馬瑞成，趙小珍，屈 軍

（1.安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，安徽蕪湖 241000；2.長(zhǎng)沙湘計(jì)海盾科技有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410000）

隨著社會(huì)科技水平的逐步提高和對(duì)隱私保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，用戶對(duì)于數(shù)字設(shè)備的安全性能提出了更高的要求。傳統(tǒng)的電子密碼鎖主要利用單片機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，而基于單片機(jī)運(yùn)行的密碼鎖設(shè)計(jì)較簡(jiǎn)單，但容易產(chǎn)生跑飛的現(xiàn)象，生成的解鎖系統(tǒng)不太穩(wěn)定[1-2]，且容易造成密碼的泄露。因此，指紋密碼鎖得以迅速發(fā)展，指紋相較于數(shù)字密碼具有唯一、安全和方便攜帶等優(yōu)點(diǎn)，而實(shí)際應(yīng)用中大多數(shù)指紋識(shí)別是利用DSP（數(shù)字信號(hào)處理）[3]或ARM[4]設(shè)計(jì)完成的嵌入式系統(tǒng)，造成設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)且外部電路復(fù)雜，很難實(shí)現(xiàn)集成化和小型化，導(dǎo)致指紋識(shí)別在小型化數(shù)字設(shè)備應(yīng)用中受到了限制[5]。

FPGA 作為一種片上可編程可半定制的器件，具有功耗低、開發(fā)周期短和集成度高等特點(diǎn)[6]，并廣泛應(yīng)用于通信、顯示和網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域。該文介紹了基于FPGA 為密碼解鎖系統(tǒng)的核心器件，借助自頂向下的設(shè)計(jì)方法，驅(qū)動(dòng)各模塊完成相應(yīng)的功能，最終組合成完整的解鎖系統(tǒng)。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思路

系統(tǒng)的硬件部分主要為Altera 公司生產(chǎn)的Cyclone ⅣE系列的EP4CE10F17C8芯片，大約有10 K的邏輯單元，速度等級(jí)約為400 MHz，系統(tǒng)采用PCB封裝，滿足設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)主要包括按鍵模塊、指紋模塊和解鎖模塊，其中，核心設(shè)計(jì)是按鍵和指紋模塊的同步解鎖，通過矩陣鍵盤和電容傳感器采集密碼，以FPGA 芯片為控制中心，驅(qū)動(dòng)各模塊完成密碼驗(yàn)證，并輸出最終的判斷結(jié)果。

系統(tǒng)的工作流程如圖1 所示，系統(tǒng)上電后實(shí)時(shí)檢測(cè)是否有按鍵輸入，若上電后檢測(cè)到復(fù)位信號(hào)為高電平，則所有信號(hào)清零；若檢測(cè)到修改密碼信號(hào)為高電平，則進(jìn)入密碼修改狀態(tài)；若檢測(cè)到其他按鍵值，則表明進(jìn)入密碼輸入狀態(tài)，密碼輸入完成后與初始密碼進(jìn)行對(duì)比，接著進(jìn)行指紋采集和驗(yàn)證，若電子密碼正確且指紋識(shí)別成功，則綠燈亮，解鎖成功；若電子密碼或指紋識(shí)別中有一個(gè)錯(cuò)誤或兩個(gè)都錯(cuò)，則紅燈亮，蜂鳴器發(fā)出警報(bào)，解鎖失敗。

圖1 系統(tǒng)工作流程圖

1.2 電子密碼部分

數(shù)碼管：數(shù)碼管的實(shí)質(zhì)就是由多個(gè)發(fā)光二極管組合形成的一種元器件。將所有的發(fā)光二極管陽極連接在一起形成公共陽極COM，上電后COM 接+5 V，如果其中一段二極管的陰極為低電平，則該段二極管被點(diǎn)亮。圖2 為3 位數(shù)碼管等效電路圖，其基本原理與8 位數(shù)碼管相同，將每個(gè)位數(shù)碼管的段選并聯(lián)起來，通過位選信號(hào)sel來控制數(shù)碼管。

