基于狀態(tài)機(jī)的語(yǔ)音電子密碼鎖設(shè)計(jì)

引言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，具有防盜報(bào)警、語(yǔ)音提示等功能的電子密碼鎖代替密碼量少、安全性差的機(jī)械式密碼鎖已是必然趨勢(shì)。目前大部分密碼鎖采用單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，電路較復(fù)雜，性能不夠靈活。本文采用先進(jìn)的EDA(電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化)技術(shù)，利用QuartusⅡ工作平臺(tái)和VHDL(超高速集成電路硬件描述語(yǔ)言)，設(shè)計(jì)了一種新型的電子密碼鎖。該密碼鎖具有密碼預(yù)置、修改、語(yǔ)音提示和3次輸入錯(cuò)誤則系統(tǒng)進(jìn)入定時(shí)鎖定并報(bào)警等功能，用FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列)芯片和語(yǔ)音芯片ISD2560實(shí)現(xiàn)。由于充分利用了FPGA芯片密度大、功耗低、可重復(fù)編程和具有嵌入式陣列塊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，且ISD2560具有抗斷電、音質(zhì)好、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，因而該密碼鎖體積小、功耗低、價(jià)格低、安全可靠、具有智能語(yǔ)音提示、維護(hù)和升級(jí)方便。

1 軟件設(shè)計(jì)

軟件用VHDL來(lái)實(shí)現(xiàn)，VHDL相比較于VerilogHDL，具有更好的語(yǔ)法的嚴(yán)格性，但是其嚴(yán)格的語(yǔ)法一定程度上限制了錯(cuò)誤的產(chǎn)生，調(diào)試較容易。VHDL的系統(tǒng)抽象能力比Verilog HDL強(qiáng)，在系統(tǒng)描述上占有一定的優(yōu)勢(shì)，但在門(mén)級(jí)描述上稍顯遜色。

本設(shè)計(jì)軟件模塊框圖如圖1所示，共8個(gè)模塊。

在本系統(tǒng)中，密碼由4位十進(jìn)制數(shù)組成，初始密碼為“0000”，可由用戶任意設(shè)定密碼。密碼輸入正確時(shí)，則進(jìn)入開(kāi)鎖狀態(tài)。如果密碼連續(xù)輸入3次錯(cuò)誤時(shí)，則系統(tǒng)進(jìn)入自我定時(shí)鎖定，并報(bào)警。在輸入過(guò)程中，系統(tǒng)可以發(fā)音提示(也可屏蔽掉)用戶輸入的數(shù)字，或者說(shuō)明當(dāng)前的狀態(tài)。

下面介紹狀態(tài)機(jī)和ISD2560控制電路的實(shí)現(xiàn)。

本設(shè)計(jì)的狀態(tài)圖見(jiàn)圖2。

其中state為狀態(tài)代碼，并通過(guò)state_out[3..0]端口傳給其他電路。一開(kāi)機(jī)，系統(tǒng)處在空閑狀態(tài)，當(dāng)按鍵處理電路傳來(lái)確定使能的信號(hào)compare_en時(shí)，狀態(tài)機(jī)等待effect_out腳的高電平脈沖信號(hào)，如果等不到則進(jìn)入S2狀態(tài)，即進(jìn)入密碼輸入一次錯(cuò)誤狀態(tài)，如果等到則進(jìn)入pass狀態(tài)即開(kāi)門(mén)狀態(tài)，如果3次輸入密碼錯(cuò)誤則系統(tǒng)進(jìn)入死鎖倒計(jì)時(shí)狀態(tài)，拉高lock_pin腳，啟動(dòng)計(jì)數(shù)器。

軟件流程圖見(jiàn)圖3。

當(dāng)計(jì)數(shù)滿時(shí)則計(jì)數(shù)電路拉高unlock腳電平，狀態(tài)機(jī)檢測(cè)到unlock腳下為高電平時(shí)，則表示鎖定時(shí)間結(jié)束，復(fù)位lock_pin的電平，在下一個(gè)時(shí)鐘上升沿到來(lái)時(shí)，進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài)即idle狀態(tài)。只有pass狀態(tài)下從按鍵處理電路傳來(lái)modify_pin為高電平時(shí)，才能進(jìn)入modify狀態(tài)，即密碼修改狀態(tài)。當(dāng)檢測(cè)到modify_pin腳電平復(fù)位為低電平時(shí)則表明修改密碼完成，狀態(tài)機(jī)在下一個(gè)時(shí)鐘上升沿到來(lái)之時(shí)，進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài)即idle狀態(tài)。如果在pass狀態(tài)時(shí)，狀態(tài)機(jī)檢測(cè)到close_pin腳電平被拉高時(shí)，則表明用戶要關(guān)門(mén)，此系統(tǒng)在下一個(gè)時(shí)鐘上升沿到來(lái)之時(shí)，返同空閑狀態(tài)。

