)成紅外發(fā)射器，發(fā)射占空比為1/3的38 kHz方波，提供 K1～K88個按鍵外加 C1、C2兩個用戶碼，然而本設(shè)計要求有 0～9 10個按鍵，外加各種諸如清除、發(fā)射之類的功能按鈕，顯然芯片本身提供的引腳遠不能滿足設(shè)計需要。而當(dāng) K1～K8的值確定時，C1的不同取值可以得到不同的編碼?；诖丝梢詫1～K8中的一部分按鍵通過邏輯門與C1、C2連起來，使得在擴展按鍵下芯片的輸入各不相同時就可以得到能滿足設(shè)計需要的編碼。發(fā)射模塊的電路原理圖如圖2所示。K0～K13是設(shè)計的按鈕，對應(yīng)圖中的開關(guān)，根據(jù)從各個開關(guān)到BA5104所經(jīng)過的器件的不同，以上14個開關(guān)可以分成四類。LED1為發(fā)光二極管，當(dāng)有鍵被按下時開始發(fā)光，按鍵彈起時發(fā)光停止，以此判斷發(fā)射器是否正常工作。LED2為紅外發(fā)射二極管，在按鍵按下時發(fā)射載有指令信號的方波。在實際電路中，通過測試發(fā)現(xiàn)圖2所示的發(fā)射電路是完全可行的，每一個按鍵的編碼都是唯一的，不會引起任何混亂。測試得到了表1所示的按鍵編碼表。

圖2 紅外遙控發(fā)射器電路

表1 發(fā)射電路的按鍵編碼表

2.2 接收模塊硬件設(shè)計

本設(shè)計采用CX20106A芯片作為接收器件，其電路圖如圖3所示。該芯片接收到信號后經(jīng)過放大、限幅、濾波、檢波、積分、整形后以反向輸出的方式輸出指令信號，所以在接收部分的輸出端外加一個三極管構(gòu)成反向器，以得到正常的數(shù)據(jù)信號。

圖3 紅外遙控接收器電路

3 紅外遙控密碼鎖系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)的讀取

根據(jù)發(fā)射的規(guī)律，每個數(shù)據(jù)的幀頭都是110，為了減少芯片的工作量，可以設(shè)置一個解碼條件判斷幀頭是否是110。若是則進行解碼；否則丟棄該數(shù)據(jù)，不進行任何操作[2]。這里定義4種狀態(tài)用來表示數(shù)據(jù)讀取過程中的各個狀態(tài)。在IDEL（初始化）狀態(tài)下，只要下一個信號不是系統(tǒng)復(fù)位信號，就轉(zhuǎn)入WAIT（等待數(shù)據(jù)）狀態(tài)，若此時系統(tǒng)發(fā)出復(fù)位信號，則繼續(xù)留在IDEL狀態(tài)；在WAIT狀態(tài)，若檢測到有數(shù)據(jù)輸入，則進入DAIN（接收數(shù)據(jù)）狀態(tài)進行數(shù)據(jù)輸入，否則繼續(xù)停留在WAIT狀態(tài)，當(dāng)遇到復(fù)位信號時，返回IDEL狀態(tài)；在數(shù)據(jù)輸入的DAIN狀態(tài)輸入了12 bit(即一幀)數(shù)據(jù)，進入CHECK（檢測數(shù)據(jù)）狀態(tài)，判斷是否符合解碼條件，判斷結(jié)束后轉(zhuǎn)為WAIT狀態(tài)，等待下次數(shù)據(jù)的輸入，若長時間沒有完成輸入，則轉(zhuǎn)回WAIT狀態(tài)，繼續(xù)等待輸入數(shù)據(jù)，同理遇復(fù)位信號轉(zhuǎn)入IDEL狀態(tài)；在狀態(tài)機的后續(xù)程序中，根據(jù)CHECK的判斷結(jié)果按條件解碼，并根據(jù)表1輸出相應(yīng)的十進制數(shù)據(jù)。

3.2 程序設(shè)計

在密碼鎖部分的程序設(shè)計中定義5種狀態(tài)表示密碼鎖工作狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。在上電初始，系統(tǒng)首先進入IDLE狀態(tài)，并在時鐘脈沖的驅(qū)動下進入 LOCK(鎖定)狀態(tài)。在LOCK狀態(tài)下，若輸入解鎖的按鍵，則從該狀態(tài)轉(zhuǎn)換成INPA(密碼輸入)狀態(tài)；若輸入的是改密按鍵，則進入CHPA(改寫密碼)狀態(tài)。在CHPA狀態(tài)下，若輸入的是各種數(shù)字按鍵，則繼續(xù)停留在該狀態(tài)直到密碼輸入完成；若在其間兩次輸入密碼不同，則再次進入LOCK狀態(tài)。輸入時間超過一定限制時也將自動返回LOCK狀態(tài)。密碼輸入結(jié)束即轉(zhuǎn)入OPEN(開鎖)狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)處于OPEN狀態(tài)時，若輸入的密碼正確，則輸出開鎖信號；否則直接轉(zhuǎn)入LOCK狀態(tài)。對于數(shù)據(jù)接收到的指令信號，需要交給FPGA去識別判斷處理，控制液晶顯示屏顯示相應(yīng)的信息，以便直觀地判斷出是否能達到密碼鎖預(yù)想的功能[3]。

