（1）密碼鎖的工作時鍾由外部晶振提供，時鍾頻率為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，控製電路的安全係數高，操作方便
；

 

（3）密碼數字可以由鎖的所有者隨意設置
，並可更改, 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, 不限製密碼的輸入位數（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）全部密碼輸入後, 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。

 

 

本係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製模塊、微控製器、顯示模塊
、輸入模塊
、外圍電路等內容。軟件設計包括狀態控製模塊，邏輯控製模塊
，液晶顯示驅動模塊，EPROM 驅動模塊，掃描輸入模塊等構成。係統結構框架圖如圖1 所示。

圖1：係統結構框架圖

 

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

 

3.1 輸入模塊

 

由於鍵盤按鍵數量較多
，為了減少I/O 口(kou)的(de)占(zhan)用(yong)，本(ben)設(she)計(ji)將(jiang)按(an)鍵(jian)排(pai)列(lie)成(cheng)矩(ju)陣(zhen)形(xing)式(shi)。在(zai)矩(ju)陣(zhen)式(shi)鍵(jian)盤(pan)中(zhong)，每(mei)條(tiao)水(shui)平(ping)線(xian)和(he)垂(chui)直(zhi)線(xian)在(zai)交(jiao)叉(cha)處(chu)不(bu)直(zhi)接(jie)連(lian)通(tong)，而(er)是(shi)通(tong)過(guo)一(yi)個(ge)按(an)鍵(jian)加(jia)以(yi)連(lian)接(jie)。這(zhe)樣(yang)，8 個端口就可以構成3*5=15個按鍵，實際上我們隻用14 個按鍵就足以解決密碼問題，比之直接將端口線用於鍵盤多出了一倍，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，而直接用端口線則隻能多出一鍵（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，具有界麵人性化、功耗低
、速度快
、節約控製器資源等優點。外圍電路主要是一個受控製器控製的LED，由於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。二線製串行EEPROM—24C02是低工作電壓的2K 位串行電可擦除隻讀存儲器，內部組織為256 個字節
，每個字節8 位
，該芯片被廣泛應用於低電壓及低功耗的工商業領域。設計使用I2C 協議實現控製器與存儲器的聯結，實現密碼保存
，並保證密碼不會因斷電丟失。

 

本係統利用上述係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
，並控製密碼鎖的開關；

 

（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：當密碼鎖處於打開狀態時

，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

 

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
，然後將程序燒錄進行硬件調試。最後

，將整個係統程序進行全編譯, 進行整個係統的軟件仿真
，仿真通過後進行整個係統的硬件調。

 

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製作時預設的潛在規則，否則無法成功修改密碼，例如：qianzaiguizeweimimabixuweiqiweishu，zezaixiugaimimashiruoshuruweiwuweishuzehuitishimimaxiugaishibai。benshejideyiyizaiyu
，dangruqinzhetongguofeifashouduanhuoquzhengquemimabingkaisuohou，ruguoduanshijianneibunengfaxianqianzaiguize
，jiubudebufangqixiugaimima
，fangzhiyonghuliyiercishousun。lingwaiqianzaiguizedeshejifangshihaikeyiweimimasuoyouweishuhedengyuN
，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，聯係潛在規則回憶密碼。另外，密碼鎖支持1~10 位任意位10 進製數作為密碼，遠大於一般密碼鎖
，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。

 

基於FPGA 適用於設計狀態機的特點，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
、安全係數高的特點，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。