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電子密碼鎖的EDA設(shè)計與實現(xiàn)

發(fā)布時間:2010-12-25 19:38    發(fā)布者:designer
關(guān)鍵詞: EDA , 電子密碼鎖
隨著社會物質(zhì)財富的日益增長,安全防盜已成為全社會關(guān)注的問題。基于EDA技術(shù)設(shè)計的電子密碼鎖,以其價格便宜、安全可靠、使用方便,受到了人們的普遍關(guān)注。而以現(xiàn)場可編程邏輯器件(FPGA)為設(shè)計載體,以硬件描述語言(VHDE)為主要表達方式,以QuartusⅡ開發(fā)軟件和GW48EDA開發(fā)系統(tǒng)為設(shè)計工具設(shè)計的電子密碼鎖,由于其能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)碼輸入、數(shù)碼清除、密碼解除、密碼更改、密碼上鎖和密碼解除等功能,因此,能夠滿足社會對安全防盜的要求。

1 電子密碼鎖的基本功能

電子密碼鎖主要實現(xiàn)的功能包括:

(1)數(shù)碼輸入:按下一個數(shù)字鍵,其對應(yīng)的數(shù)字就顯示在最右邊的數(shù)碼管上,同時將先前輸入的所有數(shù)字向左移動一位。設(shè)計密碼為4位,系統(tǒng)只能顯示前4位輸人的數(shù)碼。

(2)數(shù)碼清除:當按下清除鍵時,清除前面輸入的所有值,并顯示為“----”。

(3)密碼解除:按下55#鍵,可以將電子密碼鎖的舊密碼解除。

(4)密碼更改:將舊密碼解除之后,可以進行密碼更改。輸入任意四位密碼數(shù)字,再按#號就可以將輸入的數(shù)碼當作新的密碼。

(5)密碼上鎖:輸入新的密碼之后,按下11#鍵,可以進行密碼上鎖操作。

(6)密碼解鎖:按下99#鍵,再輸入數(shù)碼;如果輸入與系統(tǒng)儲存密碼一致,密碼鎖就能開啟;否則不能解鎖。

2 電子密碼鎖的結(jié)構(gòu)原理

2.1 電子密碼鎖的整體結(jié)構(gòu)

電子密碼鎖的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示,它包括密碼鎖輸入模塊、控制模塊和顯示模塊等。







2.2 密碼鎖輸入模塊

密碼鎖輸入模塊的電路框圖如圖2所示,它由時序產(chǎn)生電路、鍵盤掃描電路、彈跳消除電路、鍵盤譯碼電路和按鍵存儲電路組成。





時序產(chǎn)生電路用于產(chǎn)生電路中三種不同頻率的工作脈沖波形,包括系統(tǒng)時鐘信號、彈跳消除取樣信號和鍵盤掃描信號。

鍵盤電路可提供鍵盤掃描信號。該信號由ky3~ky0進入鍵盤,其變化的順序為1110-1101-1011-0111-1110……周而復(fù)始。掃描信號0111代表掃描的為*、0、#這一排按鍵,當*這個按鍵被按下時,由kx2~kx0讀出的值為011。按鍵位置的數(shù)碼關(guān)系如表1所列。

彈跳消除電路可避免誤操作發(fā)生。由于設(shè)計中采用的矩陣式鍵盤是機械開關(guān)結(jié)構(gòu),因此,在開關(guān)切換的瞬間,會在接觸點出現(xiàn)信號來回彈跳的現(xiàn)象。為使電子密碼鎖可靠工作,必須加上彈跳消除電路。彈跳消除電路采用軟件延時的方法消除抖動,其仿真波形如圖3所示。從圖3中可以看出,若采樣信號連續(xù)兩次或超過兩次檢測到高電平信號,說明按鍵狀態(tài)確實發(fā)生了變化,此時電路輸出一個時鐘周期的按鍵信號;否則當作抖動處理而不予理會,以此來消除抖動。





對于鍵盤譯碼電路,由于圖2中的鍵盤按鍵分為數(shù)字按鍵和功能按鍵,每一個按鍵可負責(zé)不同的功能,而鍵盤所產(chǎn)生的輸出(也就是掃描回復(fù)信號)卻無法直接拿來用作密碼鎖控制電路的輸入,所以必須由鍵盤譯碼電路來規(guī)劃每個按鍵的輸出形式,以便執(zhí)行相應(yīng)的動作。

