1、基于FPGA的四位電子密碼鎖設(shè)計與實現(xiàn)摘要：針對于傳統(tǒng)密碼鎖安全性能低及可靠性差等問題，立足于芯片中數(shù)據(jù)存儲的保密性，運用EDA技術(shù)自頂向下的設(shè)計方法，提出了基于FPGA的四位電子密碼鎖的設(shè)計與實現(xiàn)方法，所設(shè)計的四位電子密碼鎖具有解鎖、密碼修改、報警提示及液晶顯示功能。設(shè)計分析與仿真結(jié)果表明，基于FPGA所設(shè)計的四位電子密碼鎖保密性更高、靈活性更好，使得數(shù)據(jù)存儲的整體可靠性增強，為提高數(shù)據(jù)的保密性提供了新的解決方案。關(guān)鍵詞：密碼鎖；FPGA;保密性；EDA技術(shù)；DesignandImplementationof4-BitElectronicCipherLockBasedonFPGAWANGGu

2、o-qiangLIShang-fuWANGFeiXIELi-liWANGQinSUNBaiSchoolofElectronicEngineering,HeilongjiangUniversity;Abstract:Traditionallockfacessafetyproblemoflowperformanceandpoorreliability.Basedonthedatastoredinthechipofconfidentiality,andusingEDAtechnologytop-downdesignapproach,weproposedthedesignandimplementati

3、onofa4-bitFPGA-basedelectroniclock,whichprovidesunlock,passwordchange,alarmandLCDfunctions.DesignanalysisandsimulationresultsshowthatthedesignedFPGA-basedelectroniclockprovidesbetterconfidentiality,flexibilityandreliabilityfordatastorage.Thisapproachprovidesanovelsolutionforimprovingdataconfidential

4、ity.Keyword:Codedlock;FPGA;Confidentiality;EDAtechnology;0引言隨著時代的發(fā)展，人們生活水平逐步提高，同時安全意識也日益增強，如何實現(xiàn)家庭防盜這一問題就尤其突出。傳統(tǒng)的機械鎖由于其構(gòu)造簡單，鎖芯直接外露，導(dǎo)致被撬的事情比比皆是。因此，隨著電子技術(shù)工業(yè)的發(fā)展，數(shù)字電子技術(shù)已經(jīng)深入到人們的日常生活中，層出不窮的電子產(chǎn)品也向著高端方向發(fā)展，電子密碼鎖也就應(yīng)運而生，在生活安全領(lǐng)域，具有防盜、報警功能的電子密碼鎖完全打破了機械密碼鎖的密碼量少和安全性差的缺點s。電子密碼鎖的復(fù)雜性，需要設(shè)計專門的電子電路和技術(shù)，許多相關(guān)研究機構(gòu)和組織的科可靠性研人員

5、進行了大量研究。目前該領(lǐng)域的研究主要集中在如何使電子密碼鎖體積縮小、，所以設(shè)計一款安全、可靠和廉價提高、成本降低、續(xù)航能力增強以及應(yīng)用范圍提升等方面的電子鎖有著重大的意義區(qū)。1電子密碼鎖的系統(tǒng)框圖本設(shè)計系統(tǒng)由主控芯片（FPGA）、顯示電路、報警電路和開/關(guān)門電路組成，而主控芯片又可分為按鍵處理部分、控制部分和譯碼顯示部分。系統(tǒng)原理圖如圖1所示。圖1系統(tǒng)原理圖下載原圖2設(shè)計原理及流程設(shè)計采用傳統(tǒng)的硬件電路設(shè)計方法來設(shè)計系統(tǒng)的硬件。基于FPGA電子密碼鎖更，將開鎖電路、執(zhí)行電路、報警電路巴和鍵盤輸入次數(shù)鎖定電路等完整地集成在一個電路板；包括輸入電路模塊、密碼識別電路模塊、密碼錯誤報警模塊和顯示模塊

6、。通過鍵盤輸入密碼，用FPGA作為中控芯片，配以硬件的電路，接收代碼，跟存儲中的密碼進行比對，如果密碼正確則驅(qū)動電磁執(zhí)行器進行開鎖回，密碼不正確，允許再次輸入密碼，若連續(xù)3次輸入錯誤，則通過通信線路引導(dǎo)智能報警系統(tǒng)進行報警。其中，中控芯片又可分為按鍵處理部分、控制部分和譯碼顯示部分回，用電磁繼電器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械式密碼鎖，用數(shù)碼管顯示輸入的數(shù)字，由于采用的是可編程邏輯器件FPGA,使得系統(tǒng)有相當(dāng)大的靈活性，隨時可以進行硬件升級、擴展。而且系統(tǒng)設(shè)計完善以后還可以將主控的FPGA固化成一片ASIC，那么這塊ASIC就可以作為專用的數(shù)字密碼鎖芯片。該電子密碼鎖通過各個*II塊間的相互配合，利用密碼識別

