一種FPGA密碼鎖的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系 楊建松 孫朝偉 井新宇

隨著現(xiàn)在社會(huì)科技水平的不斷進(jìn)步，生活水平質(zhì)量的不斷提升，人們對(duì)安全防范意識(shí)也變得更加重視，對(duì)家庭防盜意識(shí)也越來越高。傳統(tǒng)機(jī)械鎖的結(jié)構(gòu)過于簡(jiǎn)單，防盜系數(shù)過低已無法保證人們的家庭安全，有的還因此損失錢財(cái)。而具有現(xiàn)場(chǎng)可編程功能的FPGA芯片，跟基于單片機(jī)密碼鎖和傳統(tǒng)密碼鎖相比較，如果拿它來構(gòu)成系統(tǒng)，可靠性能會(huì)更好，這樣有利于密碼鎖的更改與升級(jí)，使之變得更加便捷。

1 裝置設(shè)計(jì)要求及其指標(biāo)

本次設(shè)計(jì)硬件方面需要使用FPGA開發(fā)板以及軟件Quartus II，VHDL語言編程設(shè)計(jì)密碼鎖電路實(shí)現(xiàn)密碼鎖電路功能。

設(shè)計(jì)要求：

產(chǎn)品有按鍵輸入密碼和手機(jī)藍(lán)牙輸入密碼兩種方式，用戶可自行選擇輸入密碼方式。

產(chǎn)品在按鍵模式下輸入密碼成功可以進(jìn)行修改密碼操作，手機(jī)藍(lán)牙模式下不能修改密碼。

密碼輸入成功之后會(huì)有LED提示開鎖成功，密碼輸入失敗后蜂鳴器會(huì)響應(yīng)20S，期間不能再輸入密碼。

2 系統(tǒng)原理分析

2.1 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理

直流電機(jī)的工作原理就是把電樞線圈中感應(yīng)的交變電動(dòng)勢(shì)，靠換向器配合電刷的換向作用，使之從電刷端引出時(shí)變?yōu)橹绷麟妱?dòng)勢(shì)的原理。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向按右手定則確定。導(dǎo)體受力的方向用左手定則確定。

2.2 藍(lán)牙工作原理

藍(lán)牙設(shè)備使用無線電波連接手機(jī)和電腦。藍(lán)牙產(chǎn)品包含一塊小小的藍(lán)牙模塊以及支持連接的藍(lán)牙無線電和軟件。當(dāng)兩臺(tái)藍(lán)牙設(shè)備想要相互交流時(shí)，它們需要進(jìn)行配對(duì)。藍(lán)牙設(shè)備之間的通信在短程的臨時(shí)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行。

3 系統(tǒng)方案

3.1 系統(tǒng)分析

本系統(tǒng)使用5V外接電源，EP1C3T144CN單片機(jī)讀取有沒有人按按鍵，并且按照按鍵指令進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的操作。如果通過按鍵或手機(jī)藍(lán)牙成功輸入密碼后LED燈顯示開鎖的狀態(tài)，單片機(jī)打開門鎖。如果沒有在規(guī)定時(shí)間內(nèi)通過按鍵或手機(jī)輸入正確的密碼，LED燈顯示關(guān)鎖狀態(tài)，并且蜂鳴器發(fā)出警報(bào)，在此期間不得再次輸入密碼。

3.2 系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理圖

3.3 主控芯片選擇

EP1C3T144C8N是一個(gè)表面貼裝現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列芯片，它具有著2910個(gè)邏輯元件。它是一款入門級(jí)的FPGA芯片，大約3000個(gè)LE，引腳的個(gè)位數(shù)為144，具有8ns的內(nèi)部門延遲時(shí)間。工作電源電壓：1.5V～3.3V；最大工作頻率：250MHz。

4 硬件設(shè)計(jì)

4.1 電源電路

FPGA采用5V供電，AMS1117-3.3V得到3.3V，AMS1117-1.2V得到1.2V。并裝配了自恢復(fù)PTC保險(xiǎn)絲，可最大程度的降低使用過程中意外短路引起的電路損壞。

4.2 數(shù)碼管顯示電路

FPGA采用了2個(gè)4位8段共陽LED數(shù)碼管，通過S8550芯片驅(qū)動(dòng)位信號(hào)，數(shù)碼管采用共陽數(shù)碼管，點(diǎn)亮段碼和位碼均為低電平有效。

