【正文】 WHEN 0111 = LED7S =0000111 。 END 。 基于 FPGA 的電子密碼鎖設(shè)計(jì) 29 圖 七段數(shù)碼管電路圖 BCD 七段譯碼器的輸入時(shí)一位 BCD 碼 （以 D、 C、 B、 A 表示） ，輸出是數(shù)碼管各段的驅(qū)動(dòng)信號 （以 Fa~Fg 表示） ，也稱 4——7 譯碼器。 mimain:密碼輸入標(biāo)志 ，用于提供密碼輸入信號。 基于 FPGA 的電子密碼鎖設(shè)計(jì) 26 對密碼控制電路模塊進(jìn)行時(shí)序仿真如下圖 : FLAG_N 為數(shù)字輸出標(biāo)志，高電平時(shí)確認(rèn)輸出數(shù)字， FLAG_F 為功能輸出標(biāo)志，密碼控制模塊根據(jù) 4 位按鍵輸入在判斷其為功能輸入還是 數(shù)字輸入后輸出 16 位 BCD 碼。 END IF 。139。 。 上鎖 /開鎖控制進(jìn)程 LOCK_PROCESS : BLOCK IS BEGIN PROCESS(CLK, DATA_F) IS BEGIN IF (CLK39。 THEN 基于 FPGA 的電子密碼鎖設(shè)計(jì) 25 IF NC 4 THEN ACC = ACC(11 DOWNTO 0) amp。 BEGIN RST = RR2。139。 1: LOCK, 0: UNLOCK DATA_BCD: OUT STD_LOGIC_VECTOR (15 DOWNTO 0))。 USE 。 （ 3）由于這里設(shè)計(jì)的是一個(gè)四位的電子密碼鎖，所以當(dāng)輸入的數(shù)字鍵超過預(yù)設(shè)位數(shù)時(shí)，電路不予理會，而且不再顯示以后的數(shù)字。 c：鍵盤輸入去抖后的寄存器 ，用于鍵盤去抖后存儲鍵盤輸入的寄存器。 kscan：鍵盤掃描序列（仿真時(shí)用） ，為按鍵掃描提供信號。 6 WHEN 10011 = N = 0111 。139。 END BLOCK COUNTER 。 去抖時(shí)鐘信號 , 大約 125 Hz C_KEYBOARD = Q(2 DOWNTO 1) 。 掃描信號發(fā)生器 COUNTER : BLOCK IS SIGNAL Q: STD_LOGIC_VECTOR(5 DOWNTO 0)。 THEN Q =D。139。 END ENTITY DCFQ 。 0 = Q0。139。 BEGIN VCC = 39。 D_OUT, D_OUT1: OUT STD_LOGIC )。 (2) 對于不穩(wěn)定的噪聲，在 4 ms 以下則至多抽樣一次。 從圖 中可以觀察出彈跳現(xiàn)象產(chǎn)生的原因， 雖然每次只是按下按鍵一次然后放掉，然而實(shí)際產(chǎn)生的按鍵信號卻不知跳動(dòng)一次，經(jīng)過取樣信號的檢查后，將會造成誤判斷，以為鍵盤按了兩次。 系統(tǒng)原始時(shí)鐘脈沖 (1 kHz) KEY_IN: IN STD_LOGIC_VECTOR (2 DOWNTO 0)。 圖 電子密碼鎖的輸入電路框圖 矩陣式鍵盤是一種常見的輸入裝置， 在日常的生活中，矩陣式鍵盤在計(jì)算機(jī)、電話、手機(jī)、微波爐等各式電子產(chǎn)品上已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。 作為電子密碼鎖的輸入電路，數(shù)字密碼輸入電路可采用一個(gè) 44 的通用開發(fā)板上的鍵盤作為本設(shè)計(jì)的輸入設(shè)備?？紤]種種因素主要 是成本和使用壽命因素，本設(shè)計(jì)采用通用的數(shù)字機(jī)械式鍵盤 。 （ 2）數(shù)碼清除：按下此鍵可清除前面所有的輸入值，清除為 “0000”。 方案的提出 方案一：采用數(shù)字電路控制。 編碼制式的選擇 編碼制式應(yīng)根據(jù) NT 的大小選取，可分為如下三種： （ 1）密碼的各位都可以重碼： NT1=ai； （ 2）密碼的非相鄰位可以重碼： NT2=a(a1)i； （ 3）密碼的任何一位都不能重碼： NT3=a(a1)……(a i+1)。顯然要使密碼鎖保密安全性高， NT 應(yīng)盡可能大，使 P 趨于零，但 NT 越大，相應(yīng)電路越復(fù)雜，密碼的記憶與操作也越麻煩。這三種仿真貫穿系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的全過程，從而可以在系統(tǒng)設(shè)計(jì) 早期發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的問題，與傳統(tǒng)的自下而上的后期仿真相比大大縮短系統(tǒng)的設(shè)計(jì)周期，并且利于方案的綜合評價(jià)與選取。使用庫中的包集合時(shí)，在打開庫后要用 USE 語句說明，例如： LIBRARY IEEE； USE ； 配置 配置語句從一個(gè)庫中為一個(gè)實(shí)體選擇一個(gè)特定的結(jié)構(gòu)體，是一種放在庫中的被編輯單元，并有相應(yīng)的配置名。根據(jù)對一個(gè)器件設(shè)計(jì)由抽象到具體的過程，可把結(jié)構(gòu)體的描述方式分為三個(gè)層次：行為描述方式、寄存器傳輸描述方式（ RTL）和結(jié)構(gòu)描述方式。 