2022年论文FPGA电子密码锁设计方案.docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用摘要随着电子技术的进展,具有防盗报警等功能的电子密码锁代替密码量少、安全性 差的机械式密码锁已是必定趋势；电子密码锁与一般机械锁相比,具有很多特殊的优 点：保密性好,防盗性强,可以不用钥匙,记住密码即可开锁等；目前使用的电子密 码锁大部分是基于单片机技术,以单片机为主要器件,其编码器与解码器的生成为软 件方式；在实际应用中,由于程序简洁跑飞,系统的牢靠性能较差；本文主要阐述了一种基于现场可编程门阵列 FPGA 器件的电子密码锁的设计方 法；用 FPGA 器件构造系统,全部算法完全由硬件电路来实现,使得系统的工作牢靠 性

2、大为提高；由于 FPGA 具有现场可编程功能,当设计需要更换时,只需更换 FPGA 中的掌握和接口电路,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；因此,采纳 FPGA 开发的数字系统,不 仅具有很高的工作牢靠性,而且升级也极其便利；本文采纳 EDA 技术,利用 Quartus II 工作平台和硬件描述语言,设计了一种电 子密码锁,并通过一片 FPGA 芯片实现；关键词：关键词：电子密码锁；FPGA；硬件描述语言；EDA Abstract With the development of electronic technology, e

3、lectronic password lock with burglar alarm and other functions replacing less password and poor security mechanical code lock is an inevitable trend. compared electronic password lock with ordinary mechanical locks, it has many unique advantages ： confidentiality, and security in nature, do not use

4、the key, remember password can unlock it etc .Most electronic password locks we used now is based upon SCM technology ,SCM is its mainly device ,and the creating of encoding and decoding devices is the fashion of Software mode. In practical application, of the reliability of the system may be worse

5、because of easy running fly the programme. This paper mainly expatiates a design method of electronic password lock based upon Field Programmable Gate Array device. We use FPGA devices to construct system , all of the algorithm entirely achieved by the hardware circuit , because of FPGA has the func

6、tion of ISP , when the design needs to be changed We only need to change the control and interface circuit of FPGA,EDA tools are used to download the updated design to FPGA without changing the design of the external circuit , this greatly enhance the efficiency of the design .Therefore , we use FPG

7、A to empolder the digital system has not only high reliability but also extremely convenient of upgrading and improvement .In this paper ,we use EDA technology , Quartus II platform and hardware description language designing an electronic password lock ,and it achieved through an FPGA chip. Key wor

8、ds ：electronic password lock；FPGA；hardware description language ； EDA ：目 录名师归纳总结 1 绪论 标题部分的格式很多不对,检查修改） 1 1.1 本课题讨论的国内外现状第 1 页,共 18 页及其进展 2 1.2 本课题讨论的目的和意义 2 2 关键技术简介 4 2.1 FPGA 硬件设计描述 4 2.1.1 2.1.2 2.1.3 FPGA 的设计流程 4 VHDL 语言的基本结构 6 自上而下 TOP DOWN）的设计方法 7- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 2.2 设计语言

9、、仿真平台与开发系统个人资料整理仅限学习使用 8 2.3 用 Quartus 进行系统开发的设计流程 8 3 系统总体设计 9 3.1 电子密码锁设计的原理 9 3.2 方案的提出 10 3.3 系统设计要求 11 3.4 系统设计描述 11 3.5 各功能模块描述 12 3.6 系统流程 13 4 系统具体设计 15 4.1 输入模块 15 4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4 4.1.5 时序产生电路 16 按键消抖电路 17 键盘扫描电路 20 键盘译码电路 21 键盘输入模块的实现 22 4.2 电子密码锁掌握模块 23 4.2.1 4.2.2 4.2.3 掌握模块的描述 2

