【文章內(nèi)容簡介】 統(tǒng)開發(fā)的設(shè)計(jì)流程使用QuartusⅡ進(jìn)行電子密碼鎖設(shè)計(jì)的流程為（1）編寫VHDL程序(使用VHDL File)（見附錄）；（2）編譯VHDL程序(使用Compiler)；（3）仿真驗(yàn)證VHDL程序(使用Waveform Editor， Simulator)；（4）進(jìn)行芯片的時序分析(使用Timing Analyzer)；（5）安排芯片管腳位置(使用Floorplan Editor)；（6）下載程序至芯片(使用Programmer)。3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 電子密碼鎖設(shè)計(jì)的原理編碼總量的確定電子密碼鎖隨機(jī)開鎖成功的概率定義為：P=1/NT其中P為隨機(jī)開鎖成功概率，NT為密碼編碼總量。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。故NT應(yīng)有合理的上限和下限。下限NTL的選擇應(yīng)使密碼落在隨機(jī)開鎖可能成功的操作時區(qū)以外。若每一次開鎖操作時間為t，為便于做隨機(jī)試驗(yàn)，將NT分為n段并期望在1/n段的1/2處開鎖成功。此時p=1/2n則隨機(jī)開鎖試驗(yàn)期望成功的時間為：Tr=NTt/2n假定系統(tǒng)設(shè)計(jì)不考慮誤碼輸入的保護(hù)，密碼鎖在無保護(hù)的情況下使操作人員任意作隨機(jī)開鎖試驗(yàn)的時間為TEN，則：NTL=(2nTEN t)x，其中x為最低安全系數(shù)。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。由此可得出數(shù)字密碼鎖的編碼總量設(shè)定是系統(tǒng)設(shè)計(jì)安全性、保密性的首要技術(shù)指標(biāo)。一般來說，當(dāng)NT選定之后，NT的上限NTH原則上是越大越安全，但一般設(shè)計(jì)時取NTH=(10～1000)NTL較為合理。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)……(ai+1)。其中a為基數(shù)，i為位數(shù)，a和i的選取應(yīng)該滿足NT≥NTL ， a=2，3，4，10，12，14，16?，F(xiàn)在以最常用的a=10，i=6為例，可以計(jì)算出NT2=0159NT 1，NT 3= T1，所以編碼制式考慮是否重碼對NT有很大影響。另外，相同制式下不同的基底對編碼總量NT會有影響，而且基底的選擇也會影響到硬件電路的設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)的密碼鎖采用十進(jìn)制編碼，密碼各位允許重碼，為簡化電路設(shè)計(jì)，密碼鎖口令采用對串行脈沖計(jì)數(shù)的方式輸入。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。假定設(shè)定的誤碼輸入次數(shù)不超過三次，誤碼達(dá)到三次時系統(tǒng)應(yīng)關(guān)閉主控電路，拒絕大于三次的密碼輸入，并且系統(tǒng)進(jìn)入報警狀態(tài)。系統(tǒng)正常狀態(tài)的恢復(fù)可采用萬能密碼輸入或者系統(tǒng)掉電恢復(fù)。 方案的提出方案一：采用數(shù)字電路控制。雖然采用數(shù)字密碼鎖電路的好處是設(shè)計(jì)簡單，但是由于其是純電路實(shí)際，在系統(tǒng)運(yùn)行時，延時會比較嚴(yán)重。方案二：通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)在一種新的方案就是采用一種是用以AT89S51為核心的單片機(jī)控制方案。雖然有靈活的設(shè)計(jì)和豐富的IO端口，但是單片機(jī)設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)是程序運(yùn)行時容易出現(xiàn)跑飛現(xiàn)象。