7、模塊檢驗其準(zhǔn)確性，根據(jù)準(zhǔn)確性來激發(fā)報警模塊。最終將會顯示其是否成功，然后執(zhí)行解開鎖功能來完成既定的安全任務(wù)。3四位電子密碼鎖的設(shè)計與實現(xiàn)3.1 輸入電路模塊本密碼鎖采用四位二進制編碼作為密碼進行輸入，輸入電路模塊即借助DE2開發(fā)板這個平臺，利用四個去抖按鍵鍵入密碼，一個撥動開關(guān)作為復(fù)位鍵。由于按鍵上面沒有確切的數(shù)字,本設(shè)計通過程序設(shè)定：K0、K1、K2和K3分別對應(yīng)二進制數(shù)字0、1。所以密碼共有2=16種組合方式，相對比較繁瑣，不易破解。輸入電路模塊作為人機交互的模塊，其作用就是傳遞人與機器間的信息，即通過對按鍵的識別進行采集，并傳遞給中控芯片。3.2 密碼識別電路模塊密碼識別電路模塊是接收中

8、控芯片傳遞給它的密碼信息進行識別。首先通過對程序編程預(yù)置初始密碼，然后隨著中控芯片收到輸入電路模塊的密碼信息后螞，發(fā)送命令給密碼識別電路模塊，讓與預(yù)置的初始密碼進行比對，不論正確與否，該模塊都會將比對后的信息反饋回中控芯片。3.3 密碼錯誤報警模塊當(dāng)中控芯片收到密碼識別電路模塊反饋的信息后，判斷該密碼是否正確；如若錯誤，中控芯片則會發(fā)送信息給密碼錯誤報警模塊，該模塊會觸發(fā)導(dǎo)致響鈴報警，并使報警燈LEDD0燈熄滅。3.4 顯示模塊顯示模塊包括字符液晶顯示屏和LED燈兩個部分。字符液晶顯示屏能清晰地顯示輸入的密碼，以防止由于失誤鍵入錯誤密碼，而LED燈能直觀地表示出密碼輸入的正誤，二者相輔相成，使

9、本設(shè)計更人性化，更加利于操作。3.5 各個模塊具體實現(xiàn)3.5.1 FPGA有限狀態(tài)機本設(shè)計是通過FPGA有限狀態(tài)機來實現(xiàn)園，設(shè)計有限狀態(tài)機最開始的工作時要確定電路包括哪些狀態(tài)，比如某個電路包括4個狀態(tài)，S0、Sl、S2和S3。然后對所有狀態(tài)給出一個狀態(tài)編碼，比如為狀態(tài)S0賦予編碼00,為狀態(tài)Sl賦予編碼01,為狀態(tài)S2賦予編碼10,為狀態(tài)S3賦予編碼11。狀態(tài)編碼是狀態(tài)的標(biāo)識，保存在寄存器當(dāng)中，對于此編碼形式，只需一個2位的寄存器就可以了。如圖2所示，有限狀態(tài)機應(yīng)該包括以下狀態(tài)：密碼為輸入前的等待狀態(tài)、輸入密碼時的等待狀態(tài)、輸入密碼正確時的通過狀態(tài)、輸入密碼錯誤時的警報狀態(tài)。圖2有限狀態(tài)機的狀

10、態(tài)下載原圖其中當(dāng)密碼輸入時又可包括以下狀態(tài)：正常輸入狀態(tài)、異常輸入狀態(tài)（包括命令狀態(tài)）。圖3（該圖是在程序編譯后,tools->Netiist_Vewers->RTLVewer得到的）表示了密碼輸入時候的次狀態(tài)機，表示了4個密碼輸入的順序狀態(tài)，以及輸入完成后的等待確認(rèn)狀態(tài)。圖3密碼輸入的次狀態(tài)機下載原圖3.5.2 密碼的輸入本次密碼鎖的密碼輸入采用FPGA芯片上的4位單個按鍵K0、K1、K2和K3,在前面的輸入電路模塊中已提到：每個按鍵都有0和1兩種表現(xiàn)形式，通過程序，按下按鍵表示密碼“1沒有按鍵表示密碼“0”假如要更改車入的數(shù)字，可以按復(fù)位鍵，重新按鍵。密碼輸入4位按鍵后可以自動

11、檢驗密碼的正誤。3.5.3 密碼的顯示密碼顯示采用數(shù)碼管動態(tài)掃描顯示9,初始時顯示4位密碼，當(dāng)輸入密碼后數(shù)碼管的第1位、第2位、第3位、第4位會依次顯示輸入的密碼，錯誤后復(fù)位可以重新輸入。密碼顯示采用的是記錄密碼的寄存器的數(shù)據(jù)，顯示掃描的掃描時間設(shè)置為1ms左右，這樣顯示不會出現(xiàn)閃爍或者殘影10。3.5.4 電路的識別當(dāng)輸入密碼正確時，中控芯片會進行判斷識別，通過LED燈來顯示輸入的密碼正確與否。當(dāng)密碼輸入正確時,LEDD3燈亮。3.5.5 警報識別電路當(dāng)密碼輸入錯誤時，系統(tǒng)會進行報警，使LED燈顯示為1110，即LEDD0亮。并且反饋給中控芯片觸發(fā)報警模塊，當(dāng)警報過一段時間之后，系統(tǒng)會進入W

