基于FPGA的verilog的电子密码锁设计

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设计报告

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一.引言

1.1电子密码锁的现状

随着我国对外开放的别断深入，高档建造进展非常快，高档密码锁具市场的前景乐观。我国密码锁具行业对密码锁具高新技术的投入正逐年增大，高档密码锁

的市场需求也逐年增加。在安防工程中，锁具产品是关系到整个系统安全性的重要设备，因此锁具产品的优劣也关系了整个安防工程的质量和验收。

目前，市场上比较先进的智能电子密码锁分不有：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、指纹识不电子密码锁和瞳孔识不电子密码锁等。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据了一定的市场份额，然而由于有机械接触，会产生接触磨损，而且使用别太方便，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，成本也别太高，体积跟IC卡密码锁相当，卡片使用感应电源，分量非常轻，技术成熟，受到了广泛的欢迎，然而与IC卡电子密码锁相比，成本偏高；指纹识不电子密码锁和瞳孔识不电子密码锁可靠性非常高，安全性是目前应用系统中最高的，然而成本高昂，还没进入大众化使用时期。

在国外，美国、XXX、德国的电子密码锁保密性较好，并结合感应卡技术，生物识不技术，使电子密码锁系统得到了飞跃式的进展。这几个国家的密码锁识不的密码更复杂，同时综合性比较好，差不多进入了成熟期，浮现了感应卡式密码锁，指纹式密码锁，虹膜密码锁，面部识不密码锁，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，易治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。

基于FPGA的电子密码锁是新型现代化安全治理系统，它集微机自动识不技术和现代安全治理措施为一体，它涉及电子，机械，计算机技术，通讯技术，生物技术等诸多新技术。它是解决重要部门出入口实现安全防范治理的有效措施，适用各种场合，如银行、宾馆、机房、军械库、机要室、办公间、智能化小区、工厂、家庭等。

在数字技术网络技术飞快进展的今天，电子密码锁技术得到了迅猛的进展。它早已超越了单纯的门道及钥匙治理，逐渐进展成为一套完整的出入治理系统。它在工作环境安全、人事考勤治理等行政治理工作中发挥着巨大的作用。在该系统的基础上增加相应的辅助设备能够举行电梯操纵、车辆进出操纵，物业消防监控、餐饮收费、私家车库治理等，真正实现区域内一卡智能治理。

目前使用的电子密码锁大部分是基于单片机技术,以单片机为要紧器件,

其编码器与解码器的生成为软件方式。在实际应用中,由于程序容易跑飞,系统的可靠性能较差。基于FPGA的电子密码锁差不多是现代日子中经常用到的工具之一，用于各类保险柜、房门、防盗门等等。用电子密码锁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。由于采纳的是可编程逻辑器件FPGA，使得系统有相当大的灵便性，随时能够举行硬件升级、扩展，而且系统设计完善往后还能够将主控的FPGA固化成一片ASIC，这么这块ASIC就能够作为专用的数字密码锁芯片。而且由于硬件可升级，还可随时增加密码位数或增加新的功能，使得密码锁有更高的安全性、可靠性和方便性。

1.2要紧完成的工作

课题要紧解决系统硬件和软件两方面的咨询题。硬件方面要解决FPGA可编程器件与其外围电路的接口设计的咨询题；软件方面要紧咨询题是利用VerilogHDL语言完成基于FPGA的电子密码锁的编程咨询题。除此之外，程序还要完成基本的密码开锁功能，并经过扬声器长时刻鸣叫报警。本设计是由FPGA可编程逻辑器件编程实现的操纵电路，具体有按键指示、输入错误提示、密码有效指示、操纵开锁、操纵报警等功能。它具有安全可靠、连接方便、简单易用、结构紧凑、系统可扩展性好等特点。

一、系统硬件设计

2.1设计方案

2.1.1功能需求分析

本系统要紧集中在以FPGA以核心外围扩展设计，整个电路要紧电子锁具的组成框图是以可编程逻辑器件（FPGA）为核心，配以相应硬件电路，设计一具密码锁，密码为一具4位的十进制数，密码固化在锁内，用户输入密码正确，则开锁（绿灯亮)；若别正确，则报警（红灯亮）若用户输入密码别正确，能够按复位键重新输入密码。

2.1.2系统实现方案的论证比较

方案一：采样XXX凌阳科技有限公司推出的以凌阳自主研发的SPCE061A芯片为主控芯片，用一条下载线连接到计算机就能够实如今线仿真、在线调试、在线下载，低廉的价格保证了系统可靠开辟；此外，61板具有SOC概念、DSP功能和语音特群，为电子密码锁的语音报警提供了方便，然而基于单片机设计的密码锁外围电路比较复杂，系统可靠性差，密码的数量少，尤其是系统的程序别够稳定，功率较大，需要特意的电源供电，因此别采纳那个方案。

方案二：设计一种基于FPGA的电子密码锁的设计，用FPGA设计的系统差不多是现代日子中经常用到的工具之一，经过键盘输入密码，用FPGA作为主控芯片，用数码管显示输入的数字，假如浮现错误便经过报警电路发出报警，主控芯片又可分为按键处理部分、操纵部分和译码显示部分用电子密码锁代替传统的机械式密码锁。由于采纳的是可编程逻辑器件FPGA，使得系统有相当大的灵便性，随时能够举行硬件升级、扩展。而且系统设计完善往后还能够将主控的FPGA固

