基于FPGA的数字密码锁

CPLD/FPGA课程设计项目名称：基于FPGA的数字密码锁设计专业班级：学生学号：学生姓名：指导老师：2016年6月4日摘要本设计是基于现场可编程门阵列FPGA器件的电子密码锁的设计。通过Verilog语言控制4位二进制数，组成数字排列，形成一个简单的数字密码锁，假设预设密码为4位数：0000，当输入正确时输出为1、输入错误时输出为0。同时输出输入的次数，当3次以上输入错误时，输出一个报警信号，即使第四、五次输入正确也输出报警信号。本设计利用Modelsim软件编写VerilogHDL硬件描述语言程序以实现输入密码、开锁、报警功能。通过仿真调试，利用可编程器件FPGA的电子密码锁的设计基本达到了预期目的。关键词：现场可编程门阵列；数字密码锁；VerilogHDL；AbstractThisdesignistheelectroniccodelockfieldprogrammablegatearrayFPGAdevicesbaseddesign.ByVeriloglanguagecontrol4-bitbinarynumber,composedoffiguresarrangedtoformasimpledigitallock,assumingthatthedefaultpasswordis4digits:0000,correctoutputwhentheinputis1,theoutputoftheinputerrortozero.Atthesametimethenumberofinputandoutput,andwhenmorethanthreetimestheinputerror,analarmsignalisoutput,evenifthefourthandfifthalsoenterthecorrectoutputalarmsignal.ThisdesignusesModelsimsoftwarewriteVerilogHDLhardwaredescriptionlanguageprogramtoimplementapasswordlock,alarmfunction.Thesimulationdebugging,usingtheprogrammabledeviceFPGAdesignbasicelectroniclockstoachievethedesiredpurpose.Keywords:FPGA；Thedigitalcombinationlock；VerilogHDL；目录第1章所选项目的研究意义概述数字密码锁是一个小型的数字系统，与普通机械锁相比,具有许多独特的优点:保密性好,防盗性强,可以不用钥匙,记住密码即可开锁等。在人们平时生活中，贵重物品或个人信息资料大多数都已加锁的方式进行保管。如果使用传统的机械锁进行对物品及资料的保管，那么人们要携带很多把钥匙在身上，携带非常不便，而且钥匙丢失将对物品保管的安全性大打折扣，也为人们的生活及心情带来不便。随着生活质量的不断提高，加强家庭防盗安全变得非常重要，但传统机械锁的构造过于简单，很容易被打开，从而降低了安全性。数字密码锁因为它的保密性很高，安全系数也非常高，再加上其不需要携带避免了丢失的可能，省去了因钥匙丢失而需要换锁的麻烦，受到了越来越多的人的欢迎。随着人们对高科技产品也越来越推崇，在当今社会科技的高度集中和创新，人们对日常生活中保护自身及财产安全的物品非常追捧，对其安全性的要求也非常的高。为了达到人们对锁具安全性的高要求，加强锁具的安全保密性，用密码锁来取代传统机械锁的锁具是必然趋势。数字密码锁比传统机械锁具更加的安全[1]。锁具发展到现在已有若干年的历史了，锁是用于保管物品的器件，用来关住某种器物的一种器具。其必须用钥匙才能打开。所以在人们的日常生活中离不开锁，这使得我们队锁具的结构和原理也多少有些了解，因此，就有了不借用钥匙就打开锁的方法。