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千里之行,始于足下。第2頁(yè)/共2頁(yè)精品文檔推薦基于FPGA的verilog的電子密碼鎖設(shè)計(jì)《EDA技術(shù)》
設(shè)計(jì)報(bào)告
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學(xué)號(hào):
一.引言
1.1電子密碼鎖的現(xiàn)狀
隨著我國(guó)對(duì)外開放的別斷深入,高檔建造進(jìn)展非??欤邫n密碼鎖具市場(chǎng)的前景樂觀。我國(guó)密碼鎖具行業(yè)對(duì)密碼鎖具高新技術(shù)的投入正逐年增大,高檔密碼鎖
的市場(chǎng)需求也逐年增加。在安防工程中,鎖具產(chǎn)品是關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)安全性的重要設(shè)備,因此鎖具產(chǎn)品的優(yōu)劣也關(guān)系了整個(gè)安防工程的質(zhì)量和驗(yàn)收。
目前,市場(chǎng)上比較先進(jìn)的智能電子密碼鎖分不有:IC卡電子密碼鎖、射頻卡式電子密碼鎖、紅外遙控電子密碼鎖、指紋識(shí)不電子密碼鎖和瞳孔識(shí)不電子密碼鎖等。IC卡電子密碼鎖成本低,體積小,卡片本身無須電源等優(yōu)點(diǎn)占據(jù)了一定的市場(chǎng)份額,然而由于有機(jī)械接觸,會(huì)產(chǎn)生接觸磨損,而且使用別太方便,在一定程度上限制了它的應(yīng)用;射頻卡式電子密碼鎖是非接觸式電子密碼鎖,成本也別太高,體積跟IC卡密碼鎖相當(dāng),卡片使用感應(yīng)電源,分量非常輕,技術(shù)成熟,受到了廣泛的歡迎,然而與IC卡電子密碼鎖相比,成本偏高;指紋識(shí)不電子密碼鎖和瞳孔識(shí)不電子密碼鎖可靠性非常高,安全性是目前應(yīng)用系統(tǒng)中最高的,然而成本高昂,還沒進(jìn)入大眾化使用時(shí)期。
在國(guó)外,美國(guó)、XXX、德國(guó)的電子密碼鎖保密性較好,并結(jié)合感應(yīng)卡技術(shù),生物識(shí)不技術(shù),使電子密碼鎖系統(tǒng)得到了飛躍式的進(jìn)展。這幾個(gè)國(guó)家的密碼鎖識(shí)不的密碼更復(fù)雜,同時(shí)綜合性比較好,差不多進(jìn)入了成熟期,浮現(xiàn)了感應(yīng)卡式密碼鎖,指紋式密碼鎖,虹膜密碼鎖,面部識(shí)不密碼鎖,序列混亂的鍵盤密碼鎖等各種技術(shù)的系統(tǒng),它們?cè)诎踩?,方便性,易治理性等方面都各有特長(zhǎng),新型的電子密碼鎖系統(tǒng)的應(yīng)用也越來越廣。
基于FPGA的電子密碼鎖是新型現(xiàn)代化安全治理系統(tǒng),它集微機(jī)自動(dòng)識(shí)不技術(shù)和現(xiàn)代安全治理措施為一體,它涉及電子,機(jī)械,計(jì)算機(jī)技術(shù),通訊技術(shù),生物技術(shù)等諸多新技術(shù)。它是解決重要部門出入口實(shí)現(xiàn)安全防范治理的有效措施,適用各種場(chǎng)合,如銀行、賓館、機(jī)房、軍械庫(kù)、機(jī)要室、辦公間、智能化小區(qū)、工廠、家庭等。
在數(shù)字技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛快進(jìn)展的今天,電子密碼鎖技術(shù)得到了迅猛的進(jìn)展。它早已超越了單純的門道及鑰匙治理,逐漸進(jìn)展成為一套完整的出入治理系統(tǒng)。它在工作環(huán)境安全、人事考勤治理等行政治理工作中發(fā)揮著巨大的作用。在該系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加相應(yīng)的輔助設(shè)備能夠舉行電梯操縱、車輛進(jìn)出操縱,物業(yè)消防監(jiān)控、餐飲收費(fèi)、私家車庫(kù)治理等,真正實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)一卡智能治理。
目前使用的電子密碼鎖大部分是基于單片機(jī)技術(shù),以單片機(jī)為要緊器件,