10、3 掌握模块的状态图与 ASM 图 错误！未定义书签；错误！未定义书签；掌握模块的实现 27 4.3 电子密码锁显示模块 28 I 4.3.1 4.3.2 数码管显示原理 28 译码显示的实现 31 5 系统仿真 32 5.1 系统的有关编译与仿真 32 5.2 去抖模块的仿真 32 5.3 密码锁输入电路的仿真 33 5.4 密码锁掌握电路的仿真 34 5.5 系统整体仿真 35 5.6 数码管译码器仿真 36 6 . 终止语 37 致谢 38 参考文献 39 II 基于 FPGA 的电子密码锁设计 1 绪论随着大规模和超大规模可编程器件在 FPGA 技术支持下的广泛应用,使现代化 设计计算

11、已进入一个全新的阶段,从设计思想、设计工具始终到实现方式都发生了诸 多变化；在FPGA 技术中,最为引人瞩目的是以现代电子技术为特点的规律设计仿真测试 技术；改技术只需通过运算机就能对所设计的电子系统从不同层次的性能特点上进行 一些列精确测试和仿真；在完成实际系统的设计后,仍能对系统上的目标器件进行边 术的进展,科技的日趋夜新电子密码锁种类比较多,进展更是界扫描测试；随着技 快；电子密码锁系统主要由电子锁体、电子密匙等部分组成,一把电子密匙里能存放 多组开锁密码,用户在使用过程中能够随时修改开锁密码,更新或配制钥匙里开锁密码；一把电子锁可配制多把钥匙；下面就是现在主流电子密码锁；遥控式电子防盗

12、锁目前常见的遥控式电子防盗锁主要有光遥控和无线电遥控两 类；键盘式电子密码锁从目前的技术水平和市场认可程度看,使用最为广泛的是键盘 式电子密码锁,该产品主要应用于保险箱、保险柜和金库,仍有一部分应用于保管箱 和运钞车；卡式电子防盗锁使用各种“ 卡” 作为钥匙的电子防盗锁是当前最为活跃的产 品,无论卡的种类如何多种多样,依据输入卡的操作方式,都可分为接触式卡和非接 触式卡两大类；生物特点防盗锁人的某些与生俱来的个性特点 如手、眼睛、声音的 特征）几乎不行重复,作为“ 钥匙” 就是唯独的 除非被逼迫或损害）,因此,利用生 物特征做密码的电子防盗锁,也特殊适合金融业留意“ 验明正身” 的行业特点；本

13、文介绍的基于 FPGA 的电子密码锁电路具有显示接口,显示时可以是明文也可 以是密文星号；由于FPGA 具有 ISP 功能,当用户需要更换时,如增加口令位数和更改口令权限治理时,只需更换 FPGA 中的掌握和接口电路,利用 EDA 工具将更新后的设计下载到 FPGA 中即可,无需更换外部电路,这就大大提高了设计效率；而且采用 FPGA 设计的电子密码锁与单片机名师归纳总结 掌握的电子密码锁相比结构简洁、具有更高的系统保密性和牢靠性；这种基于 FPGA 的电第 2 页,共 18 页子密码锁可以应用在办公室、仓库、宾馆等人员常常变动的场所； FPGA 技术是现代电子工程领域的一门新技术,供应了基于

14、运算机和信息技术的电路系统设计的方法；它是从计算机帮助设计CAD） 、运算机帮助制造CAM） 、 运算机帮助测试CAT）和运算机帮助工- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 程CAE）等技术进展而来的；设计者只需个人资料整理仅限学习使用 FPGA 从而为电子产品要对系统功能进行描述,工具的帮忙下即可完成系统设计,牢靠性； -1- 在 的设计和开发缩短了实践降低了成本,提高了系统的基于 FPGA 的电子密码锁设计 1.1 本课题讨论的国内外现状及其进展随着人们生活水平的提高和安全意识的加强,对安全的要求也就越来越高；锁自 古以来就是把守护门的铁将军,人们对它要

