一种基于FPGA的语音密码锁系统的研究与设计

电子密码锁系统主要由电子锁体、电子密匙等部分组成，一把电子密匙里能存放多组开锁密码，用户在使用过程中能够随时修改开锁密码，更新或配制钥匙里开锁密码。一把电子锁可配制多把钥匙。语音方面的广泛应用，使得具有语音播放的电子密码锁使用起来更加方便。语音密码锁的体积小、保密性能好、使用方便，是用在保险箱、电话或是房门上不可少的部分。

本文介绍的基于FPGA的语音密码锁电路具有显示接口，显示时可以是明文也可以是密文星号。由于FPGA具有ISP功能，当用户需要更改时，如增加口令位数和更改口令权限管理时，只需更改FPGA中的控制和接口电路，利用EDA工具将更新后的设计下载到FPGA中即可，无需更改外部电路，这就大大提高了设计效率。而且采用FPGA设计的电子密码锁与单片机控制的电子密码锁相比结构简单、具有更高的系统保密性和可靠性。这种基于FPGA的电子密码锁可以应用在办公室、仓库、宾馆等人员经常变动的场所。

语音密码锁系统的设计

本设计中的语音密码锁具有如下功能：

①电子密码锁部分功能如下：

密码输入：按下一个数字键，就输入一个数值，并在显示器的最右方显示出该数值，并将先前已经输入的数据依次左移一个数字位置，当超出四位时锁定数字键，不响应其输入值。

密码清除：按下此键可清除前面所有的输入值，清除成为“- - - -”。

数字位退格：按下此键可清除最低的数字位，并使各位向右移。

密码设定：按下此键时会将目前的数字设定成新的密码。

激活电锁：按下此键可将密码锁上锁。

解除电锁：按下此键会检查输入的密码是否正确，密码正确即开锁，如果密码错误次数超过三次，系统将进入锁定状态。

万能密码：为了怕使用者忘记密码，系统维护者可考虑设计一个万用密码(8421)，不论原先输入的密码是什么，只要输入万用密码即可开锁。

②语音部分功能如下：

录音：能根据所需的内容实现语音录制，为播放准备。

放音：根据系统所处的不同时段以及不同的按键值播放不同的语音提示，以方便使用者操作。

报警：在密码输入错误时，发出报警音。      

硬件设计

根据整个系统的技术要求，选择硬件电路的设计方案，整个系统原理如图1所示。



根据整个电路的结构可分为几个功能模块：显示模块、电子锁状态指示灯(LED绿：密码正确开锁，LED红：进入死锁状态，LED黄：密码错误)、键盘模块、语音模块等。下面分别对各个功能模块进行详细的介绍。

显示模块

本设计主要是设计一个四位的语音密码锁，因此选择了四位共阴数码管，对输入数字与系统状态进行显示，其接口如图2所示。



键盘模块如图3所示。以上采用的是4×4矩阵式键盘，可划分为：数字键与功能键。其中，功能键分为：输入、退格、清除、确定、密码设定、上锁。



语音模块如图4所示。



根据所需的内容由柱式话筒MIC实现语音录制，同时也可以由ISD2560芯片的11引脚AUX IN 通过计算机的声卡输出端进行语音录制(效果差不多)。在整个系统中由主芯片对ISD2560芯片进行控制，以实现不同时段以及不同按键值播放不同的语音提示。

软件设计

本设计中，采用自顶向下的层次化结构设计方法，把整个系统划分为几个子模块，最后完成顶层电路的设计。子模块可分为：时钟模块、显示子模块、键盘子模块、语音子模块。当各个功能子模块设计完毕，顶层模块的设计就变得简单了，就是将各个子模块连接起来，其电路模型如图5所示。



结语

本设计中采用了ALTERA公司的 EP1C3T144芯片进行设计，实际测试表明系统的各项设计要求均得到满足并且系统工作良好，该设计采用了SOPC技术和FPGA，几乎将整个系统下载于同一芯片中，实现了所谓的片上系统，可以极大减少其它分立元件或其它芯片的使用，有效地缩小了线路板面积，增加了系统的可靠性，大大缩短了系统开发的周期。克服了传统电子密码锁可靠性差、价格高的缺点，提高了系统的性价比。由于采用VHDL语言进行层次化设计，用软件实现硬件电路，具有良好的可移植性，可随时在线更改逻辑设计及有关参数，充分体现现场可编程器件的优越性。