其編碼器與解碼器的生成為軟件方式。在實(shí)際應(yīng)用中,由于程序容易跑飛,系統(tǒng)的可靠性能較差?;贔PGA的電子密碼鎖差不多是現(xiàn)代日子中經(jīng)常用到的工具之一,用于各類保險(xiǎn)柜、房門、防盜門等等。用電子密碼鎖代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械式密碼鎖,克服了機(jī)械式密碼鎖密碼量少、安全性能差的缺點(diǎn)。由于采納的是可編程邏輯器件FPGA,使得系統(tǒng)有相當(dāng)大的靈便性,隨時(shí)能夠舉行硬件升級(jí)、擴(kuò)展,而且系統(tǒng)設(shè)計(jì)完善往后還能夠?qū)⒅骺氐腇PGA固化成一片ASIC,這么這塊ASIC就能夠作為專用的數(shù)字密碼鎖芯片。而且由于硬件可升級(jí),還可隨時(shí)增加密碼位數(shù)或增加新的功能,使得密碼鎖有更高的安全性、可靠性和方便性。
1.2要緊完成的工作
課題要緊解決系統(tǒng)硬件和軟件兩方面的咨詢題。硬件方面要解決FPGA可編程器件與其外圍電路的接口設(shè)計(jì)的咨詢題;軟件方面要緊咨詢題是利用VerilogHDL語言完成基于FPGA的電子密碼鎖的編程咨詢題。除此之外,程序還要完成基本的密碼開鎖功能,并經(jīng)過揚(yáng)聲器長(zhǎng)時(shí)刻鳴叫報(bào)警。本設(shè)計(jì)是由FPGA可編程邏輯器件編程實(shí)現(xiàn)的操縱電路,具體有按鍵指示、輸入錯(cuò)誤提示、密碼有效指示、操縱開鎖、操縱報(bào)警等功能。它具有安全可靠、連接方便、簡(jiǎn)單易用、結(jié)構(gòu)緊湊、系統(tǒng)可擴(kuò)展性好等特點(diǎn)。
一、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1設(shè)計(jì)方案
2.1.1功能需求分析
本系統(tǒng)要緊集中在以FPGA以核心外圍擴(kuò)展設(shè)計(jì),整個(gè)電路要緊電子鎖具的組成框圖是以可編程邏輯器件(FPGA)為核心,配以相應(yīng)硬件電路,設(shè)計(jì)一具密碼鎖,密碼為一具4位的十進(jìn)制數(shù),密碼固化在鎖內(nèi),用戶輸入密碼正確,則開鎖(綠燈亮);若別正確,則報(bào)警(紅燈亮)若用戶輸入密碼別正確,能夠按復(fù)位鍵重新輸入密碼。
2.1.2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案的論證比較
方案一:采樣XXX凌陽(yáng)科技有限公司推出的以凌陽(yáng)自主研發(fā)的SPCE061A芯片為主控芯片,用一條下載線連接到計(jì)算機(jī)就能夠?qū)嵢缃窬€仿真、在線調(diào)試、在線下載,低廉的價(jià)格保證了系統(tǒng)可靠開辟;此外,61板具有SOC概念、DSP功能和語音特群,為電子密碼鎖的語音報(bào)警提供了方便,然而基于單片機(jī)設(shè)計(jì)的密碼鎖外圍電路比較復(fù)雜,系統(tǒng)可靠性差,密碼的數(shù)量少,尤其是系統(tǒng)的程序別夠穩(wěn)定,功率較大,需要特意的電源供電,因此別采納那個(gè)方案。
方案二:設(shè)計(jì)一種基于FPGA的電子密碼鎖的設(shè)計(jì),用FPGA設(shè)計(jì)的系統(tǒng)差不多是現(xiàn)代日子中經(jīng)常用到的工具之一,經(jīng)過鍵盤輸入密碼,用FPGA作為主控芯片,用數(shù)碼管顯示輸入的數(shù)字,假如浮現(xiàn)錯(cuò)誤便經(jīng)過報(bào)警電路發(fā)出報(bào)警,主控芯片又可分為按鍵處理部分、操縱部分和譯碼顯示部分用電子密碼鎖代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械式密碼鎖。由于采納的是可編程邏輯器件FPGA,使得系統(tǒng)有相當(dāng)大的靈便性,隨時(shí)能夠舉行硬件升級(jí)、擴(kuò)展。而且系統(tǒng)設(shè)計(jì)完善往后還能夠?qū)⒅骺氐腇PGA固
化成一片ASIC,這么這塊ASIC就能夠作為專用的數(shù)字密碼鎖芯片。
方案的論證比較