4.3 蜂鳴器電路

圖2 藍(lán)牙門鎖原理圖

FPGA裝配了1個(gè)無源蜂鳴器，低電平有效，S8050進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，此時(shí)FPGA可以通過產(chǎn)生一定頻率的方波來驅(qū)動(dòng)發(fā)聲一定頻率對(duì)應(yīng)著一定的音調(diào)。

4.4 藍(lán)牙電路

這里我選用的是HC-06藍(lán)牙串口通信模塊，是基于Bluetooth Specification V2.0帶EDR藍(lán)牙協(xié)議的數(shù)傳模塊。無線工作頻段為2.4GHz ISM，調(diào)制方式是GFSK。模塊最大發(fā)射功率為4dBm，接收靈敏度-85dBm，板載PCB天線，可以實(shí)現(xiàn)10m距離通信。藍(lán)牙電路原理如圖3所示。

圖3 藍(lán)牙電路原理圖

4.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖

這里我采用門鎖電機(jī)，TC118S(單通道直流馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理如圖4所示。

圖4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖

5 軟件設(shè)計(jì)

軟件模塊：

藍(lán)牙智能門鎖軟件模塊如圖6所示。

圖6 藍(lán)牙智能門鎖軟件模塊

（1）按鍵處理模塊

系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為50MHz，經(jīng)過50000分頻，得到1KHz脈沖信號(hào)，作為按鍵消抖出理的時(shí)鐘信號(hào)，通過狀態(tài)轉(zhuǎn)換檢測(cè)按鍵狀態(tài)實(shí)現(xiàn)按鍵延時(shí)消抖，RST-修改密碼按鍵、Set_PWD-數(shù)字選擇按鍵、Sel_DIG-輸入密碼按鍵、Inp_OK-修改密碼確認(rèn)按鍵、Set_OK-復(fù)位按鍵。

（2）密碼設(shè)置與開鎖控制模塊

系統(tǒng)復(fù)位時(shí)，密碼為系統(tǒng)原始密碼；只有輸入密碼正確并且設(shè)置密碼按鍵（RST）按下后才能修改密碼，即完成密碼的裝載；在非設(shè)置密碼狀態(tài)，按下數(shù)字選擇鍵（Set_PWD），輸入密碼和蜂鳴器響應(yīng)20S（OvSPK）均未完成時(shí)，啟動(dòng)StSPK蜂鳴開啟信號(hào)；按數(shù)字選擇鍵（Set_PWD），選擇0～9數(shù)字；按數(shù)字輸入完成鍵（Sel_DIG），統(tǒng)計(jì)輸入密碼個(gè)數(shù)為1～4；在不違時(shí)的情況下（EnSPK=0）可以進(jìn)行輸入密碼；非設(shè)置密碼情況下，輸出密碼，密碼正確驅(qū)動(dòng)電磁鎖開鎖，設(shè)置密碼情況下，輸入設(shè)置的密碼，輸出新密碼。StSPK為啟動(dòng)發(fā)聲信號(hào)，EnSPK為發(fā)聲使能信號(hào)，OvSPK為發(fā)聲完成信號(hào)。

（3）顯示譯碼模塊

采用數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描的原理，將4為二進(jìn)制密碼（Password）譯碼為7段碼，在LED數(shù)碼管顯示。動(dòng)態(tài)掃描的頻率有系統(tǒng)時(shí)鐘頻率分頻得到。

（4）發(fā)聲控制模塊

模塊得到StSPK啟動(dòng)發(fā)聲信號(hào)啟動(dòng)蜂鳴器，準(zhǔn)備5s，鳴響20s，并產(chǎn)生EnSPK發(fā)聲使能信號(hào)和OvSPK發(fā)聲完成信號(hào)，鳴響的頻率為1KHz。

6 測(cè)試結(jié)果

表1 藍(lán)牙門鎖使用情況

本文設(shè)計(jì)的藍(lán)牙門鎖，基于FPGA和藍(lán)牙模塊，可以使用兩種方式進(jìn)行開門處理，一種是按鍵密碼開鎖，另一種是設(shè)計(jì)藍(lán)牙密碼開鎖，兩種都可以進(jìn)行開鎖，不過只有按鍵方式可以修改密碼，藍(lán)牙不能修改密碼。