【正文】 O 單元 4 部分組成。 基于 FPGA 的設(shè)計(jì) 主控芯片 EPF10K10LC844 的介紹 FPGA 器件選擇 Altera 公司 FLEX10K10 系列的 EPF10K10LC844 芯片。 FPGA 主控部分 譯碼顯示 按鍵處理 鍵盤(pán) 顯示 開(kāi) /關(guān)門(mén)電路 報(bào)警電路 圖 系統(tǒng)框圖 13 5 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的硬件模塊實(shí)現(xiàn) 整個(gè)電子密碼鎖系統(tǒng)可劃分為鍵盤(pán)掃描、獲取鍵值、數(shù)碼顯示、設(shè)置密碼和解碼開(kāi)門(mén)等五個(gè)子模塊。門(mén)開(kāi)后可通過(guò)鎖門(mén)按鈕關(guān)門(mén)，門(mén)關(guān)上后要再次輸入密碼才能開(kāi)門(mén)。高位的零不用輸入，因此密碼可以為 1～ 8 位。 本系統(tǒng)有 13 個(gè)按鍵，包括 0～ 9 共 10 個(gè)數(shù)字鍵和 1 個(gè)確認(rèn)鍵， 1 個(gè)警報(bào)復(fù)位鍵，1 個(gè)清 0 鍵。系統(tǒng)原理框圖如圖 12 所示： 總體設(shè)計(jì)原理 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)大量邏輯電路的集成，在設(shè)計(jì)中使用了現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列器件（ FPGA）?；谏鲜霰容^以上兩種方案，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，采用方案二。而且系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(zhuān)用的數(shù)字密碼鎖芯片。 方案二 ：設(shè)計(jì)一種基于 FPGA 的電子密碼鎖的設(shè)計(jì)，用 FPGA 設(shè)計(jì)的系統(tǒng)已經(jīng)是現(xiàn)代生活中經(jīng)常用到的工具之一，通過(guò)鍵盤(pán)輸入密碼，用 FPGA 作為主控芯片，用數(shù)碼管顯示輸入的數(shù)字，如果出現(xiàn)錯(cuò)誤便通過(guò)報(bào)警電路發(fā) 出報(bào)警，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用電子密碼鎖代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械式密碼鎖。 FPGA 接收鍵入的代碼，并與存貯在閃存中的密碼進(jìn)行比較，如果密碼正確，則驅(qū)動(dòng)電磁執(zhí)行器開(kāi)鎖；如果密碼不正確，則允許操作人員重新輸入密碼，最多可輸入三次；如果三次都不正確，則通過(guò) FPGA 產(chǎn)生報(bào)警， FPGA 將每次開(kāi)鎖操作和此時(shí)電磁執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)電流值作為狀態(tài)信息發(fā)送給監(jiān)控器，同時(shí)將接收來(lái)自接口的報(bào)警信息也發(fā)送給監(jiān)控器。 VHDL 的應(yīng)用已成為當(dāng)今以及未來(lái) EDA 解決方案的核心，而且是復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心 [18]。目前，這種高層次設(shè)計(jì) (highleveldesign)的方法已被廣泛采用。然后，利用電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（ EDA）工具，逐層進(jìn)行仿真驗(yàn)證，再把其中需要變?yōu)閷?shí)際電路的模塊組合，經(jīng)過(guò)自動(dòng)綜合工具轉(zhuǎn)換到門(mén)級(jí)電路網(wǎng)表。 VHDL 在數(shù)字電子電路的設(shè)計(jì)中具有硬件描述能力強(qiáng)、設(shè)計(jì)方法靈活等優(yōu)點(diǎn) [17]。 （ 5）庫(kù)（ LIBRARY） 庫(kù)具體對(duì)程序包聲明的數(shù)據(jù)類(lèi)型和子程序進(jìn)行功能說(shuō)明。 （ 3）配置（ CONFIGURATION） 配制用于將元件實(shí)例與實(shí)體 結(jié)構(gòu)成對(duì)綁定，決定了哪個(gè)結(jié)構(gòu)體于實(shí)體關(guān)聯(lián)。 VHDL 語(yǔ)言的基本結(jié)構(gòu) VHDL 有五大元素組成 ,即實(shí)體、結(jié)構(gòu)體、配置、程序包和庫(kù) [16]。 VHDL 語(yǔ)言的特點(diǎn) VHDL 語(yǔ)言主要用于描述數(shù)字系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、行為、功能和接口，其具有以下特點(diǎn)： （ 1）作為 HDL 的第一個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)， VHDL 具有很強(qiáng)的可移植性； （ 2）具有豐富的模擬仿真語(yǔ)句和庫(kù)函數(shù)； （ 3） VHDL 有良好的可讀性，接近高級(jí)語(yǔ)言，容易理解； （ 4）系統(tǒng)設(shè)計(jì)與硬件結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)； （ 5）支持模塊化設(shè)計(jì)； （ 6）用 VHDL 完成的一個(gè)確定設(shè)計(jì)，可以利用 EDA 工具自動(dòng)地把 VHDL 描述轉(zhuǎn)變成門(mén)電路級(jí)網(wǎng)表文件。 VHDL 的特點(diǎn)使得電子系統(tǒng)新的設(shè)計(jì)方法 —— “ 自頂向下 ” 設(shè)計(jì)方法更加容易實(shí) 現(xiàn) [14]。 VHDL 主要用于描述數(shù)字系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、行為和功能 ,其程序結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是將一個(gè)電路模塊或一個(gè)系統(tǒng)分成端口和內(nèi)部功能算法實(shí)現(xiàn)兩部分。 VHDL(VHSIC Hardware Description Language)是用來(lái)描述從抽象到具體級(jí)別硬件的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言 ,它是由美國(guó)國(guó)防部在 20 世紀(jì) 80 年代開(kāi)發(fā)的 HDL ,現(xiàn)在已成為 IEEE 承認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語(yǔ)言。 8 3 基于 FPGA 設(shè)計(jì)的硬件描述語(yǔ)言 VHDL VHDL 語(yǔ)言簡(jiǎn)介 目前數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以直接面向用戶(hù)需求 ,根據(jù)系統(tǒng)的行為和功能要求 ,自上而 下地逐層完成相應(yīng)的描述、綜合、優(yōu)化、仿真與驗(yàn)證 ,直到生成器件 ,實(shí)現(xiàn)電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化。它們與MCU MPU DSP A/D D/A RAM 和 ROM 等獨(dú)立器件間的物理與功能界限已日趨模糊 特別是軟 /硬 IP 芯核 Intelligence Property 產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展 嵌人式通用及標(biāo)準(zhǔn) FPGA 器件很快就會(huì)出現(xiàn)片上系統(tǒng) SOC 也已近在咫尺 CPLD/FPGA 以其不可替代的地位及伴隨而來(lái)的極具知識(shí)經(jīng)濟(jì)特征的 IP 芯核產(chǎn)業(yè)的崛起 正越來(lái)越受到電子技術(shù)工程師的密切關(guān)注 EDA 打破了軟硬件之間最后的屏障 使軟硬件工程師們有了真正的共同語(yǔ)言 