1、本科毕业论文系列开题报告电气工程及其自动化基于 FPGA 的数字密码锁控制设计一、课题研究意义及现状随着人们生活水平的提高和安全意识的加强，对安全的要求也就越来越高。锁自古以来就是把守护门的铁将军，既要安全可靠的防盗，又要使用方便，这也是制锁者长期以来研制的主题。随着电子技术的发展，各类电子产品应运而生，数字密码锁就是其中之一。目前使用的数字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。基于现场可编程逻辑门阵列 FPGA 器件的电子密码锁，用 FPGA器件构造系统，使得系统的工作可靠性大为提高。由于 FPGA 具有现场可编程功能，当设计需要更改时，只需更改
2、 FPGA 中的控制和接口电路，利用 EDA 工具将更新后的设计下载到FPGA 中即可，无需更改外部电路的设计，大大提高了设计的效率。当前，数字应用系统设计向小型化、快速化、大容量、重量轻的方向发展。FPGA 是英文 Field Programmable Gate Array 的缩写，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、EPLD 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。FPGA 的结构一般分为三部分：可编程逻辑模块、可编程 I/O 模块和可编程内部互连区 IR。CLB 的功能很强，不仅能够实现逻辑函数，还可以配置成 RAM 等复杂的形式。基于 SRAM 的 FPGA 器件工作前需要从芯片外
3、部加载配置数据。配置数据可以存储在片外的 EPROM 或者计算机上，设计人员可以控制加载过程，在现场修改器件的逻辑功能，即所谓现场可编程 1。FPGA 出现后受到电子设计工程师的普遍欢迎，发展十分迅速。二、课题研究的主要内容和预期目标1主要内容本次课题，主要研究的是如何利用 FPGA 技术设计一个数字密码锁的主控模块，该模块主要能实现如下几个功能：密码的存储、数字显示、密码验证功能、报警功能和显示功能。完成软件编程的同时，对 FPGA 开发板进行调试，实现功能的仿真显示。2预期目标1)预期设计一个日常使用的数字密码锁 ，利用 FPGA 软件编程实现数字密码锁的主控模块。主控模块设计中主要是设计
4、密码的存储、数字显示、密码验证功能、报警功能和显示功能，其中密码存储模块是它的密码规定电路，其功能有两个：一个是将存储的密码输出到比较模块中与外部输入的数字进行比较操作，另一个是存储用户修改后的密码。密码验证功能，当输入的数字符合电路中设定的数字时（即密码对） ，显示“0”表示输入密码正确，如果输入的密码是错误的，则显示“F” 。并且该数字密码锁仅能允许接收三次错误的密码数字输入，超过三次的错误密码数字后，电路不再接收密码数字输入，并触发报警功能，用喇叭发出报警音响。控FPGA译码按键显示声光显示密码存储器图 1 数字密码锁主要构成框图2)可靠性、安全性等方面的考虑.由于数字锁的密钥量（密码量
5、）极大，可以与机械锁配合使用，并且可以避免因钥匙被仿制而留下安全隐患。数字锁只需记住一组密码，免除了人们携带金属钥匙的烦恼，而被越来越多的人所欣赏。数字密码锁的优点：不用钥匙，不用电源，不用电池，没有废弃污染物；全机械结构，能承受相当恶劣的外部环境，使用范围广；操作简单，开锁时间比较短，平均开锁时间约15 秒；实际密码量大保密性能高，试探开锁的概率几乎为零；结构简单，结实可靠。三、课题研究的方法及措施1研究方法首先要对数字密码锁和 FPGA 进行了解，这需要查阅一定的资料，清楚数字密码锁的原理，各项功能的实现，FPGA 的硬件功能和其内部的逻辑功能。因为本次研究完成的主要是对数字密码锁的主控模
6、块进行编程，其功能模块主要分成分频模块、同步消抖模块、使能电路模块、反相电路模块、密码存储模块、编码模块、比较模块、计数选择模块、数码管译码模块、指示电路模块和控制器模块，那么要根据相关的资料对这些模块进行编译。编译通过后，先用软件进行仿真，查看其结果。如果仿真通过后，我设想是把程序下到 FPGA开发板中，通过对按键和显示的设置，并用几次不同的输入密码情况来验证程序的正确性，到达预期的效果。2研究措施1）收集查阅关于数字密码锁的相关资料，对 FPGA 的应用设计情况进行了熟悉了解；了解不同的设计实现方法，比较现有的相关方案，确定本课题研究和实现方案，然后对方案中的各单元进行了必要的分析和研究。
