基于FPGA數(shù)字PWM調(diào)制的智能安全鎖設(shè)計

陳 皓，佟 浩，靳光浩，鐘 菲

（長春工程學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，吉林 長春 130012）

1 技術(shù)原理

1.1 PWM調(diào)制

脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）是通過鋸齒波/三角波（載波）與所需要合成的波形（調(diào)制波）進行比較，然后確定PWM所需要輸出的信號，如圖1所示。PWM的輸出波形是一系列大小相等的脈沖，具有操作簡單、靈活性好以及反應(yīng)速度快等特點[1-4]。

圖1 PWM調(diào)制過程

1.2 FPGA

現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）在可編程陣列邏輯（Programmable Array Logic，PAL）和通用陣列邏輯（Generic Array Logic，GAL）等可編程器件的基礎(chǔ)上得到進一步開發(fā)。FPGA作為專用集成電路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）領(lǐng)域的重要元件，克服了定制電路和原始可編程器件門數(shù)有限的缺點，廣泛應(yīng)用于通信行業(yè)。與傳統(tǒng)芯片設(shè)計模式相比，F(xiàn)PGA可以借助特定的芯片模型對許多領(lǐng)域的產(chǎn)品進行優(yōu)化。從芯片器件的角度來看，F(xiàn)PGA本身構(gòu)成了半定制電路中的典型集成電路，包括數(shù)字管理塊、嵌入式單元、輸出單元以及輸入單元[5-7]。

1.3 可見光通信

可見光通信可以提供大量潛在的可用帶寬，在普通發(fā)光二極管（Light-Emitting Diode，LED）燈泡上安裝微芯片可以控制其每秒閃爍數(shù)百萬次。當閃爍頻率極快時，人眼無法察覺到LED燈泡的亮滅變化，而光敏傳感器可以直接接收到這些變化。二進制數(shù)據(jù)被快速編碼為光信號，1代表亮、0代表滅，計算機通過特殊的接收裝置接收到在光信道中傳輸?shù)男盘枴Ｓ纱丝梢?，光通信的安全性較高，有效規(guī)避了傳輸信息被惡意攔截讀取[8]。

2 智能安全鎖設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

基于FPGA數(shù)字PWM調(diào)制的智能安全鎖系統(tǒng)總體由發(fā)射端和接收端組成，如圖2所示。其中，發(fā)射端由密碼設(shè)置模塊、密碼加密模塊、調(diào)制模塊以及可見光發(fā)射電路組成，接收端由可見光接收電路、解調(diào)模塊、密碼解密模塊以及對比驗證模塊等組成。

圖2 系統(tǒng)組成

在發(fā)射端，首先對用戶密碼進行編碼加密，其次將加密后的信號調(diào)制成易于傳輸?shù)臄?shù)字信號，最后通過光通信電路以光信號的形式傳輸調(diào)制信號。在接收端，首先由光通信電路接收到光信號后并將其轉(zhuǎn)換成電信號，其次對接收到的信號進行解調(diào)并恢復(fù)為原始信號，最后將還原出的信號與用戶設(shè)置的密碼進行對比驗證，驗證成功則完成開鎖，驗證不成功則保持上鎖狀態(tài)不變[9-11]。

2.2 發(fā)射端設(shè)計

首先通過密碼設(shè)置模塊來設(shè)置用戶密碼，將設(shè)置的密碼經(jīng)過密碼加密模塊進行加密，其次經(jīng)過調(diào)制模塊進行調(diào)制，最后將已調(diào)信號通過可見光發(fā)射電路以光信號的形式發(fā)送出去。其中，加密模塊采用曼徹斯特碼編碼的方式進行加密，如圖3所示。

圖3 曼切斯特編碼

曼徹斯特碼采用電平的跳變來表示要傳輸?shù)亩M制信息，而不是簡單的高低電平。在一個時鐘周期里，原本的高電平（1）在曼徹斯特碼中用高電平到低電平的跳變來表示（1到0）；低電平（0）在曼徹斯特碼中用低電平到高電平的跳變來表示（0到1）。

