基于FPGA的电子密码锁系统的设计

　　摘要:随着智能家居的快速发展和普及应用，电子密码锁已经吸引了研究学界的更多关注。电子密码锁具有诸多优点，如智能、安全、高效、可靠等。本文即对一款基于FPGA的电子密码锁系统的设计实现进行了研究与论述。研究中，核心阐释了电子密码锁系统的硬件设计，同时又重点分析了该系统的软件研发流程，最后给出该系统仿真的综合演示结果。研究表明，本文成果具有一定的理论和实用价值。

　　关键词:FPGA;密码锁;键盘;报警

　　伴随着智慧生活和物联网技术的不断发展，电子密码锁取代传统锁具已成为一种必然的趋势。但目前电子密码锁类锁具在国内运用多偏向于公共场合，普通家庭使用的依然主要为普通锁具，智能电子密码锁是智慧生活的一个重要组成部分。相对于传统锁具来说，用FPGA所开发的密码锁更加地方便可靠，可以在不需要钥匙的情况下有效地保护个人空间[1]。

　　电子密码锁解决了钥匙被盗配，锁具被撬等安全隐患。因此研制一款能够实现智能感知、智能分析及智能控制的低成本、高效率、安全可靠的多功能智能电子密码锁具有重要的意义。系统主要包括FPGA、矩阵键盘、语音模块、LCD显示屏作为系统智能记忆与交互部分。

　　1系统工作原理

　　用户通过键盘输入密码数字并与预先设定好的数字进行对比，以此来判断输入的密码正确与否。根据比对结果FPGA通过I/O口输出信号控制电磁开关或者提示电路，从而达到控制开锁或者发出警告的目的。研究中，本设计可剖解为如下模块:芯片控制部分、按键输入电路、液晶显示屏模块、报警电路，电源模块。

　　系统由主控芯片、键盘扫描电路、警告线路、显示线路共同组成[2]。以FPGA为控制核心，通过键盘输入开锁，经由提示灯提示，系统将输入的数字与设定的数字进行比较，根据比较结果显示屏显示密码锁状态，密码匹配错误超过一定次数后，蜂鸣器进行报警。系统简单稳定，经济实惠。

　　2硬件设计

　　硬件是整个系统的研究基础，并将直接影响系统的稳定、可靠等方面的重要性能[3]。本系统硬件设备的组成设计可探讨分述如下。

　　2.1主控芯片

　　EP1C3T100的介绍FPGA器件选用Altera公司开发的EP1C3T100C8芯片。EP1C3T100C8是FPGA(可编程逻辑器件)系列的嵌入式器件，不仅用途广泛、市场应用价值高，而且将其投入到制作生产过程中所需成本低廉，因而受到广大开发商的青睐。EP1C3T100C8器件主要由4部分组成，分别是:I/O单元、EAB(嵌入式阵列块)、快速通道线、LAB(逻辑阵列块)。其中，LAB在系统中主要用来接收设计输入进行编译解析后形成的数据格式，LAB接收得多，内存占用过多则会影响整体的工作效率，因而开发另一个存储渠道，即把接收到的数据格式部分储存到EAB中。

　　2.2报警电路

　　系统采用蜂鸣器报警。蜂鸣器工作时所需的电流较大，FPGA的IO端口无法驱动，因此在实际报警设计中引入了放大电路来增强驱动能力。

　　2.3LCD1602显示屏

　　LCD1602为工业字符型液晶。在工作中，能在同一时间显示出16×02、即32个字符。1602液晶，又称为1602字符型液晶。LCD1602作为液晶体具有一定的物理性质，在工作过程中主要根据控制指令在屏幕上显示出符号、字母等信息。LCD1602在应用中呈现内容丰富、效果直观并且价格低廉，常被广泛用于各类电子产品的设计中，如数码相机、电子手表等。