狀態(tài)機(jī)還控制紅綠黃3個(gè)發(fā)光二極管與buzz-er蜂鳴器，仿真波形如圖4所示。當(dāng)系統(tǒng)處在空閑狀態(tài)、S2狀態(tài)、S3狀態(tài)時(shí)黃燈亮(S2、S3為第2次、第3次輸入密碼錯(cuò)誤的狀態(tài))；系統(tǒng)處在修改密碼的狀態(tài)即modify狀態(tài)時(shí)，3個(gè)燈一起亮；當(dāng)處于pass狀態(tài)時(shí)，綠燈亮；當(dāng)系統(tǒng)處于鎖定狀態(tài)即locked狀態(tài)時(shí)，紅燈亮，且蜂鳴器發(fā)出報(bào)警的聲音，直至跳出該狀態(tài)。

本設(shè)計(jì)采用計(jì)數(shù)器方法在ce腳上產(chǎn)生一個(gè)低電平脈沖以控制ISD2560芯片放錄音。當(dāng)innum收到一個(gè)新的數(shù)值時(shí)，則開(kāi)始計(jì)數(shù)；當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)到一半時(shí)，使ce腳輸出低電平；當(dāng)計(jì)數(shù)大于最高數(shù)的一半時(shí)，則復(fù)位ce腳電平，直到下次計(jì)數(shù)開(kāi)始。當(dāng)語(yǔ)音數(shù)據(jù)有多段時(shí)，先將要播放的語(yǔ)音段數(shù)存到一個(gè)變量中，并將各段地址存到另一個(gè)多位的變量中，然后開(kāi)始放音并檢測(cè)eom腳的電平。當(dāng)檢測(cè)到eom腳的低電平脈沖時(shí)，就表明放音結(jié)束，就讓段數(shù)變量減1，然后給地址線再賦新值，并且使能計(jì)數(shù)器，再次使ce腳產(chǎn)生一個(gè)低電平脈沖，繼續(xù)放音。這樣直至語(yǔ)音段數(shù)變量為0時(shí)，則表明語(yǔ)音播放完畢，系統(tǒng)不再響應(yīng)芯片eom腳的上升沿脈沖。圖5為ISD2560控制電路的仿真波形圖。

表1為與innum對(duì)應(yīng)的發(fā)音。

本設(shè)計(jì)采用模塊化編程，各模塊分工明確，各自實(shí)現(xiàn)各自的功能，并通過(guò)信號(hào)線彼此相連，這樣的好處是調(diào)試、修改、移植程序方便。使用資源和生成總的模塊電路圖分別如圖6和圖7所示。

2 硬件電路

硬件部分主要包括中央處理器FPGA 芯片——EP1C3T144C6、輸入小鍵盤(pán)、輸出4位數(shù)碼管、ISD2560語(yǔ)音芯片、LM386音頻放大和揚(yáng)聲器，如圖8所示。FPGA芯片用米直接控制其他元件的工作，對(duì)小鍵盤(pán)的輸入，通過(guò)一定的算法實(shí)現(xiàn)電子密碼鎖的功能。通過(guò)控制ISD2560的控制腳的電平狀態(tài)，達(dá)到控制其發(fā)音從而實(shí)現(xiàn)智能語(yǔ)音提示的效果。3個(gè)發(fā)光二極管分別用于顯示當(dāng)前的狀態(tài)，蜂鳴器用于誤碼報(bào)警。

3 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)中采用了Altera公司的EP1C3T144C6芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以極大地減少其他分立元件或其他芯片的使用，有效地縮小了印制電路板面積，提高了系統(tǒng)的可靠性，大大縮短了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的周期。由于采用VHDL進(jìn)行設(shè)計(jì)，用軟件實(shí)現(xiàn)硬件電路，具有良好的可移植性，可隨時(shí)在線更改邏輯設(shè)計(jì)及有關(guān)參數(shù)，允分體現(xiàn)FPGA的優(yōu)越性，具有一定的實(shí)用性。