15、求甚高,既要安全牢靠的防盗,又要使用 便利,这也是制锁者长期以来研制的主题；随着电子技术的进展,各类电子产品应运 而生,电子密码锁就是其中之一；据有关资料介绍,电子密码锁的讨论从 一些特殊场所早就有所应用；这种锁是通过键盘输入一组密码完成 20 世纪 30 岁月就开头了,在 开锁过程；讨论这种锁的初衷,就是为提高锁的安全性；由于电子锁的密钥量、规律综 合、布线前门级仿真、适配 布局布线 、时序仿真 布线后门级仿真 、时序分析、器 件编程、系统验证一系列流程的处理才能完成 FPGA 芯片的设计,其设计流程如图 2.1 所示；需要说明的是,假如仿真验证不对或者某一步有错,就要返回修改；有必 要检查

16、和修改的地方有 RTL 级描述、系统方案、约束和测试鼓励等；一般情形下,修改后要重新走 对 RTL 级的描述即原理图或者 HDL 设计代码的修改最多也最有效；一遍流程；有时要反复修改,经过多次这样的迭代才能完成最终的设计；在理论上,把 VLSIUltra Large Scale Integration,超大规模集成电路 的设计描述 为 6 个层次 1 , 即系统级 系统功能、 2 , 参数定义 、算法级 描述系统功能行为、 RTL 级、门级 规律门 、电路级 晶体管 、版图级 物理工艺；每一级又都分 3 个侧面来描述：行为域描述、结构域描述、物理域描述；但在实际情形中往往把算法级行为域描 -4

17、- 述或者 RTL 级行为域描述都称为行为级描述；基于 FPGA 的电子密码锁设计系统设计流程 左边的箭头线太短了,最好和右边对称）图 2.1 系统设计流程 ；工艺库中有各种宏功能模块和基本功能单元,含有他们的行为级模型、门级模型、布线模型等信息；需要说明的是,系统行为仿真和 RTL 级功能仿真有时要用到某种功能模块,例 如 RAM 模型；对于 RAM 模型的掌握信号,不同的厂家其规定不肯定相同,如写使 能信号,有的厂家规定高电平有效,有的厂家规定低电平有效；其实,在厂家供应的工艺库中, RAM 模型有行为级模型、门级模型、版图级模型等；而行为级模型只是 规定其功能,无延时信息,跟工艺无关,但

18、门级模型和版图级模型跟工艺亲密相关；解决的方法是系统行为仿真时可以使用高级语言自己建立一个模型或者调用厂家库 中供应的行为级模型,功能仿真时调用行为级模型,时序仿真时调用门级模型； -5- 基于 FPGA 的电子密码锁设计测试鼓励：指测试文件,他调用 FPGA 设计的顶层模块,同时产生顶层模块需要 的输入信号,称之为鼓励信号,使用行为描述即可,不要求可综合；仿真时他作为最 顶层的文件,从而可以观看 FPGA 的输出是否正确；全部的仿真都可使用同一个测试 鼓励；约束：指对规律综合和布局布线时的约束；包括器件型号、速度、面积、功耗、引脚安排、时钟网络资源的安排、模块在器件中的定位等约束；一部分在软

19、件中设置,一部分以约束文件的形式存在；2.1.2VHDL 语言的基本结构 VHDL、结构体 Architecture） 、配置Configuration） 、包集合 Package）和库 Library）五个部分； 1 、实体 实体说明部分是说明一个器件的外观视图,即从器件外部看到的器件外貌,其中 也可以定义参数,并把参数从外部传入模块内部,主要用于描包括器件的端口,同时 述所设计的系统的外部接口； 2 、结构体 结构体是描述一个器件的内部视图,是次级设计单元；在其对应的初级设计单元 实体说明被编译并且被并入设计库之后,它就可以单独地被并入该设计库中；结构体 描述一个设计的结构和行为,把一个设

