基于FPGA的數(shù)字密碼鎖

　　本文介紹了一種以FPGA 為基礎(chǔ)的數(shù)字密碼鎖。采用自頂向下的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法， 將數(shù)字密碼鎖系統(tǒng)分解為若干子系統(tǒng)， 并且進(jìn)一步細(xì)劃為若干模塊， 然后用硬件描述語(yǔ)言VHDL 來(lái)設(shè)計(jì)這些模塊， 同時(shí)進(jìn)行硬件測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明該數(shù)字密碼鎖能夠校驗(yàn)10 位十進(jìn)制數(shù)字密碼， 且可以預(yù)置密碼， 設(shè)有斷電保護(hù)裝置， 解碼有效指示等相應(yīng)功能。

　　1 功能概述

　?。?）密碼鎖的工作時(shí)鐘由外部晶振提供，時(shí)鐘頻率為50MHz，運(yùn)算速度高，工作性能穩(wěn)定。

　?。?）密碼的設(shè)置和輸入由外接鍵盤完成，控制電路的安全系數(shù)高，操作方便；

　?。?）密碼數(shù)字可以由鎖的所有者隨意設(shè)置，并可更改， 增強(qiáng)了用戶體驗(yàn)。密碼修改必須符合預(yù)設(shè)規(guī)則，否則無(wú)法修改密碼。

　　（4）開(kāi)鎖時(shí)， 不限制密碼的輸入位數(shù)（1到10 位皆可以）， 減少了密碼被破 解的概率（約為10 億分之一的破 解率），密碼鎖的保密能力高。

　?。?）清除密碼鍵的設(shè)定，可以快速清除全部密碼，提高了對(duì)突發(fā)事件的適應(yīng)能力。

　?。?）對(duì)輸入的數(shù)字密碼既能直接顯示，又能轉(zhuǎn)換為星號(hào)，防治偷 窺，增強(qiáng)保密性。

　　（7）全部密碼輸入后， 正確時(shí)密碼鎖將開(kāi)啟， 顯示屏出現(xiàn)：Input Right！ 指示燈變亮。錯(cuò)誤時(shí)，顯示屏出現(xiàn)：Input Failed！ 指示燈變滅。

　?。?）設(shè)有斷電保護(hù)裝置，保證電路不會(huì)因掉電失去所修改的密碼，而回到最初的密碼值，增強(qiáng)密碼的穩(wěn)定性。

　　2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　本系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分，均采用模塊化設(shè)計(jì)。其中硬件設(shè)計(jì)主要包括中央控制模塊、微控制器、顯示模塊、輸入模塊、外圍電路等內(nèi)容。軟件設(shè)計(jì)包括狀態(tài)控制模塊，邏輯控制模塊，液晶顯示驅(qū)動(dòng)模塊，EPROM 驅(qū)動(dòng)模塊，掃描輸入模塊等構(gòu)成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖如圖1 所示。

　　圖1：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖

　　設(shè)計(jì)采用模塊化編程方式，整個(gè)程序由液晶LCD1602 模塊（LCD1602.v）、矩陣鍵盤模塊（Matrix_Keys.v）、存儲(chǔ)芯片AT24C02 模塊（AT24C_XX.v） 和頂層邏輯功能模塊（password.v） 組成。頂層邏輯功能模塊（password.v） 調(diào)用其他3 個(gè)模塊完成頂層功能的設(shè)計(jì)。如圖2 所示。

　　圖2：矩陣鍵盤原理圖

　　3 底層設(shè)計(jì)

　　3.1 輸入模塊

　　由于鍵盤按鍵數(shù)量較多，為了減少I/O 口的占用，本設(shè)計(jì)將按鍵排列成矩陣形式。在矩陣式鍵盤中，每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通，而是通過(guò)一個(gè)按鍵加以連接。這樣，8 個(gè)端口就可以構(gòu)成3*5=15個(gè)按鍵，實(shí)際上我們只用14 個(gè)按鍵就足以解決密碼問(wèn)題，比之直接將端口線用于鍵盤多出了一倍，而且線數(shù)越多，區(qū)別越明顯，比如再多加一條線就可以構(gòu)成20 鍵的鍵盤，而直接用端口線則只能多出一鍵（9 鍵）。故在需要的鍵數(shù)比較多時(shí)，采用矩陣法來(lái)做鍵盤是更合理的方案。

　　3.2 顯示模塊與外圍電路

　　本設(shè)計(jì)選用了LCD1602 作為顯示模塊的核心，可以方便地顯示所需的數(shù)字和提示語(yǔ)，具有界面人性化、功耗低、速度快、節(jié)約控制器資源等優(yōu)點(diǎn)。外圍電路主要是一個(gè)受控制器控制的LED，由于表示鎖的開(kāi)啟與關(guān)閉。

