基于FPGA的电子密码锁的设计报告
摘要：基于FPGA设计的电子密码锁是一个小型的数字系统，与普通机械锁相比，具有许多独特的优点：保密性好，防盗性强，可以不用钥匙，记住密码即可开锁等。目前使用的电子密码锁大部分是基于单片机技术，以单片机为主要器件。在实际应用中，程序容易跑飞，系统的可靠性较差。本文介绍的一种基于现场可编辑门阵列FPGA器件的电子密码锁的设计方法，采用VHDL语言对系统进行描述，并在EP3C10E144C8上实现。
通过仿真调试，利用可编程逻辑器件FPGA的电子密码锁的设计基本达到了预期目的。当然，该系统在一些细节的设计上还需要不断地完善和改进，特别是对系统的扩展有很好的使用系统和设计的价值。
关键词:现场可编程门阵列；VHDL语言；电子密码锁
The Report Of Electronic Code Lock Design
Abstract：FPGA-based design of the electronic code lock is a small digital system. It has many unique advantages：good privacy and security , it do not need the key but remember password to unlock, and so on while it compare to ordinary mechanical locks. At present, the electronic code lock is most used of SCM technology .In practice, however, the process easy run to fly. So the reliability of this system is poor. The paper introduced a field programmable gate arrays FPGA devices to design electronic password lock. The VHDL language is used to describe the system and achieved in EP3C10E144C8.
Though the simulation tests, using FPGA-based design of the electronic code lock can achieve the expected goal. Of course, some of the details of the system in the design of the need to constantly refined and improved, in particular the expansion of the system have a good design and practical value.
Keyword: FPGA; VHDL language; electronic password lock
一、设计内容与要求
1．设计一个密码锁，密码为一个4位的十进制数，密码固化在锁内 2．用户输入密码正确，则开锁(试验箱D7 LED灯亮)；若不正确，则报警(试验
箱D0 LED灯亮)
3．若用户输入密码不正确，可以按复位键重新输入密码。
二、设计思想 2.1 系统原理框图
本系统由主控芯片（FPGA），键盘，显示电路，报警电路和开/关门电路组成，而主控芯片又可分为按键处理部分，控制部分和译码显示部分。系统原理框图如图2.1所示：
FPGA 键盘 按键处理 译码显示 显示 主控部分 开/关门电路 报警电路
图2.1 系统框图
2.2 总体实现原理
本系统有8个按键，K0,K1,K2,K3,K4,K5代表数字0-9共10个数字和1个确认键，1个复位键。密码长度为四位，并且固化在锁内，输入正确密码后，按确认键即可开门，本系统设置为LED D7灯亮。在输入密码的过程中，当用户键
入错误密码时，报警灯LED D0灯亮。按下复位键，可使报警停止，同时清除所有密码显示。
三、芯片主控设计
3.1 FPGA有限状态机
本设计是通过FPGA有限状态机来实现，设计有限状态机最开始的工作时要确定电路，包括哪些状态，比如某个电路包括四个状态，S0,S1,S2,S3。然后对所有状态给出一个状态编码，比如为状态S0赋予编码00，为状态S1赋予编码01，为状态S2赋予编码10，为状态S3赋予编码11。状态编码是状态的标识，保存在寄存器当中，对于此编码形式，只需一个2位的寄存器就可以了。
FSM Encoding Style 主要有： Binary Encoding One Hot Encoding Gray Encoding
二进制与一位热码的特性比较：
表3.1 二进制与一位热码的特性比较
状态机可以认为是组合逻辑和寄存器逻辑的特殊租户，它一般包括两个部分：组合逻辑部分和寄存器逻辑部分。寄存器用于存储状态，组合电路用于状态译码和产生输出信号。状态机的下一个状态及输出，不仅与输入信号有关，而且还有寄存器当前所处的状态有关。
根据输出信号产生方法的不同，状态机可以分成两类:Mealy型和Moore型。Moore型状态机的输出只是当前状态的函数，而Moore型状态机的输出只是当前状态的函数，而Mealy型状态机的输出则是当前状态和当前输入状态的函数。其原理如下两图：
图3.1Mealy型状态机输出原理
图3.2 Moore型状态机输出原理
3.2设计流程
本次密码锁的设计，有限状态机应该包括以下状态：密码为输入前的等待状态、输入密码时的等待状态、输入密码正确时的通过状态、输入密码错误时的警报状态。
图3.3 主有效状态机的状态转换图
其中当密码输入时又可包括以下状态，正常输入状态、异常输入状态（包括命令状态）、输入确认状态。
下面的图（图是在程序编译后，tools->Netlist_Vewers->RTL Vewer得到的）表示了密码输入的时候的次状态机，表示了4个密码输入的顺序状态，以及输入完成后的等待确认状态。
图3.4次有效状态机的状态转换
3.3状态编码
状态编码主要有二进制编码、格雷编码和一位独热编码等方式。
格雷编码时，相邻状态每次只有一个比特位产生变化，这样减少了瞬变的次