基于fpga的電子密碼鎖的設計論文(已修改)

　

【正文】 基于FPGA的多功能電子密碼鎖參賽隊員：譚建軍摘要 基于FPGA設計的電子密碼鎖是一個小型的數字系統，與普通機械鎖相比, 具有許多獨特的優點: 保密性好, 防盜性強, 可以不用鑰匙, 記住密碼即可開鎖等。目前使用的電子密碼鎖大部分是基于單片機技術, 以單片機為主要器件, 其編碼器與解碼器的生成為軟件方式。在實際應用中, 由于程序容易跑飛, 系統的可靠性能較差。本文介紹一種基于現場可編程門陣列FPGA 器件的電子密碼鎖的設計方法采用VHDL語言對系統進行描述，并在FLEX10K10LC844上實現。系統所實現的功能：用戶給電子密碼鎖設定一個密碼，當使用本機鍵盤開鎖時，該密碼與用戶設定的密碼比較，如果密碼正確，則開鎖；如果密碼不正確，則允許用戶重新輸入密碼，最多可輸入三次，若三次都不正確，則揚聲器報警，直到按復位鍵才允許再次輸入代碼。通過仿真調試，利用可編程器件FPGA的電子密碼鎖的設計基本達到了預期目的。當然，該系統在一些細節的設計上還需要不斷的完善和改進，特別是對系統的擴展有很好的實用和設計的價值。關鍵詞：現場可編程門陣列, 硬件描述語言, 電子密碼鎖, 揚聲器 1 緒言系統以利用可編程器件實現電子密碼鎖的設計為研究背景、現狀以及發展方向，明確指出了電子密碼鎖面臨的問題和所解決的方法。基于FPGA的電子密碼鎖是新型現代化安全管理系統，它集微機自動識別技術和現代安全管理措施為一體，它涉及電子，機械，計算機技術，通訊技術，生物技術等諸多新技術。它是解決重要部門出入口實現安全防范管理的有效措施，適用各種場合，如銀行、賓館、機房、軍械庫、機要室、辦公間、智能化小區、工廠、家庭等。 在數字技術網絡技術飛速發展的今天，電子密碼鎖技術得到了迅猛的發展。它早已超越了單純的門道及鑰匙管理，逐漸發展成為一套完整的出入管理系統[1]。它在工作環境安全、人事考勤管理等行政管理工作中發揮著巨大的作用。在該系統的基礎上增加相應的輔助設備可以進行電梯控制、車輛進出控制，物業消防監控、餐飲收費、私家車庫管理等，真正實現區域內一卡智能管理。 目前使用的電子密碼鎖大部分是基于單片機技術, 以單片機為主要器件, 其編碼器與解碼器的生成為軟件方式。在實際應用中, 由于程序容易跑飛, 系統的可靠性能較差[2]。基于FPGA的電子密碼鎖已經是現代生活中經常用到的工具之一，用于各類保險柜、房門、防盜門等等。用電子密碼鎖代替傳統的機械式密碼鎖，克服了機械式密碼鎖密碼量少、安全性能差的缺點。由于采用的是可編程邏輯器件FPGA，使得系統有相當大的靈活性，隨時可以進行硬件升級、擴展，而且系統設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字密碼鎖芯片。而且由于硬件可升級，還可隨時增加密碼位數或增加新的功能，使得密碼鎖有更高的安全性、可靠性和方便性[3]。 課題研究的目的和意義電子雜志、報刊經常刊登有密碼開關、密碼鎖這樣的電路，大多數是使用常用的數字電路，如CD4017，然后通過不同的連接方式實現密碼控制功能。這種電路的特點就是密碼修改只能通過改變電路的連接來實現，密碼很容易被破解，電路復雜，故障率高。本制作是針對這些電路而設計的，將以往的以單片機實現設計改為可編程器件FPGA利用VHDL編程實現電子密碼鎖的設計。這種設計移動方便。基于FPGA的電子密碼鎖具有保密強、靈活性高、適用范圍廣等特點，它在鍵盤上輸入，與打電話差不多，因而易于掌握，其突出優點是“密碼”是記在被授權人腦子里的數字和字符，既準確又可靠，不會丟失（除了忘記），難以被竊（除非自己泄露）。但是密碼不能太簡單，太簡單了就容易被他人在鍵盤上試探出來，或者可能被旁觀者窺測出來，造成保密性不足。當然，密碼又不能太復雜，太復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。