　　3.3 存儲(chǔ)模塊

　　本設(shè)計(jì)使用存儲(chǔ)芯片AT24C02(＄0.2400) 作為密碼的外部存儲(chǔ)器。二線制串行EEPROM—24C02是低工作電壓的2K 位串行電可擦除只讀存儲(chǔ)器，內(nèi)部組織為256 個(gè)字節(jié)，每個(gè)字節(jié)8 位，該芯片被廣泛應(yīng)用于低電壓及低功耗的工商業(yè)領(lǐng)域。設(shè)計(jì)使用I2C 協(xié)議實(shí)現(xiàn)控制器與存儲(chǔ)器的聯(lián)結(jié)，實(shí)現(xiàn)密碼保存，并保證密碼不會(huì)因斷電丟失。

　　4 工作方式

　　本系統(tǒng)利用上述系統(tǒng)模塊作為硬件基礎(chǔ)，使用VHDL 語(yǔ)言編寫程序，實(shí)現(xiàn)了五大主要功能：

　?。?）確認(rèn)密碼：通過(guò)掃描矩陣鍵盤，判斷用戶輸入內(nèi)容，將鍵入的數(shù)碼與密碼存儲(chǔ)器中的密碼進(jìn)行比較，判斷密碼的正誤，并控制密碼鎖的開(kāi)關(guān)；

　?。?）清除密碼：輸入密碼過(guò)程中發(fā)生按鍵失誤，可以通過(guò)選擇清除鍵清除當(dāng)前全部的密碼，方便重新輸入；

　?。?）密碼保護(hù)：通過(guò)顯示切換鍵，可以切換顯示模式。在顯示數(shù)字模式下，顯示屏即顯示輸入的數(shù)字，方便用戶操作；在保護(hù)模式下，顯示的密碼用“*”表示，防止外界偷 窺，提高安全性能；

　?。?）修改密碼：當(dāng)密碼鎖處于打開(kāi)狀態(tài)時(shí)，默認(rèn)識(shí)別當(dāng)前用戶為鎖的持有者，允許修改密碼。但修改密碼必須符合密碼鎖內(nèi)設(shè)的“潛在規(guī)則”，否則無(wú)法完成修改，防止密碼鎖被破壞；

　?。?）斷電保護(hù)：設(shè)置電路保護(hù)結(jié)構(gòu)，保證電路不會(huì)因掉電失去所修改的密碼，而回到最初的密碼值。

　　其工作流程圖如圖3。

　　圖3：工作流程圖

　　5 仿真與調(diào)試

　　在設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先針對(duì)各個(gè)模塊，使用Quartus II 等軟件進(jìn)行仿真，然后將程序燒錄進(jìn)行硬件調(diào)試。最后，將整個(gè)系統(tǒng)程序進(jìn)行全編譯， 進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的軟件仿真，仿真通過(guò)后進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的硬件調(diào)。

　　6 核心特點(diǎn)

　　本設(shè)計(jì)開(kāi)創(chuàng)性地提出了修改密碼“潛在規(guī)則”的概念，即在修改密碼時(shí)，新密碼必須滿足密碼鎖制作時(shí)預(yù)設(shè)的潛在規(guī)則，否則無(wú)法成功修改密碼，例如：潛在規(guī)則為密碼必須為七位數(shù)，則在修改密碼時(shí)若輸入為五位數(shù)則會(huì)提示密碼修改失敗。本設(shè)計(jì)的意義在于，當(dāng)入侵者通過(guò)非法手段獲取正確密碼并開(kāi)鎖后，如果短時(shí)間內(nèi)不能發(fā)現(xiàn)潛在規(guī)則，就不得不放棄修改密碼，防止用戶利益二次受損。另外潛在規(guī)則的設(shè)計(jì)方式還可以為密碼所有位數(shù)和等于N，必須為偶數(shù)等等，每一種潛在規(guī)則都有對(duì)應(yīng)的說(shuō)明書(shū)，所以即使批量生產(chǎn)也不存在潛在規(guī)則被破 解的問(wèn)題。此外，用戶在忘記密碼時(shí)可以根據(jù)說(shuō)明書(shū)，聯(lián)系潛在規(guī)則回憶密碼。另外，密碼鎖支持1~10 位任意位10 進(jìn)制數(shù)作為密碼，遠(yuǎn)大于一般密碼鎖，靈活性極高，可組合出約11 億種密碼組合，從概率學(xué)上講，隨機(jī)破 解密碼為不可能事件。

　　7 結(jié)束語(yǔ)

　　基于FPGA 適用于設(shè)計(jì)狀態(tài)機(jī)的特點(diǎn)，通過(guò)Quartus II 仿真以及實(shí)物測(cè)試，證明本數(shù)字密碼鎖具有功能完善、工作穩(wěn)定、安全系數(shù)高的特點(diǎn)，通過(guò)修改密碼方案的創(chuàng)新，使其在實(shí)際應(yīng)用中能進(jìn)一步顯示優(yōu)良的安全性能，具有較好的發(fā)展前景。