鍵盤存儲電路可將每次掃描產(chǎn)生的新按鍵數(shù)據(jù)存儲下來,因此新數(shù)據(jù)可能會覆蓋前面的數(shù)據(jù),所以需要一個按鍵存儲電路,以將整個鍵盤掃描完畢的結(jié)果記錄下來。

圖4所示是密碼鎖輸入模塊的仿真波形,圖中,數(shù)字鍵數(shù)據(jù)“0、1、2、3、4、5、6、7、8、9”和功能鍵數(shù)據(jù)“0100、0001”所得到的輸出不同,由此可證明密碼鎖輸入模塊的正確性。







2.3 控制模塊

密碼鎖控制電路是整個電路的控制中心,主要完成對數(shù)字鍵輸入和功能鍵輸入的響應(yīng)和控制。密碼鎖控制電路的仿真波形如圖5所示。從圖5可見,其數(shù)字鍵輸入的響應(yīng)控制過程如下:

(1)按下數(shù)字鍵,第一個數(shù)字會在顯示器的最右端顯示,隨后每按下一個新數(shù)字,顯示器上已經(jīng)存在的數(shù)字整體會向左移一位,并將以新的數(shù)字顯示出來;

(2)若要更改輸入數(shù)字,則可按*鍵清除所有輸入的數(shù)字,再重新輸入數(shù)字。

(3)電子密碼鎖為4位,當輸人超過4位時,電路不予理會,且不顯示第4個以后的數(shù)字。

功能按鍵的輸入響應(yīng)控制功能如下:

(1)清除功能:按下*鍵,可清除所有輸入的數(shù)字,顯示為“----”。

(2)更改密碼:按下55#鍵,輸入舊密碼(設(shè)計中為“0000 ”),再按#鍵,即可解除舊密碼。接著輸入4位數(shù)字,再按下#鍵,就可以將4位數(shù)字作為新密碼。

(3)密碼上鎖:輸入4位新的密碼數(shù)字之后,再按11#鍵,就可以將密碼鎖上鎖。

(4)密碼解鎖:按下99#鍵可輸入密碼解鎖,假如輸入“2345”這個密碼,然后按下#鍵,系統(tǒng)將比較鍵盤輸入的數(shù)碼和寄存器中的數(shù)碼,如果一致,就會給出一個開鎖信號,密碼鎖開鎖;否則密碼輸入無效。

2.4 顯示模塊

本電子密碼鎖的顯示模塊比較簡單,其作用是將控制模塊的BCD碼輸出轉(zhuǎn)換為7段顯示編碼,然后驅(qū)動數(shù)碼管,其仿真波形如圖6所示。





3 電子密碼鎖的整合和驗證

要完成電子密碼鎖的設(shè)計,還必須將上述三個功能模塊進行整合。其整合電路圖如圖1所示。

本設(shè)計選用杭州康芯電子有限公司生產(chǎn)的GW48EDA系統(tǒng)作為硬件驗證系統(tǒng),同時選用Altera公司的EPlK30TC144-3作為主控芯片。該芯片是一種基于查找表結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場可編程邏輯器件,它的基本邏輯單元是可編程的查找表,能夠?qū)崿F(xiàn)組合邏輯運算,并可用可編程寄存器實現(xiàn)時序邏輯運算。設(shè)計時只需要對電子密碼鎖整體設(shè)計中的輸入輸出引腳作引腳鎖定,然后重新編譯和下載,即可進行電子密碼鎖的硬件驗證。實驗表明:本設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)電子密碼鎖的全部功能。

4 結(jié)束語

本文以現(xiàn)場可編程邏輯器件(FPGA)為設(shè)計載體,以硬件描述語言(VHDL)為主要表達方式,以QuartusⅡ開發(fā)軟件和GW48EDA開發(fā)系統(tǒng)為設(shè)計工具設(shè)計了一種具有密碼輸入、數(shù)碼清除、密碼解除、密碼設(shè)置和密碼激活等功能的電子密碼鎖。同時闡述電子密碼鎖的工作原理和軟硬件實現(xiàn)方法。對該電子密碼鎖進行時序仿真和硬件驗證的結(jié)果表明:該電路能夠?qū)崿F(xiàn)所要求的功能。由于本設(shè)計中的FPGA芯片體積小,功耗低,價格便宜,安全可靠,稍加修改就可以改變密碼的位數(shù),而且維護和升級比較方便,很容易做成ASIC芯片,因而具有較好的應(yīng)用前景。
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