锁具都存在致命的弱点，比如锁芯采用常见的铜、锌、铝等材料容易遭到暴力破坏，还有就是锁具制作工艺的技术落后,从而导致防盗功能缺失,目前，国内市场的锁具，实际上都不具备真正的防盗功能,在惯偷面前用几件简单工具就可以轻松打开这些锁,其实不是他们多么的高明，而是一般锁具的原理过于简单,面对这一社会现状，新时代提出了锁具必须改革的迫切需求[2]。安全防盗已成为人们所关注的焦点。然而传统机械弹子锁安全性低，密码量少且需时刻携带钥匙使其无法满足一些特定场合的应用要求，特别是在人员经常变动的公共场所，目前使用的密码锁主要有两个方案：一是基于用分立元件实现的，二是通过现代人体生物特征识别技术实现的，前者电路较复杂且灵活性差，无法满足应用要求；后者有其先进性但需考虑成本和安全性等诸多因素。基于此，本文设计了一种新型电子密码锁，采用FPGA芯片，目前以硬件描述语言（Verilog或?）所完成的电路设计，可以经过简单的综合与布局，快速的烧录至FPGA上进行测试，是现代IC设计验证的技术主流[3]。这些可编辑元件可以被用来实现一些基本的逻辑门电路（比如AND、OR、XOR、NOT）或者更复杂一些的组合功能比如解码器或数学方程式。在大多数的FPGA里面，这些可编辑的元件里也包含记忆元件例如触发器（Flip－flop）或者其他更加完整的记忆块。FPGA一般来说比（专用集成芯片）的速度要慢，无法完成复杂的设计，而且消耗更多的电能。但是他们也有很多的优点比如可以快速成品，可以被修改来改正程序中的错误和更便宜的造价。厂商也可能会提供便宜的但是编辑能力差的FPGA。因为这些芯片有比较差的可编辑能力，所以这些设计的开发是在普通的FPGA上完成的，然后将设计转移到一个类似于ASIC的芯片上。另外一种方法是用CPLD（复杂可编程逻辑器件备）[4]。因此，随着电子技术的飞速发展数字密码锁的产生是必然，其在使用的方便性、防盗报警功能、智能管理等方面都是传统机械锁无法比拟的，在对安全性有较高要求的设施及场所中得到了广泛应用。数字密码锁的研究现状现如今，随着高新技术的涌入，对传统锁具进行了很大的的改进，锁具的防盗性能得到了充分的加强，由传统锁具改进的智能密码锁已成为现如今安防系统中最强大的组成部分，它的作用是每一个传统机械锁具无法取代的。由于其在市场中巨大的潜力，国内外许多的公司都投入很大的人力、物力来从事智能数字密码锁的研究开发生产。目前，市场上比较先进的智能电子密码锁分别有：IC卡电子密码锁、射频卡式电子密码锁、红外遥控电子密码锁、指纹识别电子密码锁和瞳孔识别电子密码锁等。IC卡电子密码锁成本低，体积小，卡片本身无须电源等优点占领了一定的市场份额，但是由于有机械接触，会产生接触磨损，而且使用不太方便，在一定程度上限制了它的应用；射频卡式电子密码锁是非接触式电子密码锁，成本也不太高，体积跟IC卡密码锁相当，卡片使用感应电源，重量很轻，技术成熟，受到了广泛的欢迎，但是与IC卡电子密码锁相比，成本偏高；指纹识别电子密码锁和瞳孔识别电子密码锁可靠性很高，安全性是目前应用系统中最高的，但是成本高昂，还没进入大众化使用阶段[5]。在国外，美国、日本、德国的电子密码锁保密性较好，并结合感应卡技术，生物识别技术，使电子密码锁系统得到了飞跃式的发展。这几个国家的密码锁识别的密码更复杂，并且综合性比较好，已经进入了成熟期，出现了感应卡式密码锁，指纹式密码锁，虹膜密码锁，面部识别密码锁，序列混乱的键盘密码锁等各种技术的系统，它们在安全性，方便性，易管理性等方面都各有特长，新型的电子密码锁系统的应用也越来越广。数字密码锁的应用密码锁具有安全性高、成本低、功耗低、易操作等优点。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代替传统的机械式密码锁，克服了机械式密码锁密码量少、安全性能差的缺点，使密码锁无论在技术上还是在性能上都大大提高一步[6]。随着大规模集成电路技术的发展，出现了带微处理器的智能密码锁，它除具有电子密码锁的功能外，还引入了智能化管理、专家分析系统等功能，从而使密码锁具有很高的安全性、可靠性，应用日益广泛[7].