7、2）对所研究的数字密码锁的功能进行分类，具体分成密码的存储、数字显示、密码验证功能、报警功能和显示功能，并对各个功能进行软件编程。3）对各个功能模块进行具体功能分类，研究各功能之间的关系，制成图表，举一反三。然后对各个功能模块进行软件编译。4）完成了编程以后，要利用软件的仿真功能对编完的程序进行仿真，通过仿真得到的变化来初步判断程序是否满足预先所要求的功能。5）通过软件功能仿真后，根据结果进行适当调整和软件调试，需要记录过程和研究成果以及心得体会。6）如果有时间，我会在 FPGA 开发板上接上语音的模块和指纹识别模块使得自数字密码锁更加有写实性，更有人性化，在技术上取得更大突破。四、课题研究进
8、度计划12010 年 10 月 18 日至 2010 年 11 月 23 日分析任务，查阅数字密码锁设计相关的资料；对资料进行消化，进行理论准备，方案的考虑和设计；基本完成开题报告、中、英文翻译和文献综述。22010 年 11 月 23 日至 2010 年 12 月 31 日决定最佳设计方案；设计出总体实现电路的构架；确定所需要的元器件。32011 年 1 月 1 日至 2011 年 3 月 1 日对功能模块进行软件编程，各单元模块通过调节参数进行软件仿真；然后利用 FPGA 开发板，调节各种参数对模块功能进行硬件调试，对结果进行对比分析。42011 年 4 月 1 日至 2011 年 4 月
9、 24 日制作好具体模型，完成毕业设计论文；做好答辩用的 PPT，并作好答辩准备。五、参考文献1 康华光.电子技术基础(数字部分）-第五版M.北京：高等教育出版社，2006 年 1 月.2 Stephen Brown,Zvonko Vranesic.Fundamentals of Digital Logic with Verilog Design(2nd Edition)M.New York:McGraw-Hill,2007,5.3 Ming-Bo Lin.Digital System Designs and Practices: Using Verilog HDL and FPGAs M.N
10、ew York: McGraw-Hill,2008,8. 4 崔葛瑾.基于 FPGA 的数字电路系统设计M.西安：西安电子科技大学出版社，2008 年7 月.5 美Nigel P.Cook 著,施惠琼 ,李黎明.实用数字电子技术M.北京：清华大学出版社, 2006 年 10 月.6 贾立新，王涌.电子系统设计与实践M.北京：清华大学出版社,2007 年 4 月.7 杨刚等电子系统设计与实践M北京：电子工业出版社，2003 年 8 月.1 徐向民.数字系统设计及 VHDL 实践M.北京：机械工业出版社,2007 年 8 月.2 谭卫泽,徐畅 .面向 FPGA 器件的 VHDL 语言优化设计方法J
11、.南宁职业技术学院学报,2008 年,13(4):98100. 3 Peter J.Ashenden.VHDL Design GuideM.Amercian：YinLinPress,06.2005.4 张立.VHDL 应用开发技术实践M.北京：人民邮电出版社，2005 年 4 月。毕业论文文献综述电气工程及自动化数字密码锁的 FPGA 控制实现原理摘要：文章对数字密码锁做了初步的介绍。概括了数字密码锁的工作原理，以及设计数字密码锁的内容和优缺点。然后介绍了其在各领域的应用及未来的发展。最后对数字密码锁的设计进行归纳。关键字：FPGA；VHDL；数字密码锁；Quartus II1.引言随着社会物
