電子密碼鎖設計(嵌入式系統(tǒng))(共18頁)

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上 嵌入式系統(tǒng)一前言隨著科學技術的進步，電子器件和電子系統(tǒng)設計方法日新月異，電子設計自動化技術正是適應了現(xiàn)代電子產(chǎn)品設計的要求，吸收了多學科最新成果而形成的一門新技術。為保證電子產(chǎn)品設計的速度和質量，適應“第一時間推出產(chǎn)品”的設計要求，EDA技術已成為不可缺少的一項先進技術和重要工具，掌握EDA技術是電子信息類專業(yè)學生，工程技術人員所必備的基本能力和技能。隨著人們生活水平的提高，如何實現(xiàn)家庭防盜這一問題也變的尤其的突出，傳統(tǒng)的機械鎖由于其構造的簡單，被撬的事件屢見不鮮，電子鎖由于其保密性高，使用靈活性好，安全系數(shù)高，受到了廣大用戶的親呢。意外事故或人為破壞可能造成中的災

2、難性后果的系統(tǒng)稱為要害系統(tǒng)。要害系統(tǒng)的保證性包括安全性、可開性和保全性，內(nèi)涵非常豐富。我們設計的電子密碼鎖是一類針對要害系統(tǒng)的安全保險器件，其設計概念與常見的保安密碼鎖有所不同。從系統(tǒng)設計觀點看，電子安全密碼鎖是一個實體域定義的概念，比較機械安全密碼鎖，具有設計實現(xiàn)簡便、密碼裝訂靈活、制造成本低廉等優(yōu)點。每一位解鎖意圖碼在密碼鎖內(nèi)部引發(fā)的試圖解鎖動作，可稱為安全密碼鎖的解鎖事件。電子安全密碼所有開啟意圖碼驅動，進黨開啟意圖碼預設定的安全密碼完全匹配時，方可逐步開啟密碼鎖?；诮怄i時間概念思考，電子密碼鎖應具備如下基本功能：1逐位解鎖 解鎖過程的事件序列特性決定了它內(nèi)部狀態(tài)機的多步步進特性。2單

3、次試開 解鎖事件是單向不可逆的，因此，安全密碼鎖內(nèi)部應含誤碼鎖定組件。3 碼鑒別通過后，給出可靠的控制信號。我們構思運用RS觸發(fā)器構成的數(shù)字邏輯電路控制來模擬電子密碼鎖。二.總體方案設計21. 一號方框圖圖2.1 一號方案圖我定的一號方框圖（初稿）為上圖。一號方框圖中，我共設了8個用戶輸入鍵，其中只有4個是有效的密碼按鍵，其它的都是干擾按鍵。密碼可在之前任意修改。由鍵盤輸入密碼，開始效驗，密碼輸入正確則執(zhí)行開門，如果密碼輸入錯誤則運用555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器響鳴10秒鐘。大概的思路有：用四個RS觸發(fā)器串聯(lián)，輸入密碼正確與否，輸出的電平不同，由此達到密碼效驗。鍵盤的輸入打算由八個四組開關控制，分為0和

4、1兩種情況。而響鳴10秒鐘由555定時器構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器控制時間。開門由燈泡點亮模擬?？捎幸粋€問題：本身的密碼僅有16種情況，很容易試出密碼，因為沒有時間次數(shù)的限制，賊人能夠輕易得到密碼。僅僅是這樣的設計，此數(shù)字密碼鎖失去意義。于是，我準備再此方案圖中加入計時器及鎖定電路使其完善：在密碼剛輸入時開始計時，若計時超過60秒則報警。另外，若三次輸入錯誤密碼，鎖定輸入密碼電路5分鐘，賊人無法再打開，保護主人利益。修改后的方框圖如下：2.2. 二號方框圖圖2.2 二號方框圖共設了8個用戶輸入鍵，其中只有4個是有效的密碼按鍵，其它的都是干擾按鍵。輸入密碼的同時開始計數(shù)，超過60秒報警。輸入正確開門并取