在實(shí)際應(yīng)用中,由于程序容易跑飛,系統(tǒng)的可靠性能較差,而基于FPGA設(shè)計(jì)的電子密碼鎖克服了基于單片機(jī)設(shè)計(jì)密碼鎖的缺點(diǎn)?;谏鲜霰容^以上兩種方案,依照系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求,采納方案二。
2.1.3方案的總體設(shè)計(jì)
原理框圖
本系統(tǒng)由主控芯片(FPGA),鍵盤,顯示電路,報(bào)警電路和開/關(guān)門電路組成,而主控芯片又可分為按鍵處理部分,操縱部分和譯碼顯示部分。系統(tǒng)原理框系統(tǒng)原理框圖如圖2.1.3所示:
圖2.1.3總體框架
總體設(shè)計(jì)原理
本系統(tǒng)有8個(gè)按鍵,K0,K1,K2,K3,K4,K5代表數(shù)字0-9共10個(gè)數(shù)字和1個(gè)確認(rèn)鍵,1個(gè)復(fù)位鍵。密碼長(zhǎng)度為四位,同時(shí)固化在鎖內(nèi),輸入正確密碼后,按確認(rèn)鍵即可開門,本系統(tǒng)設(shè)置為綠燈亮。在輸入密碼的過程中,當(dāng)用戶鍵入錯(cuò)誤密碼時(shí),報(bào)警燈紅燈亮。按下復(fù)位鍵,可使報(bào)警停止,并且清除所有密碼顯示。每輸入一位數(shù)字,密碼在數(shù)碼管上的顯示左移一位。即上電后,按確認(rèn)鍵即可開門。門開后可經(jīng)過鎖門按鈕關(guān)門,門關(guān)上后要再次輸入密碼才干開門。在輸入密碼的過程中,當(dāng)用戶鍵入錯(cuò)誤密碼時(shí),系統(tǒng)就會(huì)報(bào)警,由揚(yáng)聲器發(fā)出報(bào)警聲,當(dāng)延續(xù)三次浮現(xiàn)密碼錯(cuò)誤時(shí),則系統(tǒng)會(huì)長(zhǎng)時(shí)刻報(bào)警別止,這時(shí)必須按警報(bào)復(fù)位鍵方可停止。
2.2主控模塊
2.2.1主控芯片EP4CE6E22C8的介紹
主控芯片采納ACEX1K系列的EP4CE6E22C8。CycloneIV系列是當(dāng)今AlteraCPLD中應(yīng)用前景最好的器件系列之一,該系列的FPGA由邏輯陣列塊LAB(Logicarrayblock)、嵌入式陣列塊EAB(embeddedarrayblock)、快速互聯(lián)以及IO單元構(gòu)成,每個(gè)邏輯陣列塊包含8個(gè)邏輯單元LE(logicelement)和一具局部互聯(lián)。每個(gè)邏輯單元?jiǎng)t由一具4輸入查找表(LUT)、一具可編程觸發(fā)器、快速進(jìn)位鏈、級(jí)連鏈組成,多個(gè)LAB和多個(gè)EAB則可經(jīng)過快速通道互相連接[3]。EAB是CycloneIV系列器件在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的一具重要部件,他是輸入端口和輸出端口都帶有觸發(fā)器的一種靈便的RAM塊,其要緊功能是實(shí)現(xiàn)一些規(guī)模別太大的FIFO、ROM、RAM和雙端口RAM等。
2.3鍵盤模塊
按鍵方式分為8個(gè)獨(dú)立按鍵,K0,K1,K2,K3,K4,K5代表數(shù)字0-9共10個(gè)數(shù)字和1個(gè)確認(rèn)鍵,1個(gè)復(fù)位鍵。思考到按鍵數(shù)目別夠,采納了一位按鍵作為功能轉(zhuǎn)換按鍵;即前5位按鍵輸入0~4,并且按下功能轉(zhuǎn)換按鍵時(shí),按鍵0~4即轉(zhuǎn)換為按鍵5~9,這就彌補(bǔ)了按鍵數(shù)目的別腳。最終兩位按鍵設(shè)定為確認(rèn)輸入按鍵和復(fù)位按鍵。密碼輸入完成后能夠按確認(rèn)鍵檢驗(yàn)密碼的正誤,報(bào)警、輸入錯(cuò)誤或者其他事情能夠按復(fù)位按鍵重新輸入。按鍵上拉,當(dāng)IO口被拉高電平,當(dāng)IO口檢測(cè)到高電平常,表示按鍵按下。部分按鍵操縱電路如圖2.3所示:
圖2.3
2.4顯示模塊
LED顯示塊是由發(fā)光二極管顯示字段的顯示器件。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中通常使用的是7段LED,本設(shè)計(jì)將采納共陽(yáng)極。共陽(yáng)極LED顯示塊的發(fā)光二極管與陽(yáng)極并接。