編碼后的信號進入到調(diào)制模塊，調(diào)制模塊中由FPGA生成鋸齒波作為載波，如圖4所示。

圖4 FPGA生成鋸齒波

設(shè)置一個8位的寄存器，每個時鐘周期加1，每滿255自動變?yōu)?，這樣就可以得到輸出頻率為時鐘頻率1/256的鋸齒波。其中，時鐘頻率為1 MHz，1個時鐘周期為1 000 ns，則通過寄存器累加得到的鋸齒波的時間周期為256 000 ns。將編碼后的信號8位組成一組，與生成的鋸齒波進行對比，從而得出輸出信號，如圖5所示。

圖5 信號對比

采用以上方式，用戶可以自由選擇密碼的類型，可以是語音密碼，也可以是數(shù)字密碼，將用戶設(shè)定的密碼通過編碼和調(diào)制處理實現(xiàn)雙重加密。

2.3 接收端設(shè)計

在接收端，由可見光接收電路將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，再將信號送入到解調(diào)模塊。在解調(diào)模塊中，先對信號進行濾波，濾除傳輸過程中受到的環(huán)境光干擾，然后對濾波后的信號進行解調(diào)。信號解調(diào)后進入到解密模塊進行解密，將解密后的信號與密碼進行比對，如果認證成功則完成開鎖，如果認證失敗則一直保持上鎖狀態(tài)。

選擇級聯(lián)積分梳狀（Cascaded Integrator Comb，CIC）濾波器，該濾波器結(jié)構(gòu)簡單，沒有乘法器，只有加法器、積分器以及寄存器。CIC濾波器的沖激響應(yīng)為

式中：M為濾波器的長度。CIC濾波器是一種具有線性相位的特殊有限長單位沖激響應(yīng)（Finite Impulse Response，F(xiàn)IR）濾波器，其系統(tǒng)函數(shù)為

對于多級系統(tǒng)而言，可以在處理信號的流程中重新排列處理順序，使系統(tǒng)能夠以更便捷的方式實現(xiàn)。如果線性系統(tǒng)后面緊跟著倍抽取器，則存在的關(guān)系式為

式（3）表明調(diào)換線性系統(tǒng)的抽取系統(tǒng)的處理順序，即先進行抽取，然后進行線性濾波，這樣就可以將線性濾波器的長度降低M倍。根據(jù)式（3）得出占用資源最少的CIC濾波器結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

圖6 CIC濾波器結(jié)構(gòu)

2.4 實物成果

基于FPGA數(shù)字PWM調(diào)制的智能安全鎖實物外觀如圖7所示。

圖7 實物外觀

將光鑰匙對準光接收端進行密碼認證，認證成功后順時針轉(zhuǎn)動開關(guān)即可完成開鎖，逆時針轉(zhuǎn)動開關(guān)將實現(xiàn)上鎖。在實際測試中，拿出光鑰匙一照就能開鎖，是不同于傳統(tǒng)智能鎖的全新開鎖方式。光的傳輸速度快、保真性高，為產(chǎn)品穩(wěn)定運行打下良好基礎(chǔ)。依托數(shù)字信號技術(shù)的優(yōu)勢，該智能門鎖可以實現(xiàn)零延遲的解鎖速度和高級別的安全保密性能。

3 結(jié) 論

基于FPGA數(shù)字PWM調(diào)制的智能安全鎖得益于編碼調(diào)制等數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用，可以使用戶根據(jù)其自身需要設(shè)定密碼，將多樣化密碼調(diào)制成便于在光信道中傳輸?shù)男盘枺瑸橛脩籼峁└嗟倪x擇。同時，實現(xiàn)用戶密碼的多重加密，確保用戶密碼的安全性和唯一性。可見光的物理性質(zhì)特殊，沒有被截獲和被復(fù)制的風(fēng)險，信息安全更有保障。