語言的基本結(jié)構(gòu) VHDL（ Very high speed integrated circuit Hardware Description Language）硬件描述語言從高于邏輯級的抽象層次上描述硬件的功能、信號連接關(guān)系及定時(shí)關(guān)系。而行為級模型只是規(guī)定 其功能，無延時(shí)信息，跟工藝無關(guān)，但門級模型和版圖級模型跟工藝密切相關(guān)。 基于 FPGA 的電子密碼鎖設(shè)計(jì) 5 圖 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程 （左邊的箭頭線太短了，最好和右邊對稱） 對于 FPGA 的設(shè)計(jì)而言，不需要關(guān)心電路級和版圖級，只考慮系統(tǒng)級、算法級、RTL 級、門級 4 個(gè)層次的行為域描述和結(jié)構(gòu)域描述即可。需要說明的是，如果仿真驗(yàn)證不對或者某一步有錯(cuò)，就要返回修改。在實(shí)際應(yīng)用中，由于程序容易跑飛，系統(tǒng)的可靠性能較差。但較實(shí)用的還是按鍵式電子密碼鎖。鎖自古以來就是把守護(hù)門的鐵將軍，人們對它要求甚高，既要安全可靠的防盜，又要使用方便，這也是制鎖者長期以來研制的主題。 本文介紹的基于 FPGA 的電子密碼鎖電路具有顯示接口，顯示時(shí)可以是明文也可以是密文星號。 隨著技術(shù)的發(fā)展，科技的日趨夜新電子密碼鎖種類比較多，發(fā)展更是快。用 FPGA 器件構(gòu)造系統(tǒng)，所 有算法完全由硬件電路來實(shí)現(xiàn)，使得系統(tǒng)的工作可靠性大為提高。目前使用的電子密碼鎖大部分是基于單片機(jī)技術(shù)，以單片機(jī)為主要器件，其編碼器與解碼器的生成為軟件方式。 控制模塊的實(shí)現(xiàn) ..................................................................................... 27 電子密碼鎖顯示模塊 .......................................................................................... 28 II 數(shù)碼管顯示原理 ..................................................................................... 28 譯碼顯示的實(shí)現(xiàn) ..................................................................................... 31 5 系統(tǒng)仿真 ......................................................................................................................... 32 系統(tǒng)的有關(guān)編譯與仿真 ...................................................................................... 32 去抖模塊的仿真 .................................................................................................. 32 密碼鎖輸入電路的仿真 ...................................................................................... 33 密碼鎖控制電路的仿真 ...................................................................................... 34 系統(tǒng)整體仿真 ...................................................................................................... 35 數(shù)碼管譯碼器仿真 .............................................................................................. 36 6 .結(jié)束語 ............................................................................................................................. 37 致謝 ..................................................................................................................................... 