20、计的输入和输出之间的关系建立起来；一个设 计可以有多个结构,分别代表该器件的不同实现方案；依据对一个器件设计由抽象到 具体的过程,可把结构体的描述方式分为三个层次：行为描述方式、寄存器传输描述 方式 RTL）和结构描述方式； -6- 基于 FPGA 的电子密码锁设计 3、库 库是经编译后的实体、结构体、包集合和配置的集合；使用库时总要在设计单元的前面予以说明；一旦说明,库中的数据对该设计单元就是可见的,从而共享已经编 译过的设计结果；VHDL 语言中存在的库大致有 IEEE 库、 STD 库、 ASIC 厂家供应 的库、用户定义的库和现行作业库； 4 、包集合 包集合属库中的一个层次,是一种可

21、编译的源设计单元；它收集了 VHDL 语言 中所用到的信号、常数、数据类型、函数和过程的说明等；用户可以构造一个包集合,用以存放常数、数据类型、函数和过程,该包集合经编译后便自动加到 WORK 库中；使用库中的包集合时,在打开库后要用 USE 语句说明,例如：LIBRARY IEEE； USE IEEE.STD-LOGIC-1164.ALL ； 5 、配置配置语句从一个库中为一个实体挑选一个特定的结构体,是一种放在库中的被编 辑单元,并有相应的配置名；通过配置技术,可以选取多种不同的结构体,以便对一 个设计任务采纳仿真工具进行多种配置的性能试验；另外,配置说明和规定的特性仍 可以用在多层描述中

22、；2.1.3 自上而下 TOP DOWN）的设计方法 自上而下 DOWN）自上而下的设计方法是现代电子系统的新型设计策略,它从设计的总体要求出 发,自上而下地逐步从系统数学模型的设计与仿真,到数据流级的设计与仿真,挑选 系统设计方案, 最终完成系统硬件的整体设计； VHDL 的自上而下的设计方法不仅体 现在它的基本结构由描述外视特性的实体与描述内视行为和结构的结构体构成,同一 实体可以有一个以上的结构体,以便设计方案的挑选,仍表达在系统硬件设计过程的 仿真、 RTL 级描述与仿真、规律综合与门级仿真；规律综合三个层次：行为级描述与 与所使用的规律综合工具有关 , 由 逻 辑 综 合 优 化 工

23、 具 生 成 具 体 的 门 级 逻 辑 电 路 的 EDIFElectronic Design Interchange Format）网表； EDIF 网表是一种标准接口,它是 一个以 ASCII 字符为基础的中间互换格式,被大多数供应商供应的 CAE/CAD 系统所 支持；半导体制造厂基于这种网表生成 ASIC 芯片的制造工艺,FPGA 就基于这种网 表生成用以配置 FPGA 芯片的位流文件；这三种仿真贯穿系统硬件设计的全过程,从 而可以在系统设计早期发觉设计中存在的问题,与传统的自下而上的后期仿真相比大 大缩短系统的设计周期,并且利于方案的综合评判与选取；这是用 VHDL 语言设计 -7

24、- 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 18 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用基于 FPGA 的电子密码锁设计系统硬件的最突出的优点； 2.2 设计语言、仿真平台与开发系统 设计语言、 和基于库Library-Based 的设计方法,硬件描述与具体的工艺技术和硬件结构无关,能轻易地转变设计的规模 和结构,标准、规范易于共享与复用,易于向 ASIC 移植； 2 ） Quartus 软件开发工具 本设计采纳的软件开发工具是美国 Altera 公司的 Quartus ,它支持多种设计输 入方法,包括原理图输入、文本输入 如 AHDL,

25、VHDL,Verilog HDL 文本文件）和第三方 EDA 工具输入文件 ,做成 ASIC 芯片； 3 ）EDA 试验开发系统 设计中采纳的EDA 试验开发系统,主要用于供应可编程规律器件的下载电路及 EDA 试验开发的外围资源,供硬件验证用；一般包括：试验或开发所需的各类基 本信号发生模块； FPGA/CPLD 输出信息显示模块；监控程序模块；目标芯片 适配座以及上面的 FPGA/CPLD 目标芯片和下载电路； 2.3 用 Quartus 进行系统开发的设计流程 Quartus 使用 Quartus 进行电子密码锁设计的流程为 见附录）； ； ； ； -8- 基于 FPGA 的电子密码锁设