5、消計數(shù)，輸入錯誤三次則鎖定5分鐘，防止他人非法操作。當上下開關的開關情況一致時， R端為高電平，S端為低電平，輸出為低電平，下一階RS觸發(fā)器的S端為低電平。若四位密碼輸入正確，RS4輸出為低電平。若四位密碼輸入錯誤，上下開關的開關不一致，輸出為高電平。由此可以判斷輸入密碼是否正確。如果密碼輸入錯誤，計數(shù)器計數(shù)一次，如果密碼輸入錯誤三次，QA、QB同時為高電平，與非端輸出為低電平，使555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器3號端口輸出55秒高電平，并鎖定發(fā)光二極管使其不發(fā)光。如果密碼輸入正確，Q端輸出為高電平，發(fā)光二極管亮，模擬開門。2.3. 方框圖比較在二號方框圖中，我加入計時器及鎖定電路，在密碼剛輸入時開始計時，

6、若計時超過60秒則報警。另外，若三次輸入錯誤密碼，鎖定輸入密碼電路5分鐘，賊人無法再打開，保護主人利益。由此，可以防止試出密碼的現(xiàn)象發(fā)生。其缺點是較復雜，可能出現(xiàn)的問題較多。我決定使用二號方框圖進行實驗設計。三單元模塊設計各單元模塊功能：3.1 RS觸發(fā)器圖3.1 RS觸發(fā)器觸發(fā)器的兩個輸入信號來自主觸發(fā)器的輸出，為一對互補信號，有，SR=0。表3.1 RS觸發(fā)器的功能表SR說明00輸出狀態(tài)不變010輸出狀態(tài)與S的狀態(tài)相同101輸出狀態(tài)與R的狀態(tài)相同11-輸出狀態(tài)不定3.2 555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器555電路含有兩個電壓比較器，一個基本RS觸發(fā)器，一個放電開關管T，比較器的參考電壓由三只5k的電阻器

7、構成的分壓器提供。它們分別使高電平比較器A1的同相輸入端和低電平比較器A2的反向輸入端的參考電平為2Vcc/3和Vcc/3。A1與A2的輸出端控制RS觸發(fā)器狀態(tài)和放電管開關狀態(tài)。當輸入信號自6腳，即高電平觸發(fā)輸入并超過參考電平2Vcc/3時，觸發(fā)器復位，555的輸出端3腳輸出低電平，同時放電開關管導通；當輸入信號自2腳輸入并低于Vcc/3時，觸發(fā)器置位，555的3腳輸出高電平，同時放電開關管截止。是復位端（4腳），當=0，555輸出低電平。平時端開路或接Vcc。Vcc是控制電壓端（5腳），平時輸出2Vcc/3作為比較器A1的參考電平，當5腳外接一個電壓，即改變了比較器的參考電平，從而實現(xiàn)對輸出

8、的另一種控制，在不接外加電壓時，通常接一個0.01µf的電容器到地，起濾波作用，以消除外來的干擾，以確保參考電平的穩(wěn)定。T為放電管，當T導通時，將給接于腳7的電容器提供低阻放電通路。555定時器主要是與電阻、電容構成充放電電路，并由兩個比較器來檢測電容器上的電壓，已確定輸出電平的高低和放電開關管的通斷。這就很方便的構成從微妙到數(shù)十分鐘的延時電路，可方便的構成但穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，多諧振檔器，施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生或波形變換器。555定時器構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器由555定時器格外接定時元件R、C構成。觸發(fā)電路由Cl、Rl、D構成，其中D為鉗位二極管，穩(wěn)態(tài)時555電路輸入端處于電源電平，內(nèi)部放電開關