化成一片ASIC，这么这块ASIC就能够作为专用的数字密码锁芯片。

方案的论证比较

在实际应用中,由于程序容易跑飞,系统的可靠性能较差，而基于FPGA设计的电子密码锁克服了基于单片机设计密码锁的缺点。基于上述比较以上两种方案，依照系统设计要求，采纳方案二。

2.1.3方案的总体设计

原理框图

本系统由主控芯片（FPGA），键盘，显示电路，报警电路和开/关门电路组成，而主控芯片又可分为按键处理部分，操纵部分和译码显示部分。系统原理框系统原理框图如图2.1.3所示：

图2.1.3总体框架

总体设计原理

本系统有8个按键，K0,K1,K2,K3,K4,K5代表数字0-9共10个数字和1个确认键，1个复位键。密码长度为四位，同时固化在锁内，输入正确密码后，按确认键即可开门，本系统设置为绿灯亮。在输入密码的过程中，当用户键入错误密码时，报警灯红灯亮。按下复位键，可使报警停止，并且清除所有密码显示。每输入一位数字，密码在数码管上的显示左移一位。即上电后，按确认键即可开门。门开后可经过锁门按钮关门，门关上后要再次输入密码才干开门。在输入密码的过程中，当用户键入错误密码时，系统就会报警，由扬声器发出报警声，当延续三次浮现密码错误时，则系统会长时刻报警别止，这时必须按警报复位键方可停止。

2.2主控模块

2.2.1主控芯片EP4CE6E22C8的介绍

主控芯片采纳ACEX1K系列的EP4CE6E22C8。CycloneIV系列是当今AlteraCPLD中应用前景最好的器件系列之一，该系列的FPGA由逻辑阵列块LAB（Logicarrayblock）、嵌入式阵列块EAB（embeddedarrayblock）、快速互联以及IO单元构成，每个逻辑阵列块包含8个逻辑单元LE（logicelement）和一具局部互联。每个逻辑单元则由一具4输入查找表（LUT）、一具可编程触发器、快速进位链、级连链组成，多个LAB和多个EAB则可经过快速通道互相连接[3]。EAB是CycloneIV系列器件在结构设计上的一具重要部件，他是输入端口和输出端口都带有触发器的一种灵便的RAM块，其要紧功能是实现一些规模别太大的FIFO、ROM、RAM和双端口RAM等。

2.3键盘模块

按键方式分为8个独立按键，K0,K1,K2,K3,K4,K5代表数字0-9共10个数字和1个确认键，1个复位键。思考到按键数目别够，采纳了一位按键作为功能转换按键；即前5位按键输入0~4，并且按下功能转换按键时，按键0~4即转换为按键5~9，这就弥补了按键数目的别脚。最终两位按键设定为确认输入按键和复位按键。密码输入完成后能够按确认键检验密码的正误，报警、输入错误或者其他事情能够按复位按键重新输入。按键上拉，当IO口被拉高电平，当IO口检测到高电平常，表示按键按下。部分按键操纵电路如图2.3所示：

图2.3

2.4显示模块

LED显示块是由发光二极管显示字段的显示器件。在单片机应用系统中通常使用的是7段LED，本设计将采纳共阳极。共阳极LED显示块的发光二极管与阳极并接。

数码管显示块中共有8个发光二极管，其中7个发光二极管构成七笔字形“8”，1个发光二极管构成小数点。7段显示块与FPGA接口很容易。只要将一具8位并行输出与显示块的发光二极管引足相连即可。8位并行输出口输出别同的字节数据即可获得别同的数字或字符，如表5.1所示。通常将操纵发光二极管的8位字节数据称为段选码。共阳极与共阴极的段选码互为补数。

表2.4LED显示块功能表

三、芯片主控设计

3.1FPGA有限状态机

本设计是经过FPGA有限状态机来实现，设计有限状态机最开始的工作时要确定电路，包括哪些状态，比如某个电路包括四个状态，S0,S1,S2,S3。然后对所有状态给出一具状态编码，比如为状态S0给予编码00，为状态S1给予编码01，为状态S2给予编码10，为状态S3给予编码11。状态编码是状态的标识，保存在寄存器当中，关于此编码形式，只需一具2位的寄存器就能够了。

FSMEncodingStyle要紧有：BinaryEncodingOneHotEncodingGrayEncoding

二进制与一位热码的特性比较：

表3.1二进制与一位热码的特性比较

状态机能够以为是组合逻辑和寄存器逻辑的特别租户，它普通包括两个部分：组合逻辑部分和寄存器逻辑部分。寄存器用于存储状态，组合电路用于状态译码和产生输出信号。状态机的下一具状态及输出，别仅与输入信号有关，而且还有寄存器当前所处的状态有关。

依照输出信号产生办法的别同，状态机能够分成两类:Mealy型和Moore型。Moore型状态机的输出不过当前状态的函数，而Moore型状态机的输出不过当前状态的函数，而Mealy型状态机的输出则是当前状态和当前输入状态的函数。其

原理如下两图：

3.2设计流程

本次密码锁的设计，有限状态机应该包括以下状态：密码为输入前的等待状态、输入密码时的等待状态、输入密码正确时的经过状态、输入密码错误时的警报状态。

图3.3主有效状态机的状态转换图

其中当密码输入时又可包括以下状态，正常输入状态、异常输入状态（包括命令状态）、输入确认状态。

下面的图（图是在程序编译后，tools->Netlist_Vewers->RTLVewer得到的）表示了密码输入的时候的次状态机，表示了4个密码输入的顺序状态，以及输入完成后的等待确认状态。

图3.4次有效状态机的状态转换

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