基于fpga的電子密碼鎖的設(shè)計(jì)論文-wenkub

　

【正文】 erconnect）三個(gè)部分。這是因?yàn)镻LD基于可重寫的存儲器技術(shù)——要改變設(shè)計(jì)，只需要簡單地對器件進(jìn)行重新編程。然后，可快速將設(shè)計(jì)編程到器件中，并立即在實(shí)際運(yùn)行的電路中對設(shè)計(jì)進(jìn)行測試。設(shè)計(jì)和驗(yàn)證固定邏輯的前期工作需要大量的NRE成本。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。存儲器用來存儲隨機(jī)信息，如數(shù)據(jù)表或數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容。除此之外，程序還要完成基本的密碼開鎖功能，并通過揚(yáng)聲器長時(shí)間鳴叫報(bào)警。在國外，美國、日本、德國的電子密碼鎖保密性較好，并結(jié)合感應(yīng)卡技術(shù)，生物識別技術(shù)，使電子密碼鎖系統(tǒng)得到了飛躍式的發(fā)展。我國密碼鎖具行業(yè)對密碼鎖具高新技術(shù)的投入正逐年增大，高檔密碼鎖的市場需求也逐年增加[4]。因此，為了發(fā)揚(yáng)優(yōu)點(diǎn)、克服弱點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用“任意設(shè)定數(shù)字密碼”技術(shù)使得被授權(quán)人可以根據(jù)自己的需要或喜好設(shè)定密碼，常用常新，在輸入密碼的過程中，當(dāng)用戶鍵入錯(cuò)誤密碼時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)報(bào)警，由揚(yáng)聲器發(fā)出5秒報(bào)警聲，當(dāng)連續(xù)三次出現(xiàn)密碼錯(cuò)誤時(shí)，則系統(tǒng)會(huì)長時(shí)間報(bào)警不止，這時(shí)必須按復(fù)位方可停止。這種設(shè)計(jì)移動(dòng)方便。而且由于硬件可升級，還可隨時(shí)增加密碼位數(shù)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]。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[2]。它早已超越了單純的門道及鑰匙管理，逐漸發(fā)展成為一套完整的出入管理系統(tǒng)[1]。關(guān)鍵詞：現(xiàn)場可編程門陣列, 硬件描述語言, 電子密碼鎖, 揚(yáng)聲器 1 緒言系統(tǒng)以利用可編程器件實(shí)現(xiàn)電子密碼鎖的設(shè)計(jì)為研究背景、現(xiàn)狀以及發(fā)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。本文介紹一種基于現(xiàn)場可編程門陣列FPGA 器件的電子密碼鎖的設(shè)計(jì)方法采用VHDL語言對系統(tǒng)進(jìn)行描述，并在FLEX10K10LC844上實(shí)現(xiàn)。基于FPGA的多功能電子密碼鎖參賽隊(duì)員：譚建軍摘要 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, 記住密碼即可開鎖等。系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的功能：用戶給電子密碼鎖設(shè)定一個(gè)密碼，當(dāng)使用本機(jī)鍵盤開鎖時(shí)，該密碼與用戶設(shè)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(yáng)聲器報(bào)警，直到按復(fù)位鍵才允許再次輸入代碼。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)。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。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，用于各類保險(xiǎn)柜、房門、防盜門等等。 課題研究的目的和意義電子雜志、報(bào)刊經(jīng)常刊登有密碼開關(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，然后通過不同的連接方式實(shí)現(xiàn)密碼控制功能。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)，它在鍵盤上輸入，與打電話差不多，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)和升級都十分方便,具有較好的應(yīng)用前景。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。這幾個(gè)國家的密碼鎖識別的密碼更復(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，面部識別密碼鎖，序列混亂的鍵盤密碼鎖等各種技術(shù)的系統(tǒng)，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(tǒng)的應(yīng)用也越來越廣[6]。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、控制開鎖、控制報(bào)警等功能。微處理器執(zhí)行軟件指令來完成范圍廣泛的任務(wù)，如運(yùn)行字處理程序或視頻游戲。另一方面，可編程邏輯器件（PLD）是能夠?yàn)榭蛻籼峁┓秶鷱V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 —— 而且此類器件可在任何時(shí)間改變，從而完成許多種不同的功能[8]。NRE代表在固定邏輯器件最終從芯片制造廠制造出來以前客戶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。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、或汽車導(dǎo)航系統(tǒng)）時(shí)所使用的PLD完全相同。一旦設(shè)計(jì)完成，客戶可立即投入生產(chǎn)，只需要利用最終軟件設(shè)計(jì)文件簡單地編程所需要數(shù)量的PLD就可以了。FPGA的基本特點(diǎn)主要有：1）采用FPGA設(shè)計(jì)ASIC電路，用戶不需要投片生產(chǎn)，就能得到合用的芯片。　5）FPGA采用高速CHMOS工藝，功耗低，可以與CMOS、TTL電平兼容。用戶可以根據(jù)不同的配置模式，采用不同的編程方式。當(dāng)需要修改FPGA功能時(shí)，只需換一片EPROM即可。 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]。（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 存貯器類型有雙口SRAM ROM FIFO 可用于存貯信號處理的系數(shù) 中間結(jié)果等 這對設(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)信號的需要 CPLD/FPGA的時(shí)鐘延遲可達(dá)納秒級 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)測控方面有非常廣闊的應(yīng)用前景。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的極具知識經(jīng)濟(jì)特征的IP 芯核產(chǎn)業(yè)的崛起 正越來越受到電子技術(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)專家指出 基于EDA的CPLD/FPGA的應(yīng)用和技術(shù)推廣是我國未來電子設(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)是我國在新世紀(jì)知識經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要切入點(diǎn)之一[12]。VHDL(VHSIC Hardware Description Language)是用來描述從抽象到具體級別硬件的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)語言 ,它是由美國國防部在 20 世紀(jì) 80 年代開發(fā)的 HDL ,現(xiàn)在已成為 IEEE承認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語言。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語言的基本結(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[16]。（5）庫（LIBRARY）庫具體對程序包聲明的數(shù)據(jù)類型和子程序進(jìn)行功能說明。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)過自動(dòng)綜合工具轉(zhuǎn)換到門級電路網(wǎng)表。VHDL的應(yīng)用已成為當(dāng)今以及未來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]。 方案二：設(shè)計(jì)一種基于FPGA的電子密碼