摘要：本文設(shè)計的基于FPGA的電子密碼鎖，具有記憶和修改6位密碼、輸入密碼位數(shù)指示及防止多次試探密碼等功能，與銀行卡的原理和功能極其相似，使得密碼鎖的保密和安全性能進一步增強。最后，給出了在Quartus II軟件開發(fā)平臺上實現(xiàn)密碼鎖各項功能的仿真圖，并在FPGA芯片EP1K30TC144-3上通過了驗證。
關(guān)鍵詞：現(xiàn)場可編程門陣列；超高速集成電路硬件描述語言；密碼鎖

0 引言
    電子密碼鎖能保護用戶的重要資料不被非法用戶所竊取，目前使用的電子密碼鎖大多以單片機為控制器，通過運行程序完成密碼鎖的各項功能。由于受到外部干擾的影響，單片機很容易將程序“跑飛”，因而可靠性較差。仿照銀行卡輸入密碼的原理，本文介紹了一種基于FG-PA的多功能密碼鎖的設(shè)計和實現(xiàn)方案，由于采用純硬件實現(xiàn)，使得可靠性和安全性大大提高。

1 電子密碼鎖的功能要求
    設(shè)計的密碼鎖至少具有下列功能：
    (1)6位密碼，與銀行卡密碼位數(shù)相同；
    (2)每位密碼采用十六進制數(shù)，與十進制數(shù)密碼相比，密碼被破譯的概率大大降低；
    (3)每位密碼按下時，有密碼位數(shù)指示，類似自動取款機輸入密碼時有“*”號提示；
    (4)密碼輸入過程中密碼有誤時，能對已經(jīng)輸入的密碼清除以便重新輸入密碼；
    (5)6位密碼輸入都正確后，應(yīng)有開鎖指示，上鎖時也應(yīng)有上鎖指示；
    (6)密碼連續(xù)三次輸入錯誤，密碼鎖死鎖，并開啟報警，防止竊賊多次試探密碼；
    (7)初始密碼默認為“123456”，密碼可以修改，在密碼鎖打開狀態(tài)下，再一次輸入正確的舊密碼及兩次輸入的新密碼一致時，密碼才能修改成功。

2 密碼鎖的系統(tǒng)構(gòu)成
    根據(jù)密碼鎖具有的功能，可將其實現(xiàn)的功能劃分成分頻模塊、鍵盤和數(shù)碼管掃描模塊、按鍵抖動消除模塊、按鍵編碼模塊、鍵值到7段數(shù)碼管譯碼顯示模塊和主控制模塊等6個子模塊，如圖1所示。

    (1)分頻模塊。它對系統(tǒng)的主時鐘進行分頻，以產(chǎn)生4×8小鍵盤的列掃描信號和6位數(shù)碼管的列掃描信號所需要的時鐘。分頻是因為消除按鍵抖動的計數(shù)器時鐘要比分頻后掃描時鐘高得多。
    (2)鍵盤和數(shù)碼管掃描模塊。它檢測到分頻輸出信號的上升沿到來時，就對掃描的列加1，當掃描到最后一列即第7列，再從第0列開始掃描。當檢測到有鍵按下的掃描控制信號時，則停止列掃描，直至按鍵釋放后，再接著掃描下一列。數(shù)碼管的6列掃描信號和小鍵盤的8列掃描信號可以共用，當掃描到小鍵盤的第6、7列時，并沒有掃描6位數(shù)碼管，由于掃描速度足夠快，這并不影響數(shù)碼管的動態(tài)顯示。
    (3)按鍵抖動消除模塊。機械鍵按下時，會產(chǎn)生抖動現(xiàn)象，若不消除，一次按鍵會被錯誤地認為同一鍵被多次按下，從而造成無法正確地輸入密碼。消除的方法可以采用硬件方法如RS觸發(fā)器和軟件延時方法，本文采用后者。
    (4)按鍵編碼模塊。它負責將按下鍵的行列位置碼編碼成0～31的鍵值碼，鍵值0～15當作有效的16進制數(shù)輸入密碼位，大于等于16的鍵值可以定義成功能鍵，如定義清除密碼鍵[Clear]鍵值為17，確認鍵[Enter]鍵值為23，修改密碼鍵[Chgsecret]鍵值為24，其他沒有定義的鍵可
以預(yù)留升級時的備用功能鍵。
    (5)譯碼顯示模塊。它負責將按下的數(shù)值鍵0～F譯碼成7段LED共陰極字型碼。
    (6)主控模塊。它依據(jù)消除抖動后產(chǎn)生的按鍵釋放信號koff及按下的是數(shù)值鍵或功能鍵決定轉(zhuǎn)移的下一狀態(tài)，在不同的狀態(tài)完成密碼的比較、修改及多次試探密碼報警提示等多項控制功能。
3 軟件實現(xiàn)
    本文采用VHDL語言實現(xiàn)本密碼鎖系統(tǒng)的設(shè)計。對系統(tǒng)中劃分出的每一個模塊功能都可以采用一個進程來描述。分頻、掃描和譯碼顯示三個功能模塊都比較簡單，本文只重點介紹剩余的3個模塊實現(xiàn)原理及進程中的部分關(guān)鍵代碼。完整的代碼可以向本文作者發(fā)郵件索取。
    根據(jù)主控制模塊實現(xiàn)的功能，可以整理成如下圖2所示的流程圖，圖中對修改密碼的流程作了省略。

