現(xiàn)代社會，人們的安全意識正在不斷提升。按鍵密碼鎖由于其具有方便性、低成本等特征，還是大有用武之地的。但是通常的按鍵密碼鎖開發(fā)，都是基于單片機(jī)技術(shù)。因為單片機(jī)在性能方面存在著一些不足，還不能完全滿足人們對密碼鎖功能和安全方面進(jìn)行擴(kuò)展的需求。所以，本文提出了一種相應(yīng)的解決方法。本文闡述了一種基于FPGA平臺和VHDL語言的密碼鎖設(shè)計原理與方法。密碼鎖作為一個小型數(shù)字系統(tǒng)，通過利用PS/2接口鍵盤作為輸入模塊、 FPGA作為核心處理模塊、LED數(shù)碼管作為輸出模塊，來實現(xiàn)其具體的功能。設(shè)計過程中所用的具體芯片型號是XILINX公司的SPARTAN XC3S400，EDA開發(fā)工具為ISE ，仿真工具是Modelsim SE。最后，本文實現(xiàn)了一個簡單的密碼鎖原型系統(tǒng)的設(shè)計。該系統(tǒng)開發(fā)采用了“從上至下”的設(shè)計方針，先設(shè)計系統(tǒng)的主要功能模塊，然后對功能模塊進(jìn)行具體化實現(xiàn)。最終的密碼鎖系統(tǒng)，解決了密碼鎖輸入模塊的通訊問題，密碼鎖控制模塊的構(gòu)造問題，密碼鎖輸出模塊的顯示問題。

　　隨著社會的發(fā)展，人們的安全意識正在不斷提升。這就需要更先進(jìn)的鎖類產(chǎn)品來滿足人們更高的需求。與普通的機(jī)械鎖相比，電子密碼鎖由于具有更高的安全性以及更智能化的操作性，所以逐漸受到人們的青睞。按照操控方式來分類，目前市場上的電子密碼鎖設(shè)備，大致可劃分為如下三種：生物特征密碼鎖、卡式密碼鎖和鍵盤密碼鎖［1］。其中，生物特征密碼鎖一般是通過識別人體的某些生理特征來進(jìn)行工作的產(chǎn)品，如基于指紋識別、聲音識別的密碼鎖［1］。生物特征密碼鎖由于具有很高的安全性，一般被用在安全性要求極高的行業(yè)中，如銀行業(yè)［1］?？ㄊ矫艽a鎖一般是通過識別IC（Integrated Circuit，集成電路）卡等具有存儲功能的卡片來進(jìn)行工作的產(chǎn)品。卡式密碼鎖又可分為接觸式和非接觸式兩種類型［1］。無論是哪一種都需要人們隨身攜帶卡片，萬一卡片丟失損壞或被盜，就會給使用者造成無可挽回的損失。鍵盤式電子密碼鎖是通過鍵盤輸入密碼信號來進(jìn)行工作的設(shè)備［1］ 。從價格和方便性的角度綜合考慮，鍵盤式電子密碼鎖是比較適合一般大眾的。因而，鍵盤式密碼鎖具有廣泛的研究前景與應(yīng)用價值。但是在研究了鍵盤式電子密碼鎖設(shè)計的相關(guān)文獻(xiàn)之后，會發(fā)現(xiàn)目前此類密碼鎖在設(shè)計的過程中所使用的工具與開發(fā)模式存在如下問題：

　?。?）當(dāng)前鍵盤式密碼鎖產(chǎn)品的設(shè)計主要是基于單片機(jī)技術(shù)，將單片機(jī)作為系統(tǒng)的中央處理模塊。但是單片機(jī)在性能方面存在著一些不足，還不能完全滿足人們對功能和安全方面進(jìn)行擴(kuò)展的需求。單片機(jī)一般只有40個引腳、幾KB的存儲器容量［2］，那么在利用單片機(jī)做功能設(shè)計和擴(kuò)展時就受到了很大的限制。比如，要在密碼鎖鍵盤識別的基礎(chǔ)上，再增加語音識別或指紋識別等功能時，就需要控制芯片擁有更大的存儲空間、更快的處理能力。而這是單片機(jī)所不具備的。