數(shù)碼管顯示塊中共有8個(gè)發(fā)光二極管,其中7個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成七筆字形“8”,1個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成小數(shù)點(diǎn)。7段顯示塊與FPGA接口很容易。只要將一具8位并行輸出與顯示塊的發(fā)光二極管引足相連即可。8位并行輸出口輸出別同的字節(jié)數(shù)據(jù)即可獲得別同的數(shù)字或字符,如表5.1所示。通常將操縱發(fā)光二極管的8位字節(jié)數(shù)據(jù)稱為段選碼。共陽(yáng)極與共陰極的段選碼互為補(bǔ)數(shù)。
表2.4LED顯示塊功能表
三、芯片主控設(shè)計(jì)
3.1FPGA有限狀態(tài)機(jī)
本設(shè)計(jì)是經(jīng)過FPGA有限狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn),設(shè)計(jì)有限狀態(tài)機(jī)最開始的工作時(shí)要確定電路,包括哪些狀態(tài),比如某個(gè)電路包括四個(gè)狀態(tài),S0,S1,S2,S3。然后對(duì)所有狀態(tài)給出一具狀態(tài)編碼,比如為狀態(tài)S0給予編碼00,為狀態(tài)S1給予編碼01,為狀態(tài)S2給予編碼10,為狀態(tài)S3給予編碼11。狀態(tài)編碼是狀態(tài)的標(biāo)識(shí),保存在寄存器當(dāng)中,關(guān)于此編碼形式,只需一具2位的寄存器就能夠了。
FSMEncodingStyle要緊有:BinaryEncodingOneHotEncodingGrayEncoding
二進(jìn)制與一位熱碼的特性比較:
表3.1二進(jìn)制與一位熱碼的特性比較
狀態(tài)機(jī)能夠以為是組合邏輯和寄存器邏輯的特別租戶,它普通包括兩個(gè)部分:組合邏輯部分和寄存器邏輯部分。寄存器用于存儲(chǔ)狀態(tài),組合電路用于狀態(tài)譯碼和產(chǎn)生輸出信號(hào)。狀態(tài)機(jī)的下一具狀態(tài)及輸出,別僅與輸入信號(hào)有關(guān),而且還有寄存器當(dāng)前所處的狀態(tài)有關(guān)。
依照輸出信號(hào)產(chǎn)生辦法的別同,狀態(tài)機(jī)能夠分成兩類:Mealy型和Moore型。Moore型狀態(tài)機(jī)的輸出不過當(dāng)前狀態(tài)的函數(shù),而Moore型狀態(tài)機(jī)的輸出不過當(dāng)前狀態(tài)的函數(shù),而Mealy型狀態(tài)機(jī)的輸出則是當(dāng)前狀態(tài)和當(dāng)前輸入狀態(tài)的函數(shù)。其
原理如下兩圖:
3.2設(shè)計(jì)流程
本次密碼鎖的設(shè)計(jì),有限狀態(tài)機(jī)應(yīng)該包括以下狀態(tài):密碼為輸入前的等待狀態(tài)、輸入密碼時(shí)的等待狀態(tài)、輸入密碼正確時(shí)的經(jīng)過狀態(tài)、輸入密碼錯(cuò)誤時(shí)的警報(bào)狀態(tài)。
圖3.3主有效狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖
其中當(dāng)密碼輸入時(shí)又可包括以下狀態(tài),正常輸入狀態(tài)、異常輸入狀態(tài)(包括命令狀態(tài))、輸入確認(rèn)狀態(tài)。
下面的圖(圖是在程序編譯后,tools->Netlist_Vewers->RTLVewer得到的)表示了密碼輸入的時(shí)候的次狀態(tài)機(jī),表示了4個(gè)密碼輸入的順序狀態(tài),以及輸入完成后的等待確認(rèn)狀態(tài)。
圖3.4次有效狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換
3
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