周庆芳

　　(曲靖师范学院 教育技术研究所 云南曲靖市 655011)

　　关键词：FPGA、QUARTUS Ⅱ、VHDL语言、电子密码锁

　　1 前言

　　1.1 电子密码锁的产生

　　随着科学技术的发展，在安全技术防范领域，具有防盗报警功能的电子密码锁逐渐兴起，技术上正日趋成熟，功能也越来越大。电子密码锁是一种通过密码输入来控制电路或是芯片工作，从而控制机械开关的闭合，完成开锁、闭锁任务的电子产品[1]。现在应用较广的电子密码锁是以芯片为核心，通过编程来实现的。其性能和安全性已大大超过了机械锁[2][3]，特点如下：①保密性好，编码量多，远远大于弹子锁，随机开锁成功率几乎为零。②密码可变。用户可以经常更改密码，防止密码被盗，同时也可以避免因人员的更替而使锁的密级下降。③误码输入保护。

　　2 基于FPGA的电子密码锁的原理

　　2.1 FPGA的工作原理

　　FPGA采用了逻辑单元阵列LCA(Logic Cell Array)这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块CLB(Configurable Logic Block)、输出输入模块IOB(Input Output Block)和内部连线(Interconnect)三个部分。FPGA的基本特点主要有：①采用FPGA设计ASIC电路，用户容易得到合用的芯片;②FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片;③FPGA内部有丰富的触发器和I/O引脚;④FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。

　　2.2 QuartusⅡ开发设计平台

　　本文计使用Altera公司的Quartus II软件开发平台。Quartus II软件平台能满足各种特定设计的需要，是FPGA/CPLD开发集成环境，也是单芯片可编程系统(SOPC)设计的综合性环境。

　　3 基于FPGA的电子密码锁的设计

　　3.1 电子密码锁的设计要求

　　电子密码锁的设计要求：①需具有密码锁输入功能;②设置复位按键;以便重新输入新的密码;③在密码管上显示输入次数;④拒绝接受超过规定次数的密码输入信号;⑤当输入密码正确时，在数码管上显示字符H，当输入密码不正确时，在数码管上显示字符E。

　　3.2 电子密码锁的方案设计

　　设计电子密码锁采用VDHL语言输入的方式实现[4]，通常，开发实验板上有10个按键K1~K10，其中K1~K9作为密码输入按键，K10作为复位按键，以便重新开始输入新的密码。

　　电子密码锁采用状态机和对按键输入次数计数相结合的方法，保证只有输入正确的密码，状态机才能转换到最后正确的状态，显示开锁字符。程序由7个进程组成，进程P1和P2将8Hz标准信号分频后，产生0.5s的脉冲信号(carry),与按键输入信号配合，消除按键输入的抖动，并作为状态转换进程P4的时钟输入信号。进程P3琐存按键输入信号，为状态机提供一个稳定的按键输入信号。进城P4将下一个状态(next_state)转换为当前状态(state)。进程P5产生次态信号(next_state)。只有当有按键输入和状态转移控制信号en为逻辑"1"时才能产生次态信号。进程P4和P5是电子密码锁的核心，密码的设置也是编写状态机时确定的。进程P6对按键输入次数计数，并且为显示按键输入次数的七段译码器BCD码数据。进程判断按键输入次数是否已输入了3次。如果输入密码的次数小于等于3，则状态转移控制信号en为逻辑"1"，如果输入密码的次数大于3，则状态转移控制信号en为逻辑"0"，当仍有密码输入时，禁止状态发生变化。

　　4 电子密码锁的时序仿真验证

　　电路设计完成后，需要进行功能仿真和时序仿真，验证设计结果是否满足设计要求。时序仿真在文件综合后，由FPGA适配器映射于具体的芯片，得到文件进行仿真，与器件具体特性有关，包含了器件和布线的延时信息。按要求运行仿真器并输入相应参数进行验证。

　　5 总结

　　本文设计的用FPGA器件构造电子密码锁的设计方法，所有算法完全由硬件电路来实现，由于FPGA具有现场可编程功能，当设计需要更改时，只需更改FPGA中的控制和接口电路，利用EDA工具将更新后的设计下载到FPGA中即可，无需更改外部电路的设计，大大提高了设计的效率。

　　参考文献：

　　[1]王卫兵,刘克刚,朱秋萍：《用FPGA的电子密码锁》，电子技术，2005年，32(1)：26-28。

　　[2]许琦：《基于FPGA的电子密码锁的设计》，科技信息(学术版)，2006.10。

　　[3]李连华：《基于FPGA的电子密码锁设计》，中国科技信息，2006.01，65。

　　[4]刘钰：《一种用VDHL语言设计的数字密码锁》，信息技术与信息化，2004.4,37-40。