基于FPGA的电子密码锁系统的设计

李建军，胡苗苗

（广西民族师范学院物理与电子工程学院，广西崇左532200）

0 引 言

伴随着智慧生活和物联网技术的不断发展，电子密码锁取代传统锁具已成为一种必然的趋势。但目前电子密码锁类锁具在国内运用多偏向于公共场合，普通家庭使用的依然主要为普通锁具，智能电子密码锁是智慧生活的一个重要组成部分。相对于传统锁具来说，用FPGA所开发的密码锁更加地方便可靠，可以在不需要钥匙的情况下有效地保护个人空间［1］。电子密码锁解决了钥匙被盗配，锁具被撬等安全隐患。因此研制一款能够实现智能感知、智能分析及智能控制的低成本、高效率、安全可靠的多功能智能电子密码锁具有重要的意义。

系统主要包括FPGA、矩阵键盘、语音模块、LCD显示屏作为系统智能记忆与交互部分。

1 系统工作原理

用户通过键盘输入密码数字并与预先设定好的数字进行对比，以此来判断输入的密码正确与否。根据比对结果FPGA通过I／O口输出信号控制电磁开关或者提示电路，从而达到控制开锁或者发出警告的目的。

研究中，本设计可剖解为如下模块：芯片控制部分、按键输入电路、液晶显示屏模块、报警电路，电源模块。

8位数字密码锁具的总体设计框架如图1所示。系统由主控芯片、键盘扫描电路、警告线路、显示线路共同组成［2］。以FPGA为控制核心，通过键盘输入开锁，经由提示灯提示，系统将输入的数字与设定的数字进行比较，根据比较结果显示屏显示密码锁状态，密码匹配错误超过一定次数后，蜂鸣器进行报警。系统简单稳定，经济实惠。

2 硬件设计

硬件是整个系统的研究基础，并将直接影响系统的稳定、可靠等方面的重要性能［3］。本系统硬件设备的组成设计可探讨分述如下。

2.1 主控芯片EP1C3T100的介绍

FPGA器件选用 Altera公司开发的EP1C3T100C8芯片。EP1C3T100C8是 FPGA（可编程逻辑器件）系列的嵌入式器件，不仅用途广泛、市场应用价值高，而且将其投入到制作生产过程中所需成本低廉，因而受到广大开发商的青睐。EP1C3T100C8器件主要由4部分组成，分别是：I／O单元、EAB（嵌入式阵列块）、快速通道线、LAB（逻辑阵列块）。其中，LAB在系统中主要用来接收设计输入进行编译解析后形成的数据格式，LAB接收得多，内存占用过多则会影响整体的工作效率，因而开发另一个存储渠道，即把接收到的数据格式部分储存到EAB中。

图1 系统框图Fig.1 System chart

2.2 报警电路

系统采用蜂鸣器报警。蜂鸣器工作时所需的电流较大，FPGA的IO端口无法驱动，因此在实际报警设计中引入了放大电路来增强驱动能力。

2.3 LCD1602 显示屏

LCD1602为工业字符型液晶。在工作中，能在同一时间显示出16×02、即32个字符。1602液晶，又称为1602字符型液晶。LCD1602作为液晶体具有一定的物理性质，在工作过程中主要根据控制指令在屏幕上显示出符号、字母等信息。LCD1602在应用中呈现内容丰富、效果直观并且价格低廉，常被广泛用于各类电子产品的设计中，如数码相机、电子手表等。

2.4 键盘控制电路结构与原理

按键有独立式按键和行列式按键。在基于FPGA电子密码锁的研发中，采用了4×4矩阵键盘，总共设置了14个按键功能。该次研究将按键设计为行列式结构，工作过程中对I／O接口进行逐行逐列的动态扫描，从而形成按键回路。也就是说，每个按键将基于横向布局的4根及竖向布局的4根、总共8根I／O口线进行动态扫描，每根I／O接口的工作状态是相互独立，互不干扰的。4×4键盘占用的I／O资源少，电路配置灵活，并且软件结构简单。

3 系统软件设计

3.1 系统主控制流程

密码锁在进入工作状态后，当用户输入正确密码并按下确认键后才可开门，在门开的状态下，按下新密码的设置键后，输入新密码，再按确认键方可对密码进行重新设置［4］。输入的密码在显示屏上显示出来，显示在屏幕最右边的是最后输入的数字，每输入一位数字，密码在数码管上的显示便会往左移一位。系统的初始密码为123456，也就是接通电源后，按下123456及确认键即可开门。系统控制流程如图2所示。

图2 系统控制流程图Fig.2 System control flow chart

输入密码、并且按下确定键后，若此密码并非正确密码，此时门仍旧上锁，显示屏清屏，计数器加1，系统允许用户进行再次输入密码操作。若密码再次错误，系统反应同上。若密码输入错误，计数器累计达到4次，扬声器发出警报声。直到按下复位键后，计数器清0，警报声停止，系统再次进入工作状态。

3.2 系统仿真演示结果

输入密码235689，相应键值波形为高电平。密码错误，计数器加1；输入密码2688，密码错误，计数器加为2；输入密码295988，密码错误，计数器加为3；输入密码123456，密码正确，有开门信号，pass为高电平，LED持续发光。仿真波形结果如图3所示。系统调试后的结果即如图4、图5所示。

图3 仿真波形图Fig.3 Simulation waveform

图4 系统调试结果1Fig.4 Debugging result 1

图5 系统调试结果2 Fig.5 Debugging result 2

4 结束语

基于FPGA的电子密码锁，相对于一般的基于软件控制的密码锁具有成本低、实用性强、可靠性高的特点。通过测试可知，系统可以实现正常的开锁、报警、密码修改、保存密码等功能，各参数均满足设计要求。随着科技的不断发展，未来的电子密码锁将会更加智能化，更加安全。