本文介紹了一種以FPGA為基礎的數字密碼鎖。采用自頂向下的數字系統設計方法，將數字密碼鎖系統分解為若干子系統，并且進一步細劃為若干模塊，然后用硬件描述語言VHDL來設計這些模塊，同時進行硬件測試。測試結果表明該數字密碼鎖能夠校驗10位十進制數字密碼，且可以預置密碼，設有斷電保護裝置，解碼有效指示等相應功能。

　　1功能概述

　　(1)密碼鎖的工作時鐘由外部晶振提供，時鐘頻率為50MHz，運算速度高，工作性能穩定。

　　(2)密碼的設置和輸入由外接鍵盤完成，控制電路的安全系數高，操作方便;

　　(3)密碼數字可以由鎖的所有者隨意設置，并可更改，增強了用戶體驗。密碼修改必須符合預設規則，否則無法修改密碼。

　　(4)開鎖時，不限制密碼的輸入位數(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。

　　(5)清除密碼鍵的設定，可以快速清除全部密碼，提高了對突發事件的適應能力。

　　(6)對輸入的數字密碼既能直接顯示，又能轉換為星號，防治偷窺，增強保密性。

　　(7)全部密碼輸入后，正確時密碼鎖將開啟，顯示屏出現：Input Right!指示燈變亮。錯誤時，顯示屏出現：Input Failed!指示燈變滅。

　　(8)設有斷電保護裝置，保證電路不會因掉電失去所修改的密碼，而回到最初的密碼值，增強密碼的穩定性。

　　2系統結構

　　本系統設計主要包括硬件設計和軟件設計兩部分，均采用模塊化設計。其中硬件設計主要包括中央控制模塊、微控制器、顯示模塊、輸入模塊、外圍電路等內容。軟件設計包括狀態控制模塊，邏輯控制模塊，液晶顯示驅動模塊，EPROM驅動模塊，掃描輸入模塊等構成。系統結構框架圖如圖1所示。

　　圖1：系統結構框架圖

　　設計采用模塊化編程方式，整個程序由液晶LCD1602模塊(LCD1602.v)、矩陣鍵盤模塊(Matrix_Keys.v)、存儲芯片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)調用其他3個模塊完成頂層功能的設計。如圖2所示。

　　圖2：矩陣鍵盤原理圖

　　3底層設計

　　3.1輸入模塊

　　由于鍵盤按鍵數量較多，為了減少I/O口的占用，本設計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，而是通過一個按鍵加以連接。這樣，8個端口就可以構成3*5=15個按鍵，實際上我們只用14個按鍵就足以解決密碼問題，比之直接將端口線用于鍵盤多出了一倍，而且線數越多，區別越明顯，比如再多加一條線就可以構成20鍵的鍵盤，而直接用端口線則只能多出一鍵(9鍵)。故在需要的鍵數比較多時，采用矩陣法來做鍵盤是更合理的方案。

　　3.2顯示模塊與外圍電路

　　本設計選用了LCD1602作為顯示模塊的核心，可以方便地顯示所需的數字和提示語，具有界面人性化、功耗低、速度快、節約控制器資源等優點。外圍電路主要是一個受控制器控制的LED，由于表示鎖的開啟與關閉。

　　3.3存儲模塊

　　本設計使用存儲芯片AT24C02作為密碼的外部存儲器。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器，內部組織為256個字節，每個字節8位，該芯片被廣泛應用于低電壓及低功耗的工商業領域。設計使用I2C協議實現控制器與存儲器的聯結，實現密碼保存，并保證密碼不會因斷電丟失。

　　4工作方式

　　本系統利用上述系統模塊作為硬件基礎，使用VHDL語言編寫程序，實現了五大主要功能：

　　(1)確認密碼：通過掃描矩陣鍵盤，判斷用戶輸入內容，將鍵入的數碼與密碼存儲器中的密碼進行比較，判斷密碼的正誤，并控制密碼鎖的開關;

　　(2)清除密碼：輸入密碼過程中發生按鍵失誤，可以通過選擇清除鍵清除當前全部的密碼，方便重新輸入;

　　(3)密碼保護：通過顯示切換鍵，可以切換顯示模式。在顯示數字模式下，顯示屏即顯示輸入的數字，方便用戶操作;在保護模式下，顯示的密碼用"*"表示，防止外界偷窺，提高安全性能;

　　(4)修改密碼：當密碼鎖處于打開狀態時，默認識別當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設的"潛在規則"，否則無法完成修改，防止密碼鎖被破壞;

　　(5)斷電保護：設置電路保護結構，保證電路不會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仿真與調試

　　在設計過程中，首先針對各個模塊，使用Quartus II等軟件進行仿真，然后將程序燒錄進行硬件調試。最后，將整個系統程序進行全編譯，進行整個系統的軟件仿真，仿真通過后進行整個系統的硬件調。

　　6核心特點

　　本設計開創性地提出了修改密碼"潛在規則"的概念，即在修改密碼時，新密碼必須滿足密碼鎖制作時預設的潛在規則，否則無法成功修改密碼，例如：潛在規則為密碼必須為七位數，則在修改密碼時若輸入為五位數則會提示密碼修改失敗。本設計的意義在于，當入侵者通過非法手段獲取正確密碼并開鎖后，如果短時間內不能發現潛在規則，就不得不放棄修改密碼，防止用戶利益二次受損。另外潛在規則的設計方式還可以為密碼所有位數和等于N，必須為偶數等等，每一種潛在規則都有對應的說明書，所以即使批量生產也不存在潛在規則被破解的問題。此外，用戶在忘記密碼時可以根據說明書，聯系潛在規則回憶密碼。另外，密碼鎖支持1~10位任意位10進制數作為密碼，遠大于一般密碼鎖，靈活性極高，可組合出約11億種密碼組合，從概率學上講，隨機破解密碼為不可能事件。

　　7結束語

　　基于FPGA適用于設計狀態機的特點，通過Quartus II仿真以及實物測試，證明本數字密碼鎖具有功能完善、工作穩定、安全系數高的特點，通過修改密碼方案的創新，使其在實際應用中能進一步顯示優良的安全性能，具有較好的發展前景。