12、质财富的日益增长，安全防盗已成为社会问题。而锁自古以来就是把守门户的铁将军，人们对它要求甚高，既要安全可靠地防盗，又要使用方便，这也是制锁者长期以来研制的主题。目前国内，大部分人使用的还是传统的机械锁。然而，眼下假冒伪劣的机械锁泛滥成灾，互开率非常之高。所谓互开率，是各种锁具的一个技术质量标准，也就是 1 把钥匙能开几把锁的比率。经国家工商局、国家内贸局、中国消协等部门对锁具市场的调查，发现个别产品的互开率居然超标 26 倍。弹子锁质量好坏主要取决于弹子数量的多少以及弹子的大小，而弹子的多少和大小受一定条件的限制。此外，即使是一把质量过关的机械锁，通过急开锁，甚至可以在不损坏锁的前提下将锁打开
13、。机械锁的这些弊端为一种新型的锁-数字密码锁，提供了发展的空间 1。2数字密码锁原理2.1 数字密码锁概述数字密码锁是一种通过密码输入来控制电路或是芯片工作，从而控制机械开关的闭合，完成开锁、闭锁任务的电子产品。它的种类很多，有简易的电路产品，也有基于芯片的性价比较高的产品。2.2 采用 FPGA 控制方式的优点用 FPGA 器件构造系统, 所有算法完全由硬件电路来实现,使得系统的工作可靠性大为提高。由于 FPGA 具有 ISP 功能,当设计需要更改时,只需更改 FPGA 中的控制和接口电路, 利用 EDA 工具将更新后的设计下载到 FPGA 器件中即可, 无需更改外部电路的设计, 大大提高了
14、设计的效率。因此, 采用 FPGA 开发的数字系统, 不仅具有很高的工作可靠性, 其升级与改进也极其方便 2。2.3 数字密码锁设计方案本次设计的数字密码锁主要是利用软件的编程来对主控模块的实现。当通过按键输入密码后，就把输入的信号送给 FPGA，FPGA 经过里面控制模块的处理后传给了各输出电路模块。声光显示主要是来判断密码输入的正确与否和当前密码锁的状态；密码存储器主要是用来存储密码和防止电源掉电而导致密码锁的数据丢失和提高密码锁的安全性。显示电路主要是用来显示密码锁当前的状态和输入的密码是否正确 3。目前使用的数字密码锁主要有两个方案：一是基于单片机用分立元件实现的，二是通过现代人体生物
15、特征识别技术实现的，前者电路较复杂且灵活性差，无法满足应用要求；后者有其先进性但需考虑成本和安全性等诸多因素 4。本次研究的主题 FPGA 技术在此应用上有其优越性，基于 FPGA 技术设计了一种新型电子密码锁，其采用 FPGA（Field Programmable Gate Array）芯片，利用先进的 EDA 技术、 ALTERA 公司的 QUATUSII 软件开发平台进行设计。系统采用 VHDL 硬件编程语言对系统建模 5。 数字密码锁主要由三个部分组成：数字密码输入电路模块、密码锁控制电路模块和密码锁显示电路模块。（1）密码锁输入电路包括时序产生电路、键盘扫描电路、键盘弹跳消除电路、键
16、盘译码电路等几个小的功能电路 6。（2）密码锁控制电路包括按键数据的缓冲存储电路，密码的清除、变更、存储、激活电锁电路（寄存器清除信号发生电路） ，密码核对（数值比较电路） ，解锁电路（开/关门锁电路）等几个小的功能电路 7。（3）密码显示电路主要将显示数据的 BCD 码转换成相对应的编码。如，若选用七段数码管显示电路，主要将待显示数据的 BCD 码转换成数码器的七段显示驱动编码 8。2.4 数字密码锁的安全性及其可靠性现在应用较广的数字密码锁是以芯片为核心，通过编程来实现的。其性能和安全性已大大超过了机械锁，主要特点如下：(1)保密性好，编码量多，远远大于弹子锁，随机开锁成功率几乎为零。(2
17、)密码可变。用户可以经常更改密码，防止密码被盗，同时也可以避免因人的更替而使锁的密级下降。(3)误码输入保护。当输入密码多次错误时，报警系统自动启动，防止试探密码 8。3.数字密码锁的应用及发展随着人们生活水平的提高，对家庭防盗技术的要求也是越来越高，传统的机械锁由于其构造的简单，被撬的事件屡见不鲜，数字密码锁锁由于其保密性高，使用灵活性好，安全系数高，受到了广大用户的欢迎。现在市场上主要是基于单片机技术的电子密码锁，但可靠性较差。FPGA 即现场可编程门阵列，它是在 PAL、GAL、EPLD 等可编程器件的基础上进一步发展的产物，是一种超大规模集成电路，具有对电路可重配置能力。通常 FPGA
