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隨著(zhù)社會(huì )物質(zhì)財富的日益增長(cháng)，安全防盜已成為全社會(huì )關(guān)注的問(wèn)題�；�EDA技術(shù)設計的電子密碼鎖，以其價(jià)格便宜、安全可靠、使用方便，受到了人們的普遍關(guān)注。而以現場(chǎng)可編程邏輯器件(FPGA)為設計載體，以硬件描述語(yǔ)言(VHDE)為主要表達方式，以QuartusⅡ開(kāi)發(fā)軟件和GW48EDA開(kāi)發(fā)系統為設計工具設計的電子密碼鎖，由于其能夠實(shí)現數碼輸入、數碼清除、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(mǎn)足社會(huì )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(shí)現的功能包括： (1)數碼輸入：按下一個(gè)數字鍵，其對應的數字就顯示在最右邊的數碼管上，同時(shí)將先前輸入的所有數字向左移動(dòng)一位。設計密碼為4位，系統只能顯示前4位輸人的數碼。 (2)數碼清除：當按下清除鍵時(shí)，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(jìn)行密碼更改。輸入任意四位密碼數字，再按#號就可以將輸入的數碼當作新的密碼。 (5)密碼上鎖：輸入新的密碼之后，按下11#鍵，可以進(jìn)行密碼上鎖操作。 (6)密碼解鎖：按下99#鍵，再輸入數碼；如果輸入與系統儲存密碼一致，密碼鎖就能開(kāi)啟；否則不能解鎖。 2 電子密碼鎖的結構原理 2.1 電子密碼鎖的整體結構 電子密碼鎖的整體結構如圖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(shí)序產(chǎn)生電路、鍵盤(pán)掃描電路、彈跳消除電路、鍵盤(pán)譯碼電路和按鍵存儲電路組成。 時(shí)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，包括系統時(shí)鐘信號、彈跳消除取樣信號和鍵盤(pán)掃描信號。 鍵盤(pán)電路可提供鍵盤(pán)掃描信號。該信號由ky3～ky0進(jìn)入鍵盤(pán)，其變化的順序為1110-1101-1011-0111-1110……周而復始。掃描信號0111代表掃描的為*、0、#這一排按鍵，當*這個(gè)按鍵被按下時(shí)，由kx2～kx0讀出的值為011。按鍵位置的數碼關(guān)系如表1所列。 彈跳消除電路可避免誤操作發(fā)生。由于設計中采用的矩陣式鍵盤(pán)是機械開(kāi)關(guān)結構，因此，在開(kāi)關(guān)切換的瞬間，會(huì )在接觸點(diǎn)出現信號來(lái)回彈跳的現象。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(shí)的方法消除抖動(dòng)，其仿真波形如圖3所示。從圖3中可以看出，若采樣信號連續兩次或超過(guò)兩次檢測到高電平信號，說(shuō)明按鍵狀態(tài)確實(shí)發(fā)生了變化，此時(shí)電路輸出一個(gè)時(shí)鐘周期的按鍵信號；否則當作抖動(dòng)處理而不予理會(huì )，以此來(lái)消除抖動(dòng)。 對于鍵盤(pán)譯碼電路，由于圖2中的鍵盤(pán)按鍵分為數字按鍵和功能按鍵，每一個(gè)按鍵可負責不同的功能，而鍵盤(pán)所產(chǎn)生的輸出(也就是掃描回復信號)卻無(wú)法直接拿來(lái)用作密碼鎖控制電路的輸入，所以必須由鍵盤(pán)譯碼電路來(lái)規劃每個(gè)按鍵的輸出形式，以便執行相應的動(dòng)作。 鍵盤(pán)存儲電路可將每次掃描產(chǎn)生的新按鍵數據存儲下來(lái)，因此新數據可能會(huì )覆蓋前面的數據，所以需要一個(gè)按鍵存儲電路，以將整個(gè)鍵盤(pán)掃描完畢的結果記錄下來(lái)。 圖4所示是密碼鎖輸入模塊的仿真波形，圖中，數字鍵數據“0、1、2、3、4、5、6、7、8、9”和功能鍵數據“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(gè)電路的控制中心，主要完成對數字鍵輸入和功能鍵輸入的響應和控制。密碼鎖控制電路的仿真波形如圖5所示。從圖5可見(jiàn)，其數字鍵輸入的響應控制過(guò)程如下： (1)按下數字鍵，第一個(gè)數字會(huì )在顯示器的最右端顯示，隨后每按下一個(gè)新數字，顯示器上已經(jīng)存在的數字整體會(huì )向左移一位，并將以新的數字顯示出來(lái)； (2)若要更改輸入數字，則可按*鍵清除所有輸入的數字，再重新輸入數字。 (3)電子密碼鎖為4位，當輸人超過(guò)4位時(shí)，電路不予理會(huì )，且不顯示第4個(gè)以后的數字。 功能按鍵的輸入響應控制功能如下： (1)清除功能：按下*鍵，可清除所有輸入的數字，顯示為“----”。 (2)更改密碼：按下55#鍵，輸入舊密碼(設計中為“0000 ”)，再按#鍵，即可解除舊密碼。接著(zhù)輸入4位數字，再按下#鍵，就可以將4位數字作為新密碼。 (3)密碼上鎖：輸入4位新的密碼數字之后，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(gè)密碼，然后按下#鍵，系統將比較鍵盤(pán)輸入的數碼和寄存器中的數碼，如果一致，就會(huì )給出一個(gè)開(kāi)鎖信號，密碼鎖開(kāi)鎖；否則密碼輸入無(wú)效。 2.4 顯示模塊 本電子密碼鎖的顯示模塊比較簡(jiǎn)單，其作用是將控制模塊的BCD碼輸出轉換為7段顯示編碼，然后驅動(dòng)數碼管，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計，還必須將上述三個(gè)功能模塊進(jìn)行整合。其整合電路圖如圖1所示。 本設計選用杭州康芯電子有限公司生產(chǎn)的GW48EDA系統作為硬件驗證系統，同時(shí)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構的現場(chǎng)可編程邏輯器件，它的基本邏輯單元是可編程的查找表，能夠實(shí)現組合邏輯運算，并可用可編程寄存器實(shí)現時(shí)序邏輯運算。設計時(shí)只需要對電子密碼鎖整體設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(jìn)行電子密碼鎖的硬件驗證。實(shí)驗表明：本設計能夠實(shí)現電子密碼鎖的全部功能。 4 結束語(yǔ) 本文以現場(chǎng)可編程邏輯器件(FPGA)為設計載體，以硬件描述語(yǔ)言(VHDL)為主要表達方式，以QuartusⅡ開(kāi)發(fā)軟件和GW48EDA開(kāi)發(fā)系統為設計工具設計了一種具有密碼輸入、數碼清除、密碼解除、密碼設置和密碼激活等功能的電子密碼鎖。同時(shí)闡述電子密碼鎖的工作原理和軟硬件實(shí)現方法。對該電子密碼鎖進(jìn)行時(shí)序仿真和硬件驗證的結果表明：該電路能夠實(shí)現所要求的功能。由于本設計中的FPGA芯片體積小，功耗低，價(jià)格便宜，安全可靠，稍加修改就可以改變密碼的位數，而且維護和升級比較方便，很容易做成ASIC芯片，因而具有較好的應用前景。 |