26、计 3 系统总体设计 系统总体 总体设计 3.1 电子密码锁设计的原理 1、编码总量的确定 电子密码锁随机开锁胜利的概率定义为： P=1/NT 其中 P 为随机开锁胜利概率,NT 为密码编码总量；明显要使密码锁保密安全性 高, NT 应尽可能大,使P 趋于零,但 NT 越大,相应电路越复杂,密码的记忆与操 作也越麻烦；故 NT 应有合理的上限和下限；下限 NTL 的挑选应使密码落在随机开锁可能胜利的操作时区以外；如每一次开 锁操作时间为 t ,为便于做随机试验,将 NT 分为 n 段并期望在 1/n 段的 1/2 处开锁成 功；此时 p=1/2n 就随机开锁试验期望胜利的时间为： Tr=NT

27、t/2n 假定系统设计不考虑误码输入的爱护,密码锁在无爱护的情形下使操作人员任意 作随机开锁试验的时间为TEN,就： NTL=2n TEN t x,其中 x 为最低安全系数；即： TEN=NTL t/2n/x 明显如使 NT=NTL,就 TrTEN,就使分段随机试验不易胜利；由此可得出数字密码锁的编码总量设定是系统设计安全性、保密性的首要技术指标；一般来说,当 NT 选定之后, NT 的上限 NTH 原就上是越大越安全,但一般设计时取 NTH=101000NTL 较为合理； 2 、编码制式的挑选编码制式应依据 NT 的大小选取,可分为如下三种： 1 ）密码的各位都可以重码： NT1=ai； i

28、 ； a-i+1 ； 其中 a 为基数, i 为位数, a 和 i 的选取应当满意NTNTL , a=2 ,3,4,10, -9- 基于 FPGA 的电子密码锁设计名师归纳总结 12, 14, 16 ； 现在以最常用的 a=10 , i=6 为例,可以运算出 NT2=0159NT 1 , NT 第 6 页,共 18 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用3=0.15N T1 , 所以编码制式考虑是否重码对 NT 有很大影响；另外,相同制式下不同的基底对编码总量 NT 会有影响,而且基底的挑选也会影 响到硬件电路的设计；本文设计的

29、密码锁采纳十进制编码,密码各位答应重码,为简化电路设计,密码 锁口令采纳对串行脉冲计数的方式输入； 3 、误码输入的爱护措施 如前所述,电子密码锁的设计应考虑自身的安全保密性,由于编码和捕获密码的 试验都是随机的,如要使 P=1 NT 趋近于 0 ,必需实行误码输入的爱护措施；假定设 定的误码输入次数不超过三次,误码达到三次时系统应关闭主控电路,拒绝大于三次 的密码输入,并且系统进入报警状态；系统正常状态的复原可采用万能密码输入或者 系统掉电复原； 3.2 方案的提出方案一：采纳数字电路掌握；虽然采纳数字密码锁电路的好处是设计简洁,但是 由于其是纯电路实际,在系统运行时,延时会比较严峻；方案二

30、：通过单片机实现,现在一种新的方案就是采纳一种是用以 AT89S51 为核 心的单片机掌握方案；虽然有敏捷的设计和丰富的 IO 端口,但是单片机设计的缺点 是程序运行时简洁显现跑飞现象；通过以上比较显然单片机方案有较大的活动空间,不但能实现所要求的功能而且 能在很大的程度上扩展功能,而且仍可以便利的对系统进行升级,但是由于所学学问 不能将其有效的应用,现有环境不能满意,而且单片机的密码锁有肯定的不足之处,在运行时程序有时会产生 PC 指针错误,仍有基于现在所学学问的应用,所以基于以 上比较提出了第三种方案；方案三：利用 FPGA 设计电子密码锁,其成本低,设计便利 有相应的开发板）, 现有资源