圖2 3位數(shù)碼管電路圖

矩陣按鍵：按鍵模塊采用4×4 的矩陣鍵盤，共有8條控制線，分別為4條行控制線和4條列控制線，通過8 條控制線來控制16 個(gè)矩陣按鍵,有效地減少了I/O口的占用[7]。工作原理為4 根行控制線被上拉電阻拉到高電平，然后依次給列控制線發(fā)送低電平信號(hào)，若每列的行信號(hào)電平都為高，則表明沒有按鍵按下，若其中一列的行信號(hào)為低電平，則表示有按鍵被按下，然后以讀到的行值通過序列機(jī)代碼判斷當(dāng)前哪一個(gè)按鍵被按下[8]。

無源蜂鳴器：無源蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路如圖3 所示。電路設(shè)計(jì)中電容C36可有效提升電路的抗干擾能力；二極管D5 用于保護(hù)三極管；BEEP 端口接FPGA 的輸出管腳，工作時(shí)向BEEP 端口輸入2～5 kHz的PWM 波，即可驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出響聲。

圖3 無源蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路

1.3 指紋識(shí)別部分

指紋識(shí)別的關(guān)鍵在于傳感器的選型，生活中主要使用的有半導(dǎo)體指紋傳感器和光學(xué)指紋傳感器，在設(shè)計(jì)中考慮到是智能設(shè)備的解鎖系統(tǒng)，而光學(xué)指紋傳感器體積較大，在小型數(shù)字設(shè)備中的應(yīng)用受到了一定的限制，而半導(dǎo)體指紋傳感器體積小，識(shí)別靈敏度更高，因此，采用半導(dǎo)體指紋傳感器MBF200[9]。半導(dǎo)體指紋傳感器的工作原理是利用指紋紋路的凹凸不平，當(dāng)手指與半導(dǎo)體器件接觸時(shí)，會(huì)形成數(shù)值不同的電容和電感，因此對(duì)采集到不同的電容、電感數(shù)值進(jìn)行匯總就類似于對(duì)指紋進(jìn)行采集。

FPGA 與MBF200 的SPI 連接圖如圖4 所示，該方案的指紋部分設(shè)計(jì)中，在FPGA（主機(jī)）上選取4 個(gè)通用GPIO 口，分別與指紋傳感器（從機(jī)）的使能端口（/SCS）、時(shí)鐘端口(SCK)、主出從進(jìn)端口(MOSI)和主進(jìn)從出端口(MISO)采用SPI（串行外設(shè)接口）協(xié)議進(jìn)行連接通信[10]。

圖4 FPGA與MBF200的SPI連接圖

2 FPGA代碼設(shè)計(jì)

系統(tǒng)使用Verilog HDL 語言對(duì)各模塊進(jìn)行編譯，采用Quartus II 和Modelsim 軟件對(duì)各模塊進(jìn)行編譯和仿真[11]，在Quartus II 軟件上生成系統(tǒng)的RTL 圖，最終利用Quartus II 將程序燒錄至開發(fā)板上進(jìn)行板級(jí)驗(yàn)證。

2.1 電子密碼部分

2.1.1 數(shù)碼管顯示模塊設(shè)計(jì)

該模塊的輸入信號(hào)有時(shí)鐘信號(hào)Clk、復(fù)位信號(hào)Rst_n、數(shù)碼管使能信號(hào)En 和8 個(gè)數(shù)碼管待顯示信號(hào)disp_data[31:0]；輸出信號(hào)有位選信號(hào)sel[7:0]和段選信號(hào)seg[6:0]。