　?。?）當(dāng)前鍵盤式密碼鎖產(chǎn)品設(shè)計過程中，開發(fā)人員在利用單片機(jī)進(jìn)行開發(fā)時，主要采用匯編語言或者是C語言［3］，這類語言不能夠充分模仿硬件電路級的行為，從而增加了開發(fā)成本。以匯編語言為例，匯編語言是一些轉(zhuǎn)移指令、運算指令、跳轉(zhuǎn)指令等底層硬件指令的集合［4］。要完成一個簡單的功能，如鍵盤時序的控制，一般就需要寫上百行的匯編代碼。最終，程序會十分冗長，并且可維護(hù)性差。

　?。?）當(dāng)前鍵盤式密碼鎖產(chǎn)品設(shè)計過程中，開發(fā)人員針對不同型號的產(chǎn)品一般都要重新設(shè)計鍵盤掃描電路、鍵盤消抖電路和鍵盤譯碼電路等接口電路。而這些重復(fù)工作無疑增加了開發(fā)人員的負(fù)擔(dān)。針對上述這些問題，本文提出了一種解決辦法。首先，如果能夠采用FPGA（Field Programmable Gate Array，現(xiàn)場可編程門陣列）作為中央處理模塊來進(jìn)行密碼鎖設(shè)計就基本可以解決單片機(jī)容量不足和擴(kuò)展性能力弱的問題。目前的FPGA芯片一般有200個引腳，幾MB的存儲容量［5］，具備密碼鎖等小型數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的容量與能力，甚至綽綽有余。其次，如果能夠采用EDA（Electronic Design Automation，電子設(shè)計自動化）技術(shù)作為密碼鎖的開發(fā)模式來進(jìn)行設(shè)計，就基本可以解決利用匯編或C進(jìn)行開發(fā)的可維護(hù)性差的問題。因為在電子設(shè)計行業(yè)，EDA技術(shù)是進(jìn)行數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的重要手段，并且在某些復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域中甚至成為主要的手段［6］。在EDA軟件的支持下，開發(fā)人員需要做的只是描述數(shù)字系統(tǒng)的功能與行為，然后將描述的結(jié)果交由計算機(jī)軟件進(jìn)行處理，最終在下載到FPGA中后便得到想要的電子線路［6］。通過這樣的設(shè)計方式，使原本需要在硬件上進(jìn)行的修改，簡化到只需要修改程序的程度。

　　本文所采用EDA編程語言是VHDL（Very high speed integrated circuit Hardware Description Language， 超高速集成電路硬件描述語言）語言。 VHDL作為一種硬件描述語言，具有功能強(qiáng)大的語言結(jié)構(gòu)，可以用簡潔的程序來描述復(fù)雜的邏輯行為［7］。它具有多層次的設(shè)計描述功能，經(jīng)過工具軟件的層層細(xì)化，最后可直接生成電路級的描述，下載到FPGA后便可得到所需要的電子設(shè)備［7］。VHDL還支持同步電路、異步電路和隨機(jī)電路的設(shè)計［7］，這是其他硬件描述語言所不能比擬的。VHDL支持多種設(shè)計方法，既支持自底向上的設(shè)計模式，也支持自頂向下的設(shè)計模式。所以，在利用VHDL語言進(jìn)行數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計時，可以極大地發(fā)揮開發(fā)人員的創(chuàng)造性。最后，考慮到當(dāng)前PS/2（Personal System 2，個人系統(tǒng)2）鍵盤已經(jīng)集成鍵盤掃描電路、消抖電路、譯碼電路［8］。所以，在采用PS/2鍵盤直接作為密碼鎖輸入電路之后，就可以減輕開發(fā)人員重復(fù)設(shè)計接口電路的工作負(fù)擔(dān)。并且PS/2鍵盤具有廣泛的普及率、豐富的按鍵等優(yōu)勢。這些因素將給開發(fā)者帶來巨大的方便。