12、aits狀態(tài),然后恢復(fù)初始狀態(tài)。3.5.6 密碼鎖控制電路密碼鎖的控制電路是實現(xiàn)鎖的功能",當(dāng)密碼輸入正確后，輸入信號通過中控芯片向密碼鎖控制電路發(fā)出命令進行解鎖。密碼鎖控制電路的主要部分便是電磁繼電器。這里的電磁繼電器就相當(dāng)于鎖，之前已提出當(dāng)信號正確便會通過中控芯片，密碼鎖控制電路實現(xiàn)既定功能。使用電子密碼鎖的時候，只會用到兩種工作模式電，一種是密碼輸入正確后自動開鎖，另一種是密碼錯誤向中控芯片反饋信息并報警。4仿真結(jié)果與性能分析本文設(shè)計對于密碼鎖模塊功能的仿真將采用Quartersn軟件來實現(xiàn)。4.1 仿真流程在完成編寫、編譯VHDL程序后，則進行仿真驗證VHDL程序。仿真流程圖

13、如圖4所示。原始信號1的用）LED燈全亮圖4仿真流程圖下載原圖4.2 密碼識別電路仿真當(dāng)密碼輸入1111正確之后，LED燈對應(yīng)數(shù)值變成0111,此時表示解鎖通過。同時，在經(jīng)過一段時間之后，LED燈又變成了初始值0010，如圖5所示。012345671625*9酬苗050同*clkO.3-.21.0國dif13aMBKMcalUMBnIon«lrtrol圖5密碼識別電路仿真結(jié)果下載原圖本設(shè)計全局時鐘設(shè)置為50MHz、zero1、one1、yes、three1即為鍵入密碼的輸入信號,復(fù)位鍵resetb一直處于高電平狀態(tài)，即沒有復(fù)位、0、1、2、3作為輸出信號分別對應(yīng)燈LEDD0、LEDD

14、1、LEDD2、LEDD3,高電平時LED燈滅，低電平LED燈亮。當(dāng)輸入信號都為高電平時，即輸入密碼為1111，輸出信號3為低電平，即LEDD3燈亮。4.3 警報識別電路仿真當(dāng)密碼輸入1110錯誤之后,LED燈變成1110，此時表示報警。同時，在經(jīng)過一段時間之后,LED燈又變成了初始值0010。如圖6所示。圖6警報識別電路仿真結(jié)果下載原圖5結(jié)束語數(shù)據(jù)安全是衡量系統(tǒng)保密性的重要指標(biāo)，因此,對于密碼鎖的研究十分重要。本文基于ALTERA公司的DE2開發(fā)板，所有算法完全由硬件電路來實現(xiàn)，使得系統(tǒng)的工作可靠性大為提高；同時由于FPGA具有在系統(tǒng)可編程功能，當(dāng)設(shè)計需要更改時，只需更改FPGA中的控制和接

15、口電路，利用EDA工具將更新后的設(shè)計下載到FPGA中即可，無需更改外部電路的設(shè)計.大大提高了設(shè)計的效率，充分發(fā)揮了該芯片的作用。該密碼鎖采用四位按鍵輸入密碼，操作簡單。并且借助FPGA這個工作平臺，將密碼輸入模塊、密碼識別模塊、錯誤報警模塊和顯示模塊有機地結(jié)合在一起，使之構(gòu)成一個完善的系統(tǒng)，完成了數(shù)字電子密碼鎖的密碼錄入、密碼識別功能，并通過LED燈的顯示能清晰地判斷輸入密碼是否正確。研究及仿真結(jié)果表明，四位密碼鎖安全性更高，可靠性更強。未來的研究將進一步總結(jié)各種安全技術(shù)的特點，為后續(xù)設(shè)計安全系數(shù)更高的密碼鎖提供新的思路。參考文獻1劉瀟婷.基于FPGA的紅外遙控電子密碼鎖的實現(xiàn)D.大連:大連大

16、學(xué),2008.2楊曉慧，楊永健.基于FPGA的EDA/SOPC技術(shù)與VHDLM.北京：國防工業(yè)出版社,2007:35-36.3王衛(wèi)兵，劉克剛，朱秋萍.用FPGA的電子密碼鎖J.電子技術(shù),2010(01):26-28.4曾繁泰.EDA工程方法學(xué)M.北京:清華大學(xué)出版社,2011:30-47.5潘松,王國棟.VHDL實用教程M.成都：電子科技大學(xué)出版社,2010:13-17.6簡弘倫精通VerilogHDLIC設(shè)計核心技術(shù)實例詳解M.北京：電子工業(yè)出版社,2005:80-82.7趙世霞，楊豐，劉揭生.VI固與微機接口設(shè)計J.電子技術(shù),2009(02):16-18.8康寧.FPGA設(shè)計與應(yīng)用M.北京：清華大學(xué)出版社,2003:13-14.9王道憲.CPLD/FPGA可編程邏輯器件應(yīng)用與開發(fā)D.北京:北京交通大學(xué)，2004:24-27.10 GarrodSAR,BornsRJ.The