　　2.4键盘控制电路结构与原理

　　按键有独立式按键和行列式按键。在基于FPGA电子密码锁的研发中，采用了4×4矩阵键盘，总共设置了14个按键功能。该次研究将按键设计为行列式结构，工作过程中对I/O接口进行逐行逐列的动态扫描，从而形成按键回路。也就是说，每个按键将基于横向布局的4根及竖向布局的4根、总共8根I/O口线进行动态扫描，每根I/O接口的工作状态是相互独立，互不干扰的。4×4键盘占用的I/O资源少，电路配置灵活，并且软件结构简单。

　　3系统软件设计

　　3.1系统主控制流程

　　密码锁在进入工作状态后，当用户输入正确密码并按下确认键后才可开门，在门开的状态下，按下新密码的设置键后，输入新密码，再按确认键方可对密码进行重新设置[4]。输入的密码在显示屏上显示出来，显示在屏幕最右边的是最后输入的数字，每输入一位数字，密码在数码管上的显示便会往左移一位。系统的初始密码为123456，也就是接通电源后，按下123456及确认键即可开门。

　　输入密码、并且按下确定键后，若此密码并非正确密码，此时门仍旧上锁，显示屏清屏，计数器加1，系统允许用户进行再次输入密码操作。若密码再次错误，系统反应同上。若密码输入错误，计数器累计达到4次，扬声器发出警报声。直到按下复位键后，计数器清0，警报声停止，系统再次进入工作状态。

　　3.2系统仿真演示结果

　　输入密码235689，相应键值波形为高电平。密码错误，计数器加1;输入密码2688，密码错误，计数器加为2;输入密码295988，密码错误，计数器加为3;输入密码123456，密码正确，有开门信号，pass为高电平，LED持续发光。采用本文方法进行机器人的助力控制，误差较小，经过100次测试，得到机器人控制的助力误差收敛到0.0021，满足设计需求，有效实现了对机器人的助力控制优化。

　　4结束语

　　设计仿生机器人助力控制系统，提高机器人助力控制过程自适应匹配能力和集成控制能力。本文提出基于PLC逻辑可编程芯片的仿生机器人助力控制系统设计方案，系统总体结构包括AD采样模块、助力传感调节模块、PLC逻辑控制及控制指令处理模块、时钟中断模块、上位机通信模块和人机交互模块等，以PLC逻辑可编程芯片作为核心控制芯片进行仿生机器人助力控制系统的多线程控制，采用VIX总线处理技术进行机器人的助力控制信号处理，构建自动控制系统的上位机通信模块进行远程自动控制和人机交互设计，以PLC和DSP作为数据处理中心单元，在ARM嵌入式微处理器环境下进行仿生机器人助力控制系统的硬件模块化开发。研究得知，采用该系统进行机器人的助力控制的自动控制性能较好，机器人助力调节的稳定性较高，自适应能力较强，设计系统在机器人控制中具有很好的应用价值。

　　参考文献

　　[1]史瑞东，张秀丽，姚燕安.基于CPG的沙漠蜘蛛机器人多模式运动控制方法[J].机器人，2018，40(2):146-157.

　　[2]田耀斌.多模式移动连杆机构理论研究[D].北京:北京交通大学，2015.

　　[3]王俊刚，汤磊，谷国迎，等.超冗余度机械臂跟随末端轨迹运动算法及其性能分析[J].机械工程学报，2018，54(3):18-25.

　　[4]陆兴华，谢振汉，范太霖.嵌入式多模控制系统的VXI总线数据采集技术[J].电子科技，2016，29(6):182-184，189.

　　[5]ZHANGJingmei，SUNChangyin，ZHANGRuimin，etal.Adaptiveslidingmodecontrolforre-entryattitudeofnearspacehypersonicvehiclebasedonbacksteppingdesign[J].IEEE/CAAJournalofAutomaticSinica，2015，2(1):94-101.

　　[6]彭程，白越，乔冠宇.共轴八旋翼无人飞行器的偏航静态抗饱和补偿控制[J].机器人，2018，40(2):240-248.

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