31、充分,实现比较简洁,更利于系统的爱护改进和升级,牢靠性更高,更安全；通过以上比较描述,本设计采纳基于 FPGA 的电子密码锁设计方案； - 10 - 基于 FPGA 的电子密码锁设计 3.3 系统设计要求设计一个具有较高安全性和较低成本的通用电子密码锁,具体功能要求如下： 1 ）数码输入：每按下一个数字键,就输入一个数值,并在显示器上的显示出 该数值,同时将先前输入的数据依序左移一个数字位置； 2 ）数码清除：按下此键可清除前面全部的输入值,清除为“0000” ； 3 ）密码更换：按下此键时会将目前的数字设定成新的密码； 4 ）激活电锁：按下此键可将密码锁上锁；确,密码正确即开锁； 5 ）解除

32、电锁：按下此键会检查输入的密码是否正 3.4 系统设计描述 系统设计描述本系统为一个简洁型的电子密码锁,该系统以开发板为主要核心,采纳 4*4 的键 盘,前 10 个键为数字键,8 个数码管显示密码输入,后面的按键实现电子密码锁的 各个功能,总体外观如图 3.1 所示；电子密码锁外观图 图 3.1 电子密码锁外观图 上图为在试验开发板上实现,使用开发板有十六个按键,分别对应数字 0 到 9 和各个功能键,LED 显示为开发板上数码管显示； - 11 - 基于 FPGA 的电子密码锁设计 3.5 设计思路及各功能模块描述 设计思路及各功能模块描述电子密码锁可以由三个部分组成：数字密码输入电路、密

33、码锁掌握电路、密码锁 显示电路；作为密码锁的输入部分,可挑选的方案有数字机械式键盘和触摸式数字键 盘等多种；考虑种种因素主要是成本和使用寿命因素,本设计采纳通用的数字机械式 键盘；数字电子密码锁的显示信息电路可采纳 LED 数码管显示和液晶屏幕显示两种；液晶显示具有高速显示、高牢靠性、易于扩展和升级等优点,但是一般液晶显示屏存 境的适应才能差等缺点,在低亮度的环境下仍需要加入其它帮助在亮度低、对复杂环 的照明设备,驱动电路设名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 18 页精选学习资料 - - - - - - - - - 计相对复杂,因此本设计的显示电路使用通用的个人资料整理仅限

34、学习使用 LED 数码管；依据以上选定的输入设备和器件,并考虑到实现各项数字密码锁功能的具体要 图 3.2 为数字电子密码锁系统总体框图；图 3.2 数字电子密码功能模块图求；本设计分为三个大的功能模块； 1） 密码锁输入电路包括时序产生电路、键盘扫描电路、键盘弹跳排除电路、 - 12 - 基于 FPGA 的电子密码锁设计键盘译码电路等几个小的功能电路；模块的功能是：将用户通过键盘输入的数字密码,确认密码是否输入,产生电路 中使用的三种不同频率的工作脉冲波形,即系统时钟脉冲、弹跳排除取样信号和键盘 扫描信号；为了加强按键按下的精确性加了去抖模块；作为电子密码锁的输入电路,数字密码输入电路可采纳

35、一个 4 4 的通用开发板上 的键盘作为本设计的输入设备；开发板键盘具有低成本、牢靠性高、构成电路简洁、技术成熟和应用广泛等特点,因此将其应用到通用电子密码锁中仍是比较相宜的； 2 ） 密码锁掌握电路包括按键数据的缓冲储备电路,密码的清除、变更、储备、激活电锁电路 寄存器清除信号发生电路）密码核对, 数值比较电路）解锁电路, 开 / 关门锁电路）等几个小的功能电路；模块功能：用于密码的更换,密码的清除,以及对密码锁的工作状态更换,对输入密码次数的计数功能,仍有就是更智能化,更符合人们的思维,按键的时候都是习 惯看输入数字的移位情形； 3 ）密码显示电路主要将显示数据的 BCD 码转换成相对应的编码；如,如选用 七段数码管显示电路,主要将待显示数据的 BCD