基于状态机的语音电子密码锁设计

引言

随着电子技术的发展，具有防盗报警、语音提示等功能的电子密码锁代替密码量少、安全性差的机械式密码锁已是必然趋势。目前大部分密码锁采用单片机进行设计，电路较复杂，性能不够灵活。本文采用先进的EDA(电子设计自动化)技术，利用QuartusⅡ工作平台和VHDL(超高速集成电路硬件描述语言)，设计了一种新型的电子密码锁。该密码锁具有密码预置、修改、语音提示和3次输入错误则系统进入定时锁定并报警等功能，用FPGA(现场可编程门阵列)芯片和语音芯片ISD2560实现。由于充分利用了FPGA芯片密度大、功耗低、可重复编程和具有嵌入式阵列块的结构特点，且ISD2560具有抗断电、音质好、使用方便等优点，因而该密码锁体积小、功耗低、价格低、安全可靠、具有智能语音提示、维护和升级方便。

1 软件设计

软件用VHDL来实现，VHDL相比较于VerilogHDL，具有更好的语法的严格性，但是其严格的语法一定程度上限制了错误的产生，调试较容易。VHDL的系统抽象能力比Verilog HDL强，在系统描述上占有一定的优势，但在门级描述上稍显逊色。

本设计软件模块框图如图1所示，共8个模块。

在本系统中，密码由4位十进制数组成，初始密码为“0000”，可由用户任意设定密码。密码输入正确时，则进入开锁状态。如果密码连续输入3次错误时，则系统进入自我定时锁定，并报警。在输入过程中，系统可以发音提示(也可屏蔽掉)用户输入的数字，或者说明当前的状态。

下面介绍状态机和ISD2560控制电路的实现。

本设计的状态图见图2。

其中state为状态代码，并通过state_out[3..0]端口传给其他电路。一开机，系统处在空闲状态，当按键处理电路传来确定使能的信号compare_en时，状态机等待effect_out脚的高电平脉冲信号，如果等不到则进入S2状态，即进入密码输入一次错误状态，如果等到则进入pass状态即开门状态，如果3次输入密码错误则系统进入死锁倒计时状态，拉高lock_pin脚，启动计数器。

软件流程图见图3。

当计数满时则计数电路拉高unlock脚电平，状态机检测到unlock脚下为高电平时，则表示锁定时间结束，复位lock_pin的电平，在下一个时钟上升沿到来时，进入下一个状态即idle状态。只有pass状态下从按键处理电路传来modify_pin为高电平时，才能进入modify状态，即密码修改状态。当检测到modify_pin脚电平复位为低电平时则表明修改密码完成，状态机在下一个时钟上升沿到来之时，进入下一个状态即idle状态。如果在pass状态时，状态机检测到close_pin脚电平被拉高时，则表明用户要关门，此系统在下一个时钟上升沿到来之时，返同空闲状态。

状态机还控制红绿黄3个发光二极管与buzz-er蜂鸣器，仿真波形如图4所示。当系统处在空闲状态、S2状态、S3状态时黄灯亮(S2、S3为第2次、第3次输入密码错误的状态)；系统处在修改密码的状态即modify状态时，3个灯一起亮；当处于pass状态时，绿灯亮；当系统处于锁定状态即locked状态时，红灯亮，且蜂鸣器发出报警的声音，直至跳出该状态。

本设计采用计数器方法在ce脚上产生一个低电平脉冲以控制ISD2560芯片放录音。当innum收到一个新的数值时，则开始计数；当计数器计到一半时，使ce脚输出低电平；当计数大于最高数的一半时，则复位ce脚电平，直到下次计数开始。当语音数据有多段时，先将要播放的语音段数存到一个变量中，并将各段地址存到另一个多位的变量中，然后开始放音并检测eom脚的电平。当检测到eom脚的低电平脉冲时，就表明放音结束，就让段数变量减1，然后给地址线再赋新值，并且使能计数器，再次使ce脚产生一个低电平脉冲，继续放音。这样直至语音段数变量为0时，则表明语音播放完毕，系统不再响应芯片eom脚的上升沿脉冲。图5为ISD2560控制电路的仿真波形图。

表1为与innum对应的发音。

本设计采用模块化编程，各模块分工明确，各自实现各自的功能，并通过信号线彼此相连，这样的好处是调试、修改、移植程序方便。使用资源和生成总的模块电路图分别如图6和图7所示。

2 硬件电路

硬件部分主要包括中央处理器FPGA 芯片——EP1C3T144C6、输入小键盘、输出4位数码管、ISD2560语音芯片、LM386音频放大和扬声器，如图8所示。FPGA芯片用米直接控制其他元件的工作，对小键盘的输入，通过一定的算法实现电子密码锁的功能。通过控制ISD2560的控制脚的电平状态，达到控制其发音从而实现智能语音提示的效果。3个发光二极管分别用于显示当前的状态，蜂鸣器用于误码报警。

3 结束语

本设计中采用了Altera公司的EP1C3T144C6芯片进行设计，可以极大地减少其他分立元件或其他芯片的使用，有效地缩小了印制电路板面积，提高了系统的可靠性，大大缩短了系统开发的周期。由于采用VHDL进行设计，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，允分体现FPGA的优越性，具有一定的实用性。