18、 都有着上万次的重写次数，也就是说现在的硬件设计和软件设计一样灵活、方便 9、10 。相对于基于单片机技术的数字密码锁，用 FPGA 器件来构成系统，可靠性提高，并且由于 FPGA具有的现场可编程功能，使得电子密码锁的更改与升级更为方便简单 11。从目前的技术水平和市场认可程度看，使用最为广泛的是键盘式数字密码锁，该产品主要应用于保险箱、保险柜和金库，还有一部分应用于保管箱和运钞车。键盘式电子密码在键盘上输入，与打电话差不多，因而易于掌握，其突出优点是“密码”是记在被授权人脑子里的数字和字符，既准确又可靠，不会丢失（除了忘记） ，难以被窃（除非自己泄露） 。但是密码不能太简单，太简单了就容易被
19、他人在键盘上试探出来，或者可能被旁观者窥测出来，造成保密性不足。因此，为了发扬优点、克服弱点，键盘式电子密码也在不断发展中。总之，尽管新式电子防盗锁层出不穷，但键盘式电子密码防盗锁不仅在市场上居于主流地位，而且，还经常作为其他类型电子防盗锁的辅助输入手段 8。4.结论通过本次设计掌握 FPGA 系统设计的方法，熟悉 FPGA 设计的相关软件，以及硬件描述语言的使用，了解电子密码锁的系统构成，利用 FPGA 实现电子密码锁的设计与实现，可以加深自己对所学专业的认识，关联知识，增强自己的动手能力，积累实践经验，为以后的工作打好基础 12。参考文献：1孙君曼,马庆华,扈刚.基于PIC16C57单片机
20、的电子密码锁的设计与实现J.工业控制计算机,2002,15(7):1624.2 美Nigel P.Cook 著,施惠琼,李黎明.实用数字电子技术M.北京：清华大学出版社, 2006 年 10 月3 施云贵，孙玉杰，姜维利基于P89C51Rx2可编程计数器阵列(PCA)实现直流电机调速控制J.仪器仪表学报，2006，32（9）：1922.4 王金明数字系统设计与Verilog HDLM.北京：电子工业出版社，2005年9月.5 康华光.电子技术基础(数字部分）-第五版M.北京：高等教育出版社，2006 年 1 月.6 美Nigel P.Cook 著,施惠琼,李黎明.实用数字电子技术M.北京：清华
21、大学出版社, 2006 年 10 月.7 贾立新，王涌.电子系统设计与实践M.北京：清华大学出版社,2007 年 4 月.8 Stephen Brown,Zvonko Vranesic.Fundamentals of Digital Logic with Verilog Design(2nd Edition)M.New York:McGraw-Hill,2007 年 5 月. 9 崔葛瑾.基于 FPGA 的数字电路系统设计M.西安：西安电子科技大学出版社，2008 年7 月.10 Ming-Bo Lin.Digital System Designs and Practices: Using V
22、erilog HDL and FPGAs M.New York:McGraw-Hill,2008 年 8 月. 11 美Nigel P.Cook 著,施惠琼,李黎明.实用数字电子技术M.北京：清华大学出版社, 2006 年 10 月.12 杨刚等电子系统设计与实践M北京：电子工业出版社，2003 年 8 月.毕业设计（20_ _届）基于 FPGA 的数字密码锁设计摘 要随着电子技术的发展，各类电子产品应运而生，数字密码锁就是其中之一。数字密码锁首先需要实现密码的输入和显示，并且要具有安全可靠性，其次，需要能够反复更改不同的密码，并且可以将密码保存起来。本文针对数字密码锁的功能要求，决定采用 FPGA 设计的数字密码锁方案。在文中介绍了数字密码锁的结构设计、主要功能、模块划分及总体和各模块的 VHDL 源程序，通过使用VHDL 程序语言的编译，模拟实现数字密码锁的各项功能，并且给出了数字密码锁设计的仿真结果。然后研究了其在各领域的应用及未来的发展以及对其安全可靠性的说明。最后,在 Quartus II 环境下进行了电路的模拟仿真，仿真结果说明，整个设计基本满足了预期数字密码锁的设计目标。关键字：FPGA；VHDL；数字密码锁；Quartus IIAbstract