9、管T導通，輸出放電開關管T導通，輸出端F輸出低電平，當有一個外部負脈沖觸發(fā)信號經(jīng)Cl加到2端。并使2端電位瞬時低于Vcc/3，低電平比較器動作，單穩(wěn)態(tài)電路即開始一個暫態(tài)過程，電容C開始充電，Vc按指數(shù)規(guī)律增長。當Vc充電到2Vcc/3時，高電平比較器動作，比較器A1翻轉，輸出Vo從高電平返回低電平，放電開關管T重新導通，電容C上的電荷很快經(jīng)放電開關管放電，暫態(tài)結束，為下個觸發(fā)脈沖的到來做好準備。波形圖如圖 所示。圖3.2 555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路圖由555構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，電源接通瞬間，電路有一個穩(wěn)定的過程，電源通過電阻R向電容C充電，當Vc上升到23Vcc時，觸發(fā)器復位，Vo為低電平，電容C

10、放電，電路進入穩(wěn)定狀態(tài)。若VI < 23Vcc,觸發(fā)器發(fā)生翻轉，電路進入穩(wěn)暫態(tài)，Vo輸出高電平。此后電容C充電至23Vcc，電路又發(fā)生翻轉，Vo輸出低電平，電容C放電，電路恢復至穩(wěn)定狀態(tài)。TW = RCln3 = 1.1RC通過改變R、C的大小，可使延時時間在幾個微秒到幾十分鐘之間變化?？蛇@種單穩(wěn)態(tài)電路作為計時器時，可直接驅動小型繼電器，并可以使用復位端（4腳）接地的方法來中止暫態(tài)，重新計時。此外尚需用一個續(xù)流二極管與繼電線圈并接，以防繼電器線圈反電勢損壞內(nèi)部功率管。圖3.3 555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作波形3.3 74LS161計數(shù)器圖3.4 74LS161的引腳圖74LS161是4位二進制

11、同步加計數(shù)器,RD是異步清零端，LD是預置數(shù)控制端，A、B、C、D是預置數(shù)據(jù)輸入端，EP和ET是計數(shù)使能端，RCO是進位輸出端，它的設置為多片集成計數(shù)器的級連提供了方便。圖3.5 74LS161邏輯電路圖1 異步清零 當RD=0時，不管其它輸入端的狀態(tài)如何，計數(shù)器輸出將被直接置零。2 同步并行預置數(shù) 在RD=1的條件下，當LD=0、有時鐘脈沖CP的上升沿作用時，A、B、C、D輸入端的數(shù)據(jù)將分別被QA至QD接收。由于這個置數(shù)操作要與CP上升沿同步，且A到D的數(shù)據(jù)同時置入計數(shù)器，所以稱為同步并行預置。3 保持 在RD=LD=1的條件下，當ET*EP=0,即兩個計數(shù)使能端中有0時，不管有無CP脈沖作

12、用，計數(shù)器都將保持原有狀態(tài)不變。4 計數(shù) 當RD=LD=EP=ET=1時，74161處與計數(shù)狀態(tài)。其功能表如下：表3.2 74LS161功能表清零預置LD使 能EP ET時 鐘CP預置數(shù)據(jù)輸入A B C D輸 出L* * * *L L L LHL* *上升沿A B C DA B C DHHL * * * *保 持HH* L* * * *保 持HHH H上升沿* * * *計 數(shù)3.4 總電路圖：圖4.1 總電路圖密碼鎖電路包含：鍵盤輸入、密碼修改、密碼檢測、報警電路、鍵盤輸入次數(shù)鎖定電路。41 各單元模塊功能介紹：411 鍵盤輸入、密碼修改電路圖如下圖所示圖4.2 鍵盤輸入、密碼修改電路圖由四