使目前一切仍處于計(jì)算機(jī)輔助性設(shè)計(jì) CAD 和規(guī)劃的電子設(shè)計(jì)活動(dòng)產(chǎn)生了實(shí)在的設(shè)計(jì)實(shí)體 電子設(shè)計(jì)專(zhuān)家指出 基于 EDA 的 CPLD/FPGA 的應(yīng)用和技術(shù)推廣是我國(guó)未來(lái)電子設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展的主流 而基于 EDA 的 IP 芯核產(chǎn)業(yè)的推動(dòng)應(yīng)是我國(guó)在新世紀(jì)知識(shí)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要切入點(diǎn)之一 [12]。 （ 5）開(kāi)發(fā)周期短 由于 FPGAN 內(nèi)部資源豐厚及功能強(qiáng)大以及相應(yīng)的 EDA軟件功能完善和強(qiáng)大仿真能力便捷而實(shí)時(shí)開(kāi)發(fā)過(guò)程形象 而直觀兼之硬件因素涉及甚少，一些 EDA專(zhuān)家指出未來(lái)的大系統(tǒng) FPGA設(shè)計(jì)僅是各類(lèi)再應(yīng)用邏輯與 IP 核 CORE 的拼裝 TI 公司認(rèn)為 一個(gè) ASIC 80 功能可用 IP 核等現(xiàn)成邏輯合成 因此可在很短的時(shí)間內(nèi)完成十分復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 （ 2） 嵌入式存貯技術(shù) 在 CPLD/FPGA 內(nèi)部嵌人一定數(shù)量的存貯器 存貯器類(lèi)型有雙口 SRAM ROM FIFO 可用于存貯信號(hào)處理的系數(shù) 中間結(jié)果等 這對(duì)設(shè)計(jì)電子系統(tǒng)的智能化功能提供了技術(shù)支持 （ 3）時(shí)鐘鎖定和倍頻技術(shù) Altera 的 10K 系列采用了時(shí)鐘鎖定和倍頻技術(shù)解決了時(shí)鐘脈沖延遲和偏斜問(wèn)題并使 PLD 內(nèi)部時(shí)鐘更高 單個(gè) 16 bit 乘法器速度可達(dá) 100 MHz 以上 這正是大帶寬高速實(shí)時(shí)信號(hào)的需要 CPLD/FPGA的時(shí)鐘延遲可達(dá)納秒級(jí) 結(jié)合其并行工作方式 在超高速應(yīng)用領(lǐng)域和實(shí)時(shí)測(cè)控方面有非常廣闊的應(yīng)用前景。 FPGA 越來(lái)越多地采用了先進(jìn)的 JTAG ISP和 ICR 技術(shù)。 FPGA 的應(yīng)用特點(diǎn) 隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展 , 基于 FPGA的設(shè)計(jì)向高集成度高速度和低價(jià)位方向不斷邁進(jìn) 其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大這主要是由于 FPGA以下技術(shù)特點(diǎn)的不 斷發(fā)展 [11]。因此， FPGA 的使用非常靈活。當(dāng)需要修改 FPGA 功能時(shí)，只需換一片 EPROM 即可。掉電后， FPGA 恢復(fù)成白片，內(nèi)部邏輯關(guān)系消失，因此， FPGA 能夠反復(fù)使用。用戶(hù)可以根據(jù)不同的配置模式，采用不同的編程方式。 目前 FPGA 的品種很多，有 XILINX 的 XC 系列、 TI 公司的 TPC 系列、 ALTERA 公司的 FIEX 系列等。 5） FPGA 采用高速 CHMOS 工藝，功耗低，可以與 CMOS、 TTL 電平兼容。 3） FPGA 內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和 I／ O 引腳。 FPGA 的基本特點(diǎn)主要有： 1）采用 FPGA 設(shè)計(jì) ASIC 電路，用戶(hù)不需要投片生產(chǎn)，就能得到合用的芯片。