基于FPGA的60位数字密码锁设计

论文总字数：16995字

目 录

第一章 引言 1

第二章 密码锁的设计方案 2

2.1 设计任务和功能要求 2

2.2 设计方案的比较论证 2

2.3 总体设计框图 3

第三章 密码锁的系统设计 4

3.1 数字密码锁的原理 4

3.2 基于FPGA的逻辑电路实现 5

3.3 设计方法 6

3.3.1 自顶向下法 7

3.3.2 用模块化设计FPGA 7

第四章 硬件设计 7

4.1 FPGA开发板 7

4.2 LCD显示屏 9

第五章 软件设计 9

5.1 各功能模块的实现 10

5.1.1 PLL锁相环模块 10

5.1.2 键值读取模块 11

5.1.3 控制模块 13

5.1.4 nios Ⅱ模块 14

第六章 仿真与结论 17

6.1 仿真与调试 17

6.1.1 键值读取模块 17

6.1.2 控制模块 17

6.2 结果展示 18

第七章 总结与展望 20

第八章 存在的问题与讨论 21

参考文献 22

致谢 23

附录程序 24

基于FPGA的60位数字密码锁设计

刘彦男

,China

Abstract:The lock plays an indispensable roles in our daily life. But the traditional mechanical lock with low reliability and flexibility are being eliminated. In this text, we design a newkind of digital password lock based on the FPGA, and use the soft core nios (2) programming to simplify the system by avoiding an external storage circuit. And then we use programmable logic device to achieve some functions such as security unlock、password modification、anti-theft alarm and so on, it also can be modified and updated at any time you want. According to the experimental results, we can see our new lock has higher reliability and security compared with traditional digital password lock based on MCU design.

Key words:Programmable logic device;Digital password lock;Embedded processor

第一章 引言

随着科技发展和人们思想的解放，人们对生活有了更高的追求和需求，越来越重视个人财富和家庭财产安全，传统机械锁虽然比较稳定、耐用、且不需要电源，但是由于安全性低、体积大且需要随身携带钥匙等缺点，使其已经不再满足人们的需求而被市场慢慢淘汰。与之相反，电子密码锁正在成为市场的主流，人们的首选。它是通过输入预先设置好的一组数字来实现开锁功能。当前市面上存在各种各样的电子密码锁，主要有IC卡密码锁、指纹密码锁、生物特征密码锁和数字密码锁等类型。IC卡密码锁操作简单方便，但是对IC卡的要求比较高，而IC卡很容易因为与带磁力物品接触而消磁，导致其无法使用；指纹密码锁通过录入指纹来实现解锁，具有高保密性与安全性，且操作简单，但是因为其对手指的干湿程度和放置位置有极高的要求，使得其并不具有普遍适用性；生物特征密码锁最典型的就是瞳孔密码锁，即通过对人体瞳孔进行扫描，经过系统内部复杂的智能提取特征识别的技术而实现正确解锁的功能。但是由于技术的高昂费用，使得其只能运用在需要严格保密的私密特殊场所，同样也不具有普通适用性。而其中数字密码锁因其体积小、成本低、安全性较高的优点脱颖而出，逐渐被应用到个人、家庭及其他公共场所。而且它具有的防盗报警、语音提示等功能也符合某些高档特殊场所的高安全的需求。

现在市面上存在的数字密码锁可分为两个设计类别：一种是依托于单片机技术，其中，绝大多数的密码锁都是以单片机技术为核心的设计。它是以单片机为主控单元，利用软件编码的方式来实现其功能，系统结构简单、操作容易并且处理速度较快，但是电路较复杂，并且基本无法根据后续要求而进行系统更新或升级。然而在实践中，由于其自身功能局限，使得产品功能不够强大，系统的可靠性与灵活性较差。另一种是通过检测人体生物特征来实现解锁功能，安全可靠性很高，但是成本极高，无法实现普及，仅能被是用在一些国家机密场所。目前国外的电子科学技术相对于我国而言发展较快，技术也比较先进和成熟。市面上的电子密码锁种类较多、安全可靠性好，并结合生物识别技术和AI技术，使得电子密码锁在安全性和灵活性方面能得到很大的提升。而我国目前市场上的电子密码锁依旧以单片机为主流，仍然处于较落后的地位。

考虑到市场和人们的需求，本文将设计一款新型数字密码锁，以FPGA器件为主控单元，在此基础上设计并构造系统，使用Verilog硬件描述语言来设计和编程。由于FPGA的强大功能，系统不再需要繁琐且复杂的扩展和升级，灵活性更强，系统安全性也可以得到保障。利用FPGA相关工具更改主控和接口电路可以将新的设计要求更新下载，避免因为更改外部电路而造成系统整体设计时间过长，效率低下。同时使用FPGA内置软核nios Ⅱ来辅助实现数字密码锁的功能，避免了外接密码存储电路造成系统复杂，这种方式能使修改更加方便、快速。此外，增加了可以修改密码位数的功能（最高60位），使得密码锁的安全性与灵活性得到更高的保障。

第二章 密码锁的设计方案

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