13、個RS觸發(fā)器和十六個開關構成四位密碼驗證電路，可實現(xiàn)密碼修改及密碼輸入，輸出電平可驗證密碼的正確性。根據(jù)RS觸發(fā)器的工作原理可知，其置位端比復位端具有優(yōu)先權，在EN端接高電平的條件下，只要S端為高電平，不管R端怎樣變化，其輸出端均輸出高電平。只有S端為低電平，R端為高電平，Q端才輸出低電平。利用RS觸發(fā)器的功能，用戶可以通過開關的閉合情況調(diào)制或輸入密碼。打開或閉合開關K21、K22、K23、K24、K25、K26、K27、K28可設置調(diào)解密碼，其中，預設開關K21、K23、K25、K27為0，K22、K24、K26、K28預設為1。而打開或閉合開關K11、K12、K13、K14、K15、K16

14、、K17、K18為輸入密碼，K11、K13、K15、K17預設為0，K12、K14、K16、K18預設為1。預設的0或1井代表一種字符，與高低電平無關。當上下開關的閉合情況一致時， R端為高電平，S端為低電平，由可知，輸出Q為低電平，下一階RS觸發(fā)器的S端為低電平。若四位密碼輸入正確，RS4輸出為低電平。若四位密碼輸入錯誤，上下開關的開關不一致，輸出為高電平。由可以判斷輸入密碼是否正確。4.1.2 密碼輸入錯誤三次即鎖定電路如下圖所示：圖4.3 密碼輸入錯誤三次即鎖定電路如果密碼輸入錯誤，或門的輸出端為高電平，74LS160的CP端輸入高電平，由圖3.3.3可知，計數(shù)器加計數(shù)一次，如果密碼連續(xù)

15、輸入錯誤三次， 同時為高電平，則與非端輸出低電平，輸入555觸發(fā)器的2端。由圖3.2.2可知，555觸發(fā)器所構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器3號端口連續(xù)55秒輸出高電平，7432N輸入為零零，輸出為低電平，由此可以鎖定發(fā)光二極管使其無法發(fā)光，即完成鎖定電路功能。另一方面，如果密碼輸入正確，或門輸出為高電平，7432N輸入為零一，輸出為高電平，使發(fā)光二極管亮，模擬開門。由于鎖定時間即555計時器所構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出高電平的時間常數(shù) Tw = 1.1RC，可算出當C1 = 1µHz,R = 50M時,能使 Tw =55s，可鎖定電路55秒。4.1.3 計時電路如下圖所示：圖4.4 計時電路CP為0

16、.025Hz連續(xù)脈沖信號。輸入密碼即開關K11或K12任一閉合時開始時計時。若密碼正確輸入則取消計時，若密碼未正確輸入，當從0000加計數(shù)到1111其間經(jīng)過40秒后，進位端RCO變?yōu)楦唠娖?，?jīng)Q1、Q2放大后，驅動蜂鳴器發(fā)出報警信號。3.5 各單元模塊的連接：J1、J2接出連入或門的輸出端接報警電路中74LS160的ET端和EP端，在J1或J2閉合時開始加計數(shù)，直到計數(shù)完畢拉響蜂鳴。鍵盤輸入、密碼修改電路圖內(nèi)的 Q1、Q2、Q3、Q4 或邏輯端反相電平與555但穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出反相電平的或邏輯后，接發(fā)光二極管。若兩者同時為低電平，發(fā)光二極管不亮，若其中有一個為高電平，法官二極管亮。鍵盤輸入、密

17、碼修改電路圖內(nèi)的 Q1、Q2、Q3、Q4 或邏輯端接入密碼輸入錯誤三次即鎖定電路74LS161的CP端、Q端及計時電路74LS161的端。由此，可由或門輸出電平的高低決定單元模塊的有效或無效，從而驗證密碼的正確性。五.軟件設計常用的畫電路圖軟件有protel 99se、protel 2004及ISIS等。由于Multisim 9安裝簡便、容易上手、畫圖美觀等優(yōu)點，在本次實驗設計中，我所使用的畫電路圖軟件為Multisim。Multisim 是全球獨一無二的交互式電路模擬軟件，令你產(chǎn)品設計事半功倍。Multisim 完全集成 Multicap，乃構建電路并立即模擬運行的理想工具。Multisim