它是作為專(zhuān)用集成電路（ ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門(mén)電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。一旦設(shè)計(jì)完成，客戶(hù)可立即投入生產(chǎn)，只需要利用最終軟件設(shè)計(jì)文件簡(jiǎn)單地編程所需要數(shù)量的 PLD就可以了。 采用 PLD的另一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)是在設(shè)計(jì)階段中客戶(hù)可根據(jù)需要修改電路，直到對(duì)設(shè)計(jì)工作感到滿(mǎn)意為止。原型中使用的 PLD器件與正式生產(chǎn)最終設(shè)備（ 如網(wǎng)絡(luò)路由器、 DSL調(diào)制解調(diào)器、 DVD播放器、或汽車(chē)導(dǎo)航系統(tǒng)）時(shí)所使用的 PLD完全相同。 對(duì)于可編程邏輯器件，設(shè)計(jì)人員可利用價(jià)格低廉的軟件工具快速開(kāi)發(fā)、仿真和測(cè)試其設(shè)計(jì)。 NRE代表在固定邏輯器件最終從芯片制造廠(chǎng)制造出來(lái)以前客戶(hù)需要投入的所有成本，這些成本包括工程資源、昂貴的軟件設(shè)計(jì)工具、用來(lái)制造芯片不同金屬層的昂貴光刻掩膜組以及初始原型器件的生產(chǎn)成本。而且，如果器件工作不合適，或者如果應(yīng)用要求發(fā)生了變化 ，那么就必須開(kāi)發(fā)全新的設(shè)計(jì)。另一方面，可編程邏輯器件（ PLD）是能夠?yàn)榭蛻?hù)提供范圍廣泛的多種邏輯容量、特性、速度和電壓參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)成品部件 —— 而且此類(lèi)器件可在任何時(shí)間改變，從而完成許多種不同的功能 [8]。 邏輯器件可分為兩大類(lèi)，即固定邏輯器件和可編程邏輯器件。微處理器執(zhí)行軟件指令來(lái)完成范圍廣泛的任務(wù)，如運(yùn)行字處理程序或視頻游戲。 4 2 FPGA 的相關(guān)介紹 可編程邏輯器件 在數(shù)字電子系統(tǒng)領(lǐng)域，存在三種基本的器件類(lèi)型：存儲(chǔ)器、微處理器和邏輯器件。本設(shè)計(jì)是由 FPGA 可編程邏輯器件編程實(shí)現(xiàn)的控制電路，具體有按鍵指示、輸入錯(cuò)誤提示、 密碼有效指示、控制開(kāi)鎖、控制報(bào)警等功能。硬件方面要解決 FPGA 可編程器件與其外圍電路的接口設(shè)計(jì)的問(wèn)題；軟件方面主要問(wèn)題是利用 VHDL 語(yǔ)言完成基于FPGA 的電子密碼鎖的編程問(wèn)題。這幾個(gè)國(guó)家的密碼鎖識(shí)別的密碼更復(fù)雜，并且綜合性比較好，已經(jīng)進(jìn)入了成熟期，出現(xiàn)了感應(yīng)卡式密碼鎖，指紋式密碼鎖，虹 膜密碼鎖，面部識(shí)別密碼鎖，序列混亂的鍵盤(pán)密碼鎖等各種技術(shù)的系統(tǒng)，它們?cè)诎踩?，方便性，易管理性等方面都各有特長(zhǎng)，新型的電子密碼鎖系統(tǒng)的應(yīng)用也越來(lái)越廣 [6]。IC 卡電子密碼鎖成本低，體積小，卡片本身無(wú)須電源等優(yōu)點(diǎn)占領(lǐng)了一定的市場(chǎng)份額，但是由于有機(jī)械接觸，會(huì)產(chǎn)生接觸磨損，而且使用不太方便，在一定程度上限制了它的應(yīng)用；射頻卡式電子 密碼鎖是非接觸式電子密碼鎖，成本也不太高，體積跟 IC卡密碼鎖相當(dāng)，卡片使用感應(yīng)電源，重量很輕，技術(shù)成熟，受到了廣泛的歡迎，但是與 IC 卡電子密碼鎖相比，成本偏高；指紋識(shí)別電子密碼鎖和瞳孔識(shí)別電子密碼鎖可靠性很高，安全性是目前應(yīng)用系統(tǒng)中最高的，但是成本高昂，還沒(méi)進(jìn)入大眾化使用階段 [5]。在安防工程中，鎖具產(chǎn)品是關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)安全性的重要設(shè)備，所以鎖具產(chǎn)品的優(yōu)劣也關(guān)系了整個(gè)安防工程的質(zhì)量和驗(yàn)收。 