38 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................................. 39 基于 FPGA 的電子密碼鎖設(shè)計(jì) 1 1 緒論 隨著大規(guī)模和超大規(guī)?？删幊唐骷?FPGA 技術(shù)支持下的廣泛應(yīng)用，使現(xiàn)代化 設(shè)計(jì)計(jì)算已進(jìn)入一個(gè)全新的階段，從設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)工具一直到實(shí)現(xiàn)方式都發(fā)生了諸多變化。鍵盤式電子密碼鎖從目前的技術(shù)水平和市場認(rèn)可程度看，使用最為廣泛的是鍵盤式電子密碼鎖，該產(chǎn)品主要應(yīng)用于保險(xiǎn)箱、保險(xiǎn)柜和金庫，還有一部分應(yīng)用于保 管箱和運(yùn)鈔車。它是從計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（ CAD）、計(jì)算機(jī)輔助制造（ CAM）、計(jì)算機(jī)輔助測試（ CAT）和計(jì)算機(jī)輔助工程（ CAE）等技術(shù)發(fā)展而來的。由于電子鎖的密鑰量（密碼量）極大，可以與機(jī)械鎖配合使用，并且可以避免因鑰匙被仿制而留下安全隱患。國內(nèi)的不少企業(yè)也引 進(jìn)了世界上先進(jìn)的技術(shù)，發(fā)展前景非?？捎^。設(shè)計(jì)充分利用了 FPGA 的資源可編程特性，可高效率的對系統(tǒng)進(jìn)行升級與改進(jìn)。 在理論上，把 VLSI(Ultra Large Scale Integration，超大規(guī)模集成電路 )的設(shè)計(jì)描述為 6 個(gè)層次 [1， 2]，即系統(tǒng)級 (系統(tǒng)功能、參數(shù)定義 )、算法級 (描述系統(tǒng)功能行為 )、 RTL級、門級 (邏輯門 )、電 路級 (晶體管 )、版圖級 (物理工藝 )。 需要說明的是，系統(tǒng)行為仿真和 RTL 級功能仿真有時(shí)要用到某種功能模塊，例如 RAM 模型。 約束：指對邏輯綜合和布局布線時(shí)的約束。在其對應(yīng)的初級設(shè)計(jì)單元實(shí)體說明被編譯并且被并入設(shè)計(jì)庫之后，它就可以單獨(dú)地被并入該設(shè)計(jì)庫中。 包集合 包集合 屬庫中的一個(gè)層次，是一種可編譯的源設(shè)計(jì)單元。邏輯綜合與所使用的邏輯綜合工具有關(guān)，由邏輯綜合優(yōu)化工具生成具體的門級邏輯電路的EDIF（ Electronic Design Interchange Format）網(wǎng)表。一般包括： ① 實(shí)驗(yàn)或開發(fā)所需的各類基本信號發(fā)生模塊； ② FPGA/CPLD 輸出信息顯示模塊； ③ 監(jiān)控程序模塊； ④ 目標(biāo)芯片適配座以及上面的 FPGA/CPLD 目標(biāo)芯片和下載電路。即： TEN=(NTLt/2n)/x 顯然若使 NT=NTL，則 TrTEN，則使分段隨機(jī)試驗(yàn)不易成功。 誤碼輸入的保護(hù)措施 如前所述，電子密碼鎖的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮自身的安全保密性，由于編碼和捕捉密碼的實(shí)驗(yàn)都是隨機(jī)的，若要使 P=1 NT 趨近于 0，必須采取誤碼輸入的保護(hù)措施。 方案三： 利用 FPGA 設(shè)計(jì)電子密碼鎖，其成本低，設(shè)計(jì)方便（有相應(yīng)的開發(fā)板），現(xiàn)有資源充足，實(shí)現(xiàn)比較容易，更利于系統(tǒng)的維護(hù)改進(jìn)和升級，可靠性更高，更安全。 F P G A 控制 模 塊12 3 45 6 7890 * 確 定密 碼清 除上 鎖解 鎖揚(yáng) 聲 器 圖 電子密碼 鎖 外觀 圖 上圖為在實(shí)驗(yàn)開發(fā)板上實(shí)現(xiàn)，使用開發(fā)板有十六個(gè)按鍵，分別對應(yīng)數(shù)字 0 到 9和各個(gè)功能鍵， LED 顯示為開發(fā)板上數(shù)碼管顯示。圖 為數(shù)字電子密碼鎖系統(tǒng)總體框圖。如，若選 用七段數(shù)碼管顯示電路，主要將待顯示數(shù)據(jù)的 BCD 碼轉(zhuǎn)換成數(shù)碼器的七段顯示驅(qū)動(dòng)編碼。若輸入時(shí)鐘為 CLK， N 位計(jì)數(shù)器的輸出為 Q[N1..0]，則 Q(0)為 CLK 的 2 分頻脈沖信號， Q(1)為 CLK 的 4 分頻脈沖信號，Q(2)為 CLK 的 8分頻脈沖信號 ……Q(N 1)為 CLK 的 2N分頻脈沖信號； Q(5 DOWNTO 4)取得的是一個(gè)脈沖波形序列，其值依 00－ 01－ 10－ 11－ 00－ 01 周期性變化，其變化頻率為 CLK 的 32 分頻。 數(shù)字輸出標(biāo)志 FLA