18、電子電路全功能模擬測試仿真軟件，是一套完整的系統(tǒng)設計工具，其強大功能包含：元器件編輯、選取、放置；電路圖編輯、繪制；電路工作狀況測試；電路特性分析；電路圖報表輸出打??；檔案轉入/出；PCB文件轉換功能；結合SPICE、VHDL、Verilog共同仿真；高階RF設計功能；虛擬儀器測試及分析功能；計劃及團隊設計功能； VHDL及Verilog設計與仿真；FPGACPLD組件合成。我們通過人機對話的方式，親自動手搭接電路，進行元件接線，參數(shù)設定。邊連線，邊測試，邊修改，邊分析，并與理論計算結果進行對照。通過Multisim軟件的"componentProperties"(元件屬性

19、)可隨時調(diào)整和修改元器件參數(shù)，分析各元件參數(shù)對電路的作用與影響。調(diào)試和測量過程就是最好的學習過程。在這樣的實驗中，把實驗與理論有機的結合起來，加深了我們對理論的認識。我們可以通過一個實際的設計例子來體現(xiàn)Multisim仿真軟件的優(yōu)越性。通過以上設計可見，運用Multisim軟件，可方便地在計算機上設計電路，并進行仿真。通過改變電路參數(shù)，可以觀察不同電路參數(shù)對電路性能的影響，用虛擬儀器可以觀察各實驗點的波形及整個電路的實驗結果，一個方案不成功可刷新重來，反復多次后選擇出最佳的設計方案。由于該軟件具有豐富的元件庫和儀器庫，可以充分發(fā)揮我們的想象力和創(chuàng)造力，大膽進行設計嘗試，不必擔心元器件會損壞，這

20、樣的設計可以隨心所欲、花樣疊出。若電路設計有誤，通過仿真，軟件會做出警告或提示，當設計方案正確無誤后，再按此方案搭接實際電路。用Multisim軟件設計電子電路改變了傳統(tǒng)的基于電路板的設計方法，從而可以大大縮短設計時間，節(jié)約開發(fā)費用，提高效率。Multisim軟件是設計電子電路的有效工具。Multisim9是一個虛擬實驗室，為使用者造就了一個集成一體化的試驗環(huán)境，他采用圖形化的輸入方式，只需進行簡單的拖放和連接操作，便可完成電路的搭建與分析。作為一個專業(yè)應用軟件，他具有以下特點：    (1)豐富的元件和測試儀器Multisim9提供了數(shù)千種電路元件，包括基本獨立

21、元件(電阻、電容、三極管等)、集成電路(74及40系列芯片、DA及AD、集成運放等)、源器件(各種獨立源、受控源、時鐘信號等)、基本顯示器件(伏特表、電流表、數(shù)碼管等)和其他元器件(繼電器、電磁鐵、直流電機等)，而且還可以根據(jù)需要擴充或新建已有的元器件庫，大大方便了使用者。軟件中各元器件參數(shù)可調(diào)，并提供了理想值，這為分析電路的實際值與理論值的差異提供了依據(jù)。Multisim9的測試儀器包括數(shù)字萬用表、函數(shù)發(fā)生器、多綜示波器、掃頻儀、頻率計、邏輯分析儀等，很難設想實際購置這些儀器設備所需的巨額投資。(2)動態(tài)可視化效果Multisim9的元器件采用與實物一致的外形，使用者即便是第一次使用，也能方

22、便地找到所需的元器件。對于測試儀器，其測量結果的顯示也與實際設備一致，能實時檢測系統(tǒng)的運行。另外，他的數(shù)碼管能夠發(fā)光、熔斷絲可以燒斷、蜂鳴器能夠發(fā)聲、電阻器能夠通過鍵盤隨時改變阻值，形象地表征了電路的動態(tài)特性，體現(xiàn)了其“軟件即儀器”的本質特性。(3)多種分析功能作為虛擬的電子工作臺，Multisim9提供了詳細的電路分析手段，不僅可以完成電路的瞬態(tài)分析、穩(wěn)態(tài)分析、時域和頻域分析、器件的線性和非線性分析、電路的噪聲分析和失真分析等常規(guī)電路分析方法，而且還提供了離散傅里葉分析、電路零極點分析、交直流靈敏度分析和電路容差分析等共計27種電路分析方法，以幫助我們分析電路的性能。此外他還可以對被仿真電路