随着人们对安全的重视和科技的发展，许多电子智能锁（指纹识别、IC卡辨认）已在国内外相继面世。但是这些产品的特点是针对特定的指纹和有效卡，只能适用于保密要求的箱、柜、门等。而且指纹识识别器若在公共场所使用存在容易机械损坏，IC卡还存在容易丢失、损坏等特点。加上其成本较高，一定程度上限制了这类产品的普及和推广。鉴于目前的技术水平与市场的接收程度，电子密码锁是这类电子防盗产品的主流[8]。数字密码锁的困难HDL语言的程序设计和控制函数的调用编写VerilogHDL语言时，输入4位密码未能和程序预设密码进行比较，无论密码输入正确与否，锁均不打开，而且报警计数器也不进行+1操作。在程序编译时，函数调未能调用成功。2.报警程序模块的设计计数器+1操作进行时，系统中断，从而导致系统重置，计数器又从0开始进行+1操作，导致系统不报警。3.用Modelsim仿真软件波形时，为准确输出正确波形在程序编写时，未考虑初始密码，导致波形错误。本文研究意义电子杂志、报刊经常刊登有密码开关、密码锁这样的电路，大多数是使用常用的数字电路，如CD4017，然后通过不同的连接方式实现密码控制功能。这种电路的特点就是密码修改只能通过改变电路的连接来实现，密码很容易被破解，电路复杂，故障率高。本制作是针对这些电路而设计的，将以往的以单片机实现设计改为可编程器件FPGA利用VerilogHDL编程实现电子密码锁的设计。这种设计移动方便。基于FPGA的电子密码锁具有保密强、灵活性高、适用范围广等特点，它在键盘上输入，与打电话差不多，因而易于掌握，其突出优点是“密码”是记在被授权人脑子里的数字和字符，既准确又可靠，不会丢失（除了忘记），难以被窃（除非自己泄露）。但是密码不能太简单，太简单了就容易被他人在键盘上试探出来，或者可能被旁观者窥测出来，造成保密性不足。当然，密码又不能太复杂，太复杂了可能自己都糊涂了，或者输入密码操作成功率低，造成使用不便。因此，为了发扬优点、克服弱点，本设计采用“任意设定数字密码”技术使得被授权人可以根据自己的需要或喜好设定密码，常用常新，在输入密码的过程中，当连续三次出现密码错误时，则系统会长时间报警不止，这时必须按复位方可停止。本设计的FPGA电子密码锁的特点是：体积小、功耗低、价格便宜、安全可靠,维护和升级都十分方便,具有较好的应用前景。它与传统锁具的不同之处在于：它与可编程逻辑器件实现系统的设计，应用简洁清晰的VerilogHDL语言实现设计编程思想，能够实现适时、智能控制管理功能，特别是在系统的扩展上有很好的优势[9]。设计思路基于FPGA实现的数字密码锁设计中，主要包括4大部分：FPGA器件、密码存储、译码电路、报警电路。其中FPGA为主控部分，将消除同步模块、计数器模块、控制器模块都用VerilogHDL语言写入FPGA中代替了传统复杂的电路设计，也省去了很多繁琐的调试步骤。只有这些模块在Modelsim平台通过了仿真，就可以实现传统电路模块的功能。本次设计的数字密码锁主要是利用软件的编程来对主控模块的实现。当通过按键输入密码后，就把输入的信号送给FPGA，FPGA经过里面个模块的处理后传给了各输出电路模块。密码存储器主要是用来存储密码和防止电源掉电而导致密码锁的数据丢失和提高密码锁的安全性。对于本次密码锁的初步设计，首先要有一个大体的思路。本次设计采用FPGA为核心器件，通过Modelsim对其进行程序仿真，组成的完整系统。程序通过采集输入信息，与FPGA的存储值进行比较，如果密码正确，则开锁电路打开；如果密码错误，锁不打开，并且计数器进行+1操作；累计3次输入密码错误，给警报一个高电平，让其报警。第2章设计方案功能定义数字密码锁具体功能如下：（1）用户初次使用，可按下am_en键进行密码设置。（2）开锁时一次完整的输入密码，当输入的密码与设置的密码相同时密码锁打开，即lockopen为高电平，连接的绿灯亮；否则密码锁关闭，即warn_en为高电平，连