3.3 仿真結(jié)果及說明

圖4 紅外遙控數(shù)字密碼鎖的仿真波形圖

選用Verilog硬件描述語言進行編程，用Altera公司的QuartusII軟件開發(fā)系統(tǒng)進行軟件開發(fā)。QuartusII軟件開發(fā)系統(tǒng)擁有編譯、邏輯綜合、仿真等功能[4]。在QuartusII上進行設(shè)計輸入，經(jīng)編譯、校驗后[5]得到時序仿真結(jié)果驗證改密碼和開鎖的過程。下面將給出部分仿真結(jié)果及說明。

為方便描述，將圖4（a）、圖4（b）中的所有信號分別按從上到下的順序依次編號為1，2，…。如圖4(a)所示，信號1是系統(tǒng)的時鐘信號；信號2是系統(tǒng)的復(fù)位信號，低電平有效；信號3是紅外解碼模塊的時鐘，由系統(tǒng)時鐘分頻得到；信號4是輸入的紅外編碼信號；信號5、6、7反映解碼模塊的各個狀態(tài)(WAIT、DAIN、CHECK狀態(tài))的變化；信號10是數(shù)據(jù)讀取模塊中的輸出標(biāo)志位。從圖4(a)中可以看出，當(dāng)信號 4每組數(shù)據(jù)完成后，該標(biāo)志位就出現(xiàn)一個高電平。信號9是解碼后送進密碼鎖模塊的十進制信號，從圖4(a)中可以看出，發(fā)射端發(fā)送的第一個數(shù)據(jù)解碼后是十進制的11，表示要執(zhí)行改密動作，緊接著輸入的是原始密碼 1，2，3，下一個是 13,該數(shù)據(jù)表示確認的功能按鍵，然后輸入 2，4，確認，再次輸入2，4，確認，則將密碼成功修改為 24，下一個數(shù)據(jù)是十進制的10，這是表示開鎖的功能按鍵，輸入2,4確認后，打開密碼鎖。

圖4（b）中，信號 1是解碼后送進密碼鎖模塊的十進制信號；信號3、4、5、6依次是密碼鎖程序狀態(tài)機中的 LOCK、CHPA、INPA、OPEN狀態(tài)。從信號 6可以看出，此時的OPEN狀態(tài)出現(xiàn)了一個高電平，表示這時鎖已經(jīng)打開了；信號7是修改密成功標(biāo)志位，對照信號1可以明顯看出，當(dāng)修改密成功時，信號7出現(xiàn)了一個正脈沖；信號8是記時開始標(biāo)志位，當(dāng)開鎖成功后，該標(biāo)志被置高電平，開始計時，當(dāng)計時滿足一定條件時重新進入鎖定狀態(tài)；信號9是上鎖標(biāo)志，在輸入錯誤次數(shù)達到3次或開鎖狀態(tài)下計時時間到時啟動上鎖；信號10是密碼寄存器，從圖中可以看出，最開始儲存的密碼是000123，在改密后變成了000024。

本文使用FPGA器件并加入紅外遙控技術(shù)實現(xiàn)對密碼鎖的設(shè)計，大大增強了密碼鎖的安全性。經(jīng)過仿真測試，驗證了本設(shè)計方法能滿足密碼鎖的各種功能要求，實現(xiàn)了預(yù)期效果。

[1]武玉華，路而紅，張磊．?dāng)?shù)字密碼鎖專用集成電路的設(shè)計[J]．計算機測量與控制，2010，18(12)：2842-2845．

[2]鮑曉宇，黃松齡，劉國．PLD器件在紅外遙控解碼中的應(yīng)用[J]．電子技術(shù)應(yīng)用，2000，26(1)：67-70．

[3]王冠，愈一鳴．面向 CPLD/FPGA的 Verilog設(shè)計[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[4]王金明，楊吉斌．?dāng)?shù)字系統(tǒng)設(shè)計與 Verilog HDL[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[5]Alter Corporation.QuartusⅡVersion 8.1 Handbook[EB/OL]．(2008)[2013].http：//www.altera.com.