通過以上比較顯然單片機(jī)方案有較大的活動空間，不但能實(shí)現(xiàn)所要求的功能而且能在很大的程度上擴(kuò)展功能，而且還可以方便的對系統(tǒng)進(jìn)行升級，但是由于所學(xué)知識不能將其有效的應(yīng)用，現(xiàn)有環(huán)境不能滿足，而且單片機(jī)的密碼鎖有一定的不足之處，在運(yùn)行時程序有時會產(chǎn)生PC指針錯誤，還有基于現(xiàn)在所學(xué)知識的應(yīng)用，所以基于以上比較提出了第三種方案。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。通過以上比較描述，本設(shè)計(jì)采用基于FPGA的電子密碼鎖設(shè)計(jì)方案。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 設(shè)計(jì)一個具有較高安全性和較低成本的通用電子密碼鎖，具體功能要求如下：（1）數(shù)碼輸入：每按下一個數(shù)字鍵，就輸入一個數(shù)值，并在顯示器上的顯示出該數(shù)值，同時將先前輸入的數(shù)據(jù)依序左移一個數(shù)字位置。（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”。（3）密碼更改：按下此鍵時會將目前的數(shù)字設(shè)定成新的密碼。（4）激活電鎖：按下此鍵可將密碼鎖上鎖。（5）解除電鎖：按下此鍵會檢查輸入的密碼是否正確，密碼正確即開鎖。（6）數(shù)字位退格：按下此鍵可清除最低的數(shù)字位，并使各位向右移。（7）萬能密碼：為了怕使用者忘記密碼，系統(tǒng)可在設(shè)計(jì)時考慮設(shè)計(jì)一個萬用密碼，不論原來密碼是什么，只要輸入萬能密碼就能開鎖。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)描述本系統(tǒng)為一個簡潔型的電子密碼鎖，該系統(tǒng)以開發(fā)板為主要核心，采用4*4的鍵盤，前10個鍵為數(shù)字鍵，8個數(shù)碼管顯示密碼輸入，后面的按鍵實(shí)現(xiàn)電子密碼鎖的各個功能。 電子密碼外觀圖上圖為在實(shí)驗(yàn)開發(fā)板上實(shí)現(xiàn)，使用開發(fā)板有十六個按鍵，分別對應(yīng)數(shù)字0到9和各個功能鍵，LED顯示為開發(fā)板上數(shù)碼管顯示。 各功能模塊描述電子密碼鎖主要由四個部分組成：數(shù)字密碼輸入電路、密碼鎖控制電路、密碼鎖顯示電路和報警模塊。也就是說，設(shè)計(jì)分為四個大的功能模塊。 數(shù)字電子密碼功能模塊圖（1） 密碼鎖輸入電路包括時序產(chǎn)生電路、鍵盤掃描電路、鍵盤彈跳消除電路、鍵盤譯碼電路等幾個小的功能電路。模塊的功能是：將用戶通過鍵盤輸入的數(shù)字密碼，確認(rèn)密碼是否輸入，產(chǎn)生電路中使用的三種不同頻率的工作脈沖波形，即系統(tǒng)時鐘脈沖、彈跳消除取樣信號和鍵盤掃描信號；為了加強(qiáng)按鍵按下的準(zhǔn)確性加了去抖模塊。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。開發(fā)板鍵盤具有低成本、可靠性高、構(gòu)成電路簡單、技術(shù)成熟和應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)，因此將其應(yīng)用到通用電子密碼鎖中還是比較適宜的。（2） 密碼鎖控制電路包括按鍵數(shù)據(jù)的緩沖存儲電路，密碼的清除、變更、存儲、激活電鎖電路（寄存器清除信號發(fā)生電路），密碼核對（數(shù)值比較電路），解鎖電路（開/關(guān)門鎖電路）、報警電路等幾個小的功能電路。模塊功能：用于密碼的更改，密碼的清除，以及對密碼鎖的工作狀態(tài)更改，對輸入密碼次數(shù)的計(jì)數(shù)功能，還有就是更智能化，更符合人們的思維，按鍵的時候都是習(xí)慣看輸入數(shù)字的移位情況。（3）密碼顯示電路主要將顯示數(shù)據(jù)的BCD碼轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的編碼。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)動編碼。