以FPGA 为基础的数字密码锁

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本文介绍了一种以FPGA 为基础的数字密码锁。采用自顶向下的数字系统设计方法, 将数字密码锁系统分解为若干子系统, 并且进一步细划为若干模块,  然后用硬件描述语言VHDL 来设计这些模块, 同时进行硬件测试。测试结果表明该数字密码锁能够校验10 位十进制数字密码, 且可以预置密码,  设有断电保护装置, 解码有效指示等相应功能。
1 功能概述
（1）密码锁的工作时钟由外部晶振提供，时钟频率为50MHz，运算速度高，工作性能稳定。
（2）密码的设置和输入由外接键盘完成，控制电路的安全系数高，操作方便；
（3）密码数字可以由锁的所有者随意设置，并可更改, 增强了用户体验。密码修改必须符合预设规则，否则无法修改密码。
（4）开锁时, 不限制密码的输入位数（1到10 位皆可以）, 减少了密码被破 解的概率（约为10 亿分之一的破 解率），密码锁的保密能力高。
（5）清除密码键的设定，可以快速清除全部密码，提高了对突发事件的适应能力。
（6）对输入的数字密码既能直接显示，又能转换为星号，防治偷 窥，增强保密性。
（7）全部密码输入后, 正确时密码锁将开启, 显示屏出现：Input Right! 指示灯变亮。错误时，显示屏出现：Input Failed! 指示灯变灭。
（8）设有断电保护装置，保证电路不会因掉电失去所修改的密码，而回到最初的密码值，增强密码的稳定性。
2 系统结构
本系统设计主要包括硬件设计和软件设计两部分，均采用模块化设计。其中硬件设计主要包括中央控制模块、微控制器、显示模块、输入模块、外围电路等内容。软 件设计包括状态控制模块，逻辑控制模块，液晶显示驱动模块，EPROM 驱动模块，扫描输入模块等构成。系统结构框架图如图1 所示。


图1：系统结构框架图
设计采用模块化编程方式，整个程序由液晶LCD1602  模块(LCD1602.v)、矩阵键盘模块(Matrix_Keys.v)、存储芯片AT24C02 模块(AT24C_XX.v)  和顶层逻辑功能模块(password.v) 组成。顶层逻辑功能模块(password.v) 调用其他3 个模块完成顶层功能的设计。如图2 所示。


图2：矩阵键盘原理图
3 底层设计
3.1 输入模块
由于键盘按键数量较多，为了减少I/O  口的占用，本设计将按键排列成矩阵形式。在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。这样，8  个端口就可以构成3*5=15个按键，实际上我们只用14  个按键就足以解决密码问题，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比如再多加一条线就可以构成20  键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键（9 键）。故在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是更合理的方案。
3.2 显示模块与外围电路
本设计选用了LCD1602 作为显示模块的核心，可以方便地显示所需的数字和提示语，具有界面人性化、功耗低、速度快、节约控制器资源等优点。外围电路主要是一个受控制器控制的LED，由于表示锁的开启与关闭。
3.3 存储模块
本设计使用存储芯片AT24C02 作为密码的外部存储器。二线制串行EEPROM—24C02是低工作电压的2K  位串行电可擦除只读存储器，内部组织为256 个字节，每个字节8 位，该芯片被广泛应用于低电压及低功耗的工商业领域。设计使用I2C  协议实现控制器与存储器的联结，实现密码保存，并保证密码不会因断电丢失。
4 工作方式
本系统利用上述系统模块作为硬件基础，使用VHDL 语言编写程序，实现了五大主要功能：
（1）确认密码：通过扫描矩阵键盘，判断用户输入内容，将键入的数码与密码存储器中的密码进行比较，判断密码的正误，并控制密码锁的开关；
（2）清除密码：输入密码过程中发生按键失误，可以通过选择清除键清除当前全部的密码，方便重新输入；
（3）密码保护：通过显示切换键，可以切换显示模式。在显示数字模式下，显示屏即显示输入的数字，方便用户操作；在保护模式下，显示的密码用“*”表示，防止外界偷 窥，提高安全性能；
（4）修改密码：当密码锁处于打开状态时，默认识别当前用户为锁的持有者，允许修改密码。但修改密码必须符合密码锁内设的“潜在规则”，否则无法完成修改，防止密码锁被破坏；
（5）断电保护：设置电路保护结构，保证电路不会因掉电失去所修改的密码，而回到最初的密码值。
其工作流程图如图3。


图3：工作流程图
5 仿真与调试
在设计过程中，首先针对各个模块，使用Quartus II 等软件进行仿真，然后将程序烧录进行硬件调试。最后，将整个系统程序进行全编译, 进行整个系统的软件仿真，仿真通过后进行整个系统的硬件调。
6 核心特点
本设计开创性地提出了修改密码“潜在规则”的概念，即在修改密码时，新密码必须满足密码锁制作时预设的潜在规则，否则无法成功修改密码，例如：潜在规则为 密码必须为七位数，则在修改密码时若输入为五位数则会提示密码修改失败。本设计的意义在于，当入侵者通过非法手段获取正确密码并开锁后，如果短时间内不能 发现潜在规则，就不得不放弃修改密码，防止用户利益二次受损。另外潜在规则的设计方式还可以为密码所有位数和等于N，必须为偶数等等，每一种潜在规则都有 对应的说明书，所以即使批量生产也不存在潜在规则被破  解的问题。此外，用户在忘记密码时可以根据说明书，联系潜在规则回忆密码。另外，密码锁支持1~10 位任意位10  进制数作为密码，远大于一般密码锁，灵活性极高，可组合出约11 亿种密码组合，从概率学上讲，随机破 解密码为不可能事件。
7 结束语
基于FPGA 适用于设计状态机的特点，通过Quartus II 仿真以及实物测试，证明本数字密码锁具有功能完善、工作稳定、安全系数高的特点，通过修改密码方案的创新，使其在实际应用中能进一步显示优良的安全性能，具有较好的发展前景。
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