    實現(xiàn)圖2流程的部分關(guān)鍵代碼如下：

    完成消除抖動的進程是在按鍵釋放后還要經(jīng)過若干個時鐘的延遲再判斷按鍵是否釋放，若真的釋放，信號koff才從0變?yōu)?，該信號也是控制模塊根據(jù)密碼輸入進行狀態(tài)轉(zhuǎn)移的觸發(fā)信號。例如按下鍵產(chǎn)生的前沿抖動，這個抖動產(chǎn)生的假釋放高電壓一般不會持續(xù)太多個時鐘(若系統(tǒng)的時鐘頻率高可以增加代碼中計數(shù)器的位寬以增加延時)，之后又變?yōu)榉€(wěn)定的低電平，則該進程再一次對計數(shù)器進行清零，重新判斷。

    鍵值編碼功能是將按下鍵的行列位置碼賦予相應(yīng)的鍵值，自然地將0～F鍵定義成鍵值為0～15，功能鍵的定義比較隨意。實現(xiàn)的部分代碼如下：
   

4 仿真結(jié)果
    本設(shè)計在QuartusⅡ9．0軟件平臺上進行了密碼鎖各項功能的波形仿真。
    圖3是輸入了錯誤的密碼123450并按下enter鍵(鍵值23)后，密碼鎖沒有打開的仿真圖，圖4是輸入正確的密碼123456和enter鍵后，密碼鎖能打開的仿真圖。

    圖5是先輸入了一位密碼9，又按了clead鍵(鍵值17)，接著又輸入了正確的密碼123456和enter鍵后，鎖能正確打開的仿真圖。

    圖6是第一次輸入密碼123450，第二次輸入了521087，第三次輸入了450313，3次錯誤的密碼后，啟動防止多次試探密碼功能，密碼鎖進入報警狀態(tài)，并維持在報警狀態(tài)不退出，相當于密碼鎖處于死鎖狀態(tài)。
    圖3～6中的codel～code6是臨時存儲輸入密碼的寄存器。另外，在開鎖狀態(tài)下，按下修改密碼Chgsecrer鍵時，進行修改密碼的仿真圖，由于輸入輸出的數(shù)據(jù)量很多，全景視圖時不是很清楚，只能局部放大瀏覽，這里不再給出。

5 結(jié)論
    本密碼鎖的各項功能也在FPGA芯片上EP1K30TC144-3下載通過了驗證，實驗表明，此密碼鎖運行穩(wěn)定可靠，各項功能都能滿足要求。在實際應(yīng)用中可將數(shù)碼管顯示的密碼一律都用“-”來顯示，起到隱藏密碼位的目的