數(shù)字電子密碼鎖的顯示信息電路可采用LED數(shù)碼管顯示和液晶屏幕顯示兩種。液晶顯示具有高速顯示、高可靠性、易于擴(kuò)展和升級等優(yōu)點(diǎn)，但是普通液晶顯示屏存在亮度低、對復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力差等缺點(diǎn)，在低亮度的環(huán)境下還需要加入其它輔助的照明設(shè)備，驅(qū)動電路設(shè)計(jì)相對復(fù)雜，因此本設(shè)計(jì)的顯示電路使用通用的LED數(shù)碼管。通過上面所描述的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可知，通用的電子密碼鎖主要由三個部分組成：數(shù)字密碼輸入電路、密碼鎖控制電路和密碼鎖顯示電路。：通過時序產(chǎn)生鍵盤掃描信號，由鍵盤輸入密碼或者功能按鍵，當(dāng)然在這過程中要經(jīng)過按鍵去抖，最后將將所輸入的鍵盤值譯碼得到具體的數(shù)字或者功能鍵；將輸入值輸入鍵盤數(shù)據(jù)存儲器，在這里面可以將鍵盤值存儲或者清除，再經(jīng)過比較電路，比較輸入值與原來存儲的是否一致，如果一致則開啟鎖，如果不一致則報警（在報警后可以通過輸入萬能密碼或者斷電復(fù)位等可以解決）；在經(jīng)過存儲電路時，同時將所輸入的值通過LED顯示出來，顯示將通過BCD譯碼電路，將所獲取的值顯示在LED數(shù)碼管上。 系統(tǒng)流程：（不能光有一個圖，必須配有對圖的文字說明，把系統(tǒng)的流程說清楚） 系統(tǒng)流程圖4 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì) 輸入模塊 時序產(chǎn)生電路本時序產(chǎn)生電路中使用了三種不同頻率的工作脈沖波形：系統(tǒng)時鐘脈沖（它是系統(tǒng)內(nèi)部所有時鐘脈沖的源頭，且其頻率最高）、彈跳消除取樣信號、鍵盤掃描信號。當(dāng)一個系統(tǒng)中需使用多種操作頻率的脈沖波形時，最方便的方法之一就是利用一計(jì)數(shù)器來產(chǎn)生各種需要的頻率。也就是先建立一個N位計(jì)數(shù)器，N的大小根據(jù)電路的需求決定，N的值越大，電路可以分頻的次數(shù)就越多，這樣就可以獲得更大的頻率變化，以便提供多種不同頻率的時鐘信號。若輸入時鐘為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(N1)為CLK的2N分頻脈沖信號；Q(5 DOWNTO 4)取得的是一個脈沖波形序列，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。我們利用以上規(guī)律即可得到各種我們所需要頻率的信號或信號序列。CLK_1K:時鐘信號SIGNAL K_SRCLK: STD_LOGIC 。 鍵盤輸入采樣時鐘SIGNAL K_POS: STD_LOGIC_VECTOR(1 DOWNTO 0)。 按鍵位置信號SIGNAL KSCAN:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0)。 鍵盤掃描信號KEY IN:STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0)；按鍵輸入信號KSRCLK:STD_LOGIC。鍵盤輸入采樣時鐘 按鍵消抖電路由于設(shè)計(jì)采用的矩陣式鍵盤是機(jī)械開關(guān)結(jié)構(gòu)，因此在開關(guān)切換的瞬間會在接觸點(diǎn)出現(xiàn)信號來回彈跳的現(xiàn)象，對于電子密碼鎖這種靈敏度較高的電路這種彈跳將很可能會造成誤動作輸入，從而影響到密碼鎖操作的正確性。彈跳現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是，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。 彈跳現(xiàn)象產(chǎn)生錯誤的抽樣結(jié)果 如果調(diào)整抽樣頻率，彈跳現(xiàn)象就可以獲得改善。 調(diào)整抽