國(guó)內(nèi)外概況 隨著我國(guó)對(duì)外開(kāi)放的不斷深入，高檔建筑發(fā)展很快，高檔密碼鎖具市場(chǎng)的前景樂(lè)觀。 本設(shè)計(jì)的 FPGA 電子密碼鎖的特點(diǎn)是：體積小、功耗低、價(jià)格便宜、安全可靠 ,維護(hù)和升級(jí)都十分方便 ,具有較好的應(yīng)用前景。當(dāng)然，密碼又不能太復(fù)雜，太復(fù)雜了可能自己都糊涂了，或者輸入密碼操作成功率低，造成使用不便。基于 FPGA 的電子密碼鎖具有保密強(qiáng)、靈活性高、適用范圍 廣等特點(diǎn)，它在鍵盤(pán)上輸入，與打電話(huà)差不多，因而易于掌握，其突出優(yōu)點(diǎn)是 “ 密碼 ” 是記在被授權(quán)人腦子 2 里的數(shù)字和字符，既準(zhǔn)確又可靠，不會(huì)丟失（除了忘記），難以被竊（除非自己泄露）。本制作是針對(duì)這些電路而設(shè)計(jì)的，將以往的以單片機(jī)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)改為可編程器件 FPGA 利用 VHDL 編程實(shí)現(xiàn)電子密碼鎖的設(shè)計(jì)。 課題研究的目的和意義 電子雜志、報(bào)刊經(jīng)?？怯忻艽a開(kāi)關(guān)、密碼鎖這樣的電路，大多數(shù)是使用常用的數(shù)字電路，如 CD4017，然后通過(guò)不同的連接方式實(shí)現(xiàn)密碼控制功能。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(shí)可以進(jìn)行硬件升級(jí)、擴(kuò)展，而且系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(zhuān)用的數(shù)字密碼鎖芯片。 基于 FPGA 的電子密碼鎖已經(jīng)是現(xiàn)代生活中經(jīng)常用到的工具之一，用于各類(lèi)保險(xiǎn)柜、房門(mén)、防盜門(mén)等等。 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。它在工作環(huán)境安全、人事考勤管理等行政管理工作中發(fā)揮著巨大的作用。 在數(shù)字技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，電子密碼鎖技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展。 課題背景 基于 FPGA的電子密碼鎖是新型現(xiàn)代化安全管理系統(tǒng)，它集微機(jī)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)和現(xiàn)代安全管理措施為一體，它涉及電子，機(jī)械，計(jì)算機(jī)技術(shù)，通訊技術(shù)，生物技術(shù)等諸多新技術(shù)。當(dāng)然，該系統(tǒng)在一些細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)上還需要不斷的完善和改進(jìn)，特別是對(duì)系統(tǒng)的擴(kuò)展有很好的實(shí)用和設(shè)計(jì)的價(jià)值。 系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的功能：用戶(hù)給電子密碼鎖 設(shè)定一個(gè)密碼，當(dāng)使用本機(jī)鍵盤(pán)開(kāi)鎖時(shí)，該密碼與用戶(hù)設(shè)定的密碼比較，如果密碼正確，則開(kāi)鎖；如果密碼不正確，則允許用戶(hù)重新輸入密碼，最多可輸入三次，若三次都不正確，則揚(yáng)聲器報(bào)警，直到按復(fù)位鍵才允許再次輸入代碼。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。 I 摘要 基于 FPGA設(shè)計(jì)的電子密碼鎖是一個(gè)小型的數(shù)字系統(tǒng)，與普通機(jī)械鎖相比 , 具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn) : 保密性好 , 防盜性強(qiáng) , 可以不用鑰匙 ,