因此，為了發揚優點、克服弱點，本設計采用“任意設定數字密碼”技術使得被授權人可以根據自己的需要或喜好設定密碼，常用常新，在輸入密碼的過程中，當用戶鍵入錯誤密碼時，系統就會報警，由揚聲器發出5秒報警聲，當連續三次出現密碼錯誤時，則系統會長時間報警不止，這時必須按復位方可停止。本設計的FPGA電子密碼鎖的特點是：體積小、功耗低、價格便宜、安全可靠,維護和升級都十分方便,具有較好的應用前景。它與傳統鎖具的不同之處在于：它與可編程邏輯器件實現系統的設計，應用簡潔清晰的VHDL語言實現設計編程思想，能夠實現適時、智能控制管理功能，特別是在系統的擴展上有很好的優勢。 國內外概況隨著我國對外開放的不斷深入，高檔建筑發展很快，高檔密碼鎖具市場的前景樂觀。我國密碼鎖具行業對密碼鎖具高新技術的投入正逐年增大，高檔密碼鎖的市場需求也逐年增加[4]。在安防工程中，鎖具產品是關系到整個系統安全性的重要設備，所以鎖具產品的優劣也關系了整個安防工程的質量和驗收。目前，市場上比較先進的智能電子密碼鎖分別有：IC卡電子密碼鎖、射頻卡式電子密碼鎖、紅外遙控電子密碼鎖、指紋識別電子密碼鎖和瞳孔識別電子密碼鎖等。IC卡電子密碼鎖成本低，體積小，卡片本身無須電源等優點占領了一定的市場份額，但是由于有機械接觸，會產生接觸磨損，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，卡片使用感應電源，重量很輕，技術成熟，受到了廣泛的歡迎，但是與IC卡電子密碼鎖相比，成本偏高；指紋識別電子密碼鎖和瞳孔識別電子密碼鎖可靠性很高，安全性是目前應用系統中最高的，但是成本高昂，還沒進入大眾化使用階段[5]。在國外，美國、日本、德國的電子密碼鎖保密性較好，并結合感應卡技術，生物識別技術，使電子密碼鎖系統得到了飛躍式的發展。這幾個國家的密碼鎖識別的密碼更復雜，并且綜合性比較好，已經進入了成熟期，出現了感應卡式密碼鎖，指紋式密碼鎖，虹膜密碼鎖，面部識別密碼鎖，序列混亂的鍵盤密碼鎖等各種技術的系統，它們在安全性，方便性，易管理性等方面都各有特長，新型的電子密碼鎖系統的應用也越來越廣[6]。課題主要解決系統硬件和軟件兩方面的問題。硬件方面要解決FPGA可編程器件與其外圍電路的接口設計的問題；軟件方面主要問題是利用VHDL語言完成基于FPGA的電子密碼鎖的編程問題。除此之外，程序還要完成基本的密碼開鎖功能，并通過揚聲器長時間鳴叫報警。本設計是由FPGA可編程邏輯器件編程實現的控制電路，具體有按鍵指示、輸入錯誤提示、密碼有效指示、控制開鎖、控制報警等功能。它具有安全可靠、連接方便、簡單易用、結構緊湊、系統可擴展性好等特點。2 FPGA的相關介紹 可編程邏輯器件 在數字電子系統領域，存在三種基本的器件類型：存儲器、微處理器和邏輯器件。存儲器用來存儲隨機信息，如數據表或數據庫的內容。微處理器執行軟件指令來完成范圍廣泛的任務，如運行字處理程序或視頻游戲。邏輯器件提供特定的功能，包括器件與器件間的接口、數據通信、信號處理、數據顯示、定時和控制操作、以及系統運行所需要的所有其它功能[7]。 邏輯器件可分為兩大類，即固定邏輯器件和可編程邏輯器件。正如其命名一樣，固定邏輯器件中的電路是永久性的，它們完成一種或一組功能，一旦制造完成，就無法改變。另一方面，可編程邏輯器件（PLD）是能夠為客戶提供范圍廣泛的多種邏輯容量、特性、速度和電壓參數的標準成品部件 —— 而且此類器件可在任何時間改變，從而完成許多種不同的功能[8]。 對于固定邏輯器件，根據器件復雜性不同，從設計、原型到最終生產所需要的時間可從數月至一年多不等。而且，如果器件工作不合適，或者如果應用要求發生了變化，那么就必須開發全新的設計。設計和驗證固定邏輯的前期工作需要大量的NRE成本。NRE代表在固定邏輯器件最終從芯片制造廠