基于某FPGA地verilog地电子密码锁设计.docx
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基于某FPGA地verilog地电子密码锁设计
1、概述
1.1电子密码锁的现状
随着我国对外开放的不断深入，高档建筑发展很快，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，所以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。
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。
基于FPGA的电子密码锁是新型现代化安全管理系统，它集微机自动识别技术和现代安全管理措施为一体，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管理的有效措施，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速发展的今天，电子密码锁技术得到了迅猛的发展。
它早已超越了单纯的门道及钥匙管理，逐渐发展成为一套完整的出入管理系统。
它在工作环境安全、人事考勤管理等行政管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可以进行电梯控制、车辆进出控制，物业消防监控、餐饮收费、私家车库管理等，真正实现区域内一卡智能管理。
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,由于程序容易跑飞,系统的可靠性能较差。
基于FPGA的电子密码锁已经是现代生活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。
由于采用的是可编程逻辑器件FPGA，使得系统有相当大的灵活性，随时可以进行硬件升级、扩展，而且系统设计完善以后还可以将主控的FPGA固化成一片ASIC，那么这块ASIC就可以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论文主要完成的工作
课题主要解决系统硬件和软件两方面的问题。
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问题；软件方面主要问题是利用VerilogHDL语言完成基于FPGA的电子密码锁的编程问题。
除此之外，程序还要完成基本的密码开锁功能，并通过扬声器长时间鸣叫报警。
本设计是由FPGA可编程逻辑器件编程实现的控制电路，具体有按键指示、输入错误提示、密码有效指示、控制开锁、控制报警等功能。
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。
2、系统硬件设计
2.1系统设计方案
2.1.1系统功能需求分析
本系统主要集中在以FPGA以核心外围扩展设计，整个电路主要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，设计一个密码锁，密码为一个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）；若不正确，则报警（红灯亮）若用户输入密码不正确，可以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：
采样台湾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可以实现在线仿真、在线调试、在线下载，低廉的价格保证了系统可靠开发；此外，61板具有SOC概念、DSP功能和语音特色，为电子密码锁的语音报警提供了方便，但是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，尤其是系统的程序不够稳定，功率较大，需要专门的电源供电，所以不采用这个方案。
方案二：
设计一种基于FPGA的电子密码锁的设计，用FPGA设计的系统已经是现代生活中经常用到的工具之一，通过键盘输入密码，用FPGA作为主控芯片，用数码管显示输入的数字，如果出现错误便通过报警电路发出报警，主控芯片又可分为按键处理部分、控制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。
由于采用的是可编程逻辑器件FPGA，使得系统有相当大的灵活性，随时可以进行硬件升级、扩展。
而且系统设计完善以后还可以将主控的FPGA固化成一片ASIC，那么这块ASIC就可以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，根据系统设计要求，采用方案二。
2.1.3系统方案的总体设计
系统原理框图
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，控制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系统总体框架
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，并且固化在锁内，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，同时清除所有密码显示。
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。
门开后可通过锁门按钮关门，门关上后要再次输入密码才能开门。
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
主控芯片采用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）和一个局部互联。
每个逻辑单元则由一个4输入查找表（LUT）、一个可编程触发器、快速进位链、级连链组成，多个LAB和多个EAB则可通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个重要部件，他是输入端口和输出端口都带有触发器的一种灵活的RAM块，其主要功能是实现一些规模不太大的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。
考虑到按键数目不够，采用了一位按键作为功能转换按键；即前5位按键输入0~4，同时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不足。
最后两位按键设定为确认输入按键和复位按键。
密码输入完成后可以按确认键检验密码的正误，报警、输入错误或者其他情况可以按复位按键重新输入。
按键上拉，当IO口被拉高电平，当IO口检测到高电平时，表示按键按下。
部分按键控制电路如图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，本设计将采用共阳极。
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接口非常容易。
只要将一个8位并行输出与显示块的发光二极管引脚相连即可。
8位并行输出口输出不同的字节数据即可获得不同的数字或字符，如表5.1所示。
通常将控制发光二极管的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。
显示字符
共阴极段选码
共阳极段选码
显示字符
共阴极段选码
共阳极段选码
0
3FH
C0H
C
39H
C6H
1
06H
F9H
D
5EH
A1H
2
5BH
A4H
E
79H
86H
3
4FH
B0H
B
7CH
83H
4
66H
99H
F
71H
8EH
5
6DH
92H
P
73H
8CH
6
7DH
82H
U
3EH
C1H
7
07H
F8H
L
31H
CEH
8
7FH
80H
Y
6EH
91H
9
6FH
90H
┊
┊
┊
A
77H
88H
表2.4LED显示块功能表
三、芯片主控设计
3.1FPGA有限状态机
本设计是通过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个状态编码，比如为状态S0赋予编码00，为状态S1赋予编码01，为状态S2赋予编码10，为状态S3赋予编码11。
状态编码是状态的标识，保存在寄存器当中，对于此编码形式，只需一个2位的寄存器就可以了。
FSMEncodingStyle主要有：
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
状态机可以认为是组合逻辑和寄存器逻辑的特殊租户，它一般包括两个部分：
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。
状态机的下一个状态及输出，不仅与输入信号有关，而且还有寄存器当前所处的状态有关。
根据输出信号产生方法的不同，状态机可以分成两类:
Mealy型和Moore型。
Moore型状态机的输出只是当前状态的函数，而Moore型状态机的输出只是当前状态的函数，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、输入密码正确时的通过状态、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
3.3系统软件设计总RTC级图
3.4状态编码
状态编码主要有二进制编码、格雷编码和一位独热编码等方式。
格雷编码时
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