23、中的元件設置各種故障，如開路、短路和不同程度的漏電等，從而觀察到在不同故障情況條件下的電路工作狀態(tài)。    (4)兼容性好Multisim 9的器件模型和分析方法都是建立在SPICE(Simulation Program with Integrated CircuitEmphasis)仿真程序的基礎上，因此他與SPICE的網(wǎng)格兼出PCB文件，這樣利用Multisim9一個軟件，便可完成從電路的設計分析直至印刷電路板格式文件輸出等全部設計工作，大大加快了產(chǎn)品的開發(fā)速度，提高了設計人員的工作效率。六.系統(tǒng)功能本文的電子密碼鎖利用邏輯電路，采用4位輸入密碼，只有在輸入了

24、正確的密碼后才能實現(xiàn)對燈的電子控制，并且有各種附加電路已達到報警及鎖定功能，有極高的安全系數(shù)。密碼鎖電路包含：鍵盤輸入、密碼修改、密碼檢驗、報警電路及鍵盤輸入次數(shù)鎖定電路，具有以上功能。由四個RS觸發(fā)器和十六個開關構成四位密碼驗證電路，可實現(xiàn)密碼修改及密碼輸入，輸出電平可驗證密碼的正確性。若四位密碼輸入正確，RS4輸出為低電平。若四位密碼輸入錯誤，上下開關的開關不一致，輸出為高電平。由可以判斷輸入密碼是否正確。J1、J2接出連入或門的輸出端接報警電路中74LS160的ET端和EP端，在J1或J2閉合時開始加計數(shù)，直到計數(shù)完畢拉響蜂鳴。鍵盤輸入、密碼修改電路圖內(nèi)的 Q1、Q2、Q3、Q4 或邏輯

25、端反相電平與555但穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出反相電平的或邏輯后，接發(fā)光二極管。若兩者同時為低電平，發(fā)光二極管不亮，若其中有一個為高電平，法官二極管亮。鍵盤輸入、密碼修改電路圖內(nèi)的 Q1、Q2、Q3、Q4 或邏輯端接入密碼輸入錯誤三次即鎖定電路74LS161的CP端、Q端及計時電路74LS161的端。由此，可由或門輸出電平的高低決定單元模塊的有效或無效，從而驗證密碼的正確性。如果密碼輸入錯誤，74LS160的CP端輸入高電平，計數(shù)器加計數(shù)一次，如果密碼連續(xù)輸入錯誤三次，與非端輸出低電平，輸入555觸發(fā)器的2端。由圖3.2.2可知，555觸發(fā)器所構成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器3號端口連續(xù)55秒輸出高電平，7432N輸入為零零，輸出為低電平，可以鎖定發(fā)光二極管使其無法發(fā)光，即完成鎖定電路功能。如果密碼輸入正確，Q端輸出為高電平，發(fā)光二極管亮，模擬開門。CP為0.025Hz連續(xù)脈沖信號。輸入密碼，開關K11或K12其一閉合時開始計時。若密碼正確輸入取消計時，若密碼未正確輸入， 40秒后，LD變?yōu)楦唠娖?，拉響蜂鳴，開始報警。七.設計總結以上為我設計的電子密碼鎖電路，它主要由RS觸發(fā)器、74LS161及555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器構成，經(jīng)過多次修改和整理，可以滿足基本要求。但因為水平有限，此電路中仍存在一定的問題，譬如說電路的密碼僅為四位二進制數(shù)，共只有十六種可能，容