數(shù)碼管顯示模塊的主要功能是實(shí)時(shí)顯示按鍵輸入的電子密碼；模塊時(shí)鐘將50 MHz 分頻得到1 kHz的掃描時(shí)鐘，需要計(jì)數(shù)器循環(huán)計(jì)數(shù)25 000 次，位寬為15 位；然后編寫8 位循環(huán)移位寄存器，利用循環(huán)移位寄存器來實(shí)現(xiàn)0000_0001b→1000_0000b 的變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管的位選；利用八選一多路器，選擇端為當(dāng)前掃描到的數(shù)碼管也就是循環(huán)移位寄存器的輸出端，利用多路器將待顯示數(shù)據(jù)輸送到對(duì)應(yīng)的數(shù)碼管上；使能信號(hào)可利用一個(gè)二選一多路器便可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)碼管位選的控制；最終利用4 輸入查找表實(shí)現(xiàn)7 位輸出顯示譯碼。數(shù)碼管顯示模塊的原理圖如圖5 所示。

圖5 數(shù)碼管顯示模塊原理圖

2.1.2 矩陣按鍵模塊設(shè)計(jì)

模塊的輸入信號(hào)Clk、Rst_n 和Key_Board_Row_i[3:0]分別表示時(shí)鐘、復(fù)位和矩陣按鍵行輸入信號(hào),輸出信號(hào)Key_flag、Key_value[3:0]和Key_Board_Col_o[3:0]分別表示按鍵按下標(biāo)志信號(hào)、按鍵值和矩陣按鍵輸出列信號(hào)。

矩陣按鍵模塊的主要功能是檢測(cè)按鍵的輸入和判斷按鍵的鍵值。代碼設(shè)計(jì)中采用狀態(tài)機(jī)來實(shí)時(shí)檢測(cè)矩陣按鍵信號(hào)的變化，若狀態(tài)機(jī)成功檢測(cè)到有按鍵輸入，則Key_Flag 信號(hào)輸出一個(gè)時(shí)鐘周期的高脈沖，此時(shí)判斷Key_Value_tmp[7:0]的信號(hào)值，將按鍵值賦給輸出信號(hào)Key_Value[3:0]。矩陣按鍵模塊仿真圖如圖6 所示。

圖6 矩陣按鍵模塊仿真圖

2.1.3 按鍵消抖模塊設(shè)計(jì)

按鍵消抖模塊的主要功能是防止物理按鍵按下時(shí)產(chǎn)生的抖動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)測(cè)量產(chǎn)生影響；模塊中輸入信號(hào)有時(shí)鐘Clk、復(fù)位Rst_n、按鍵輸入信號(hào)Key_in；輸出信號(hào)有按鍵狀態(tài)切換的標(biāo)志信號(hào)Key_flag 和按鍵狀態(tài)標(biāo)志信號(hào)Key_state。

在基于FPGA 的設(shè)計(jì)過程中，按鍵消抖在代碼中通常采用狀態(tài)機(jī)進(jìn)行解決，如圖7 所示，整個(gè)狀態(tài)機(jī)共有四個(gè)狀態(tài)：空閑、按下消抖、按下穩(wěn)定和松手消抖。四個(gè)狀態(tài)采用獨(dú)熱碼分別定義為4＇b0001、4＇b0010、4＇b0100 和4＇b1000。代碼設(shè)計(jì)時(shí)由于按鍵信號(hào)為外部輸入信號(hào)（異步信號(hào)），存在著不確定性，直接運(yùn)行可能會(huì)產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象，所以一般進(jìn)行異步信號(hào)同步處理。

圖7 按鍵消抖狀態(tài)機(jī)圖

2.1.4 密碼對(duì)比模塊設(shè)計(jì)

密碼對(duì)比模塊的主要功能是檢測(cè)輸入的密碼是否正確，模塊輸入信號(hào)有時(shí)鐘Clk、復(fù)位Rst_n、矩陣按鍵標(biāo)志信號(hào)Key_flag、矩陣按鍵按鍵值Key_value[3:0]和開始比較信號(hào)start_bj；輸出信號(hào)有密碼錯(cuò)誤信號(hào)error、密碼正確信號(hào)right 和按鍵輸入的最終密碼mima_r[15:0]。

先定義一個(gè)4 位初始密碼1234 賦給信號(hào)INITIAL_KEY，再生成一個(gè)計(jì)數(shù)器Key_cnt[1:0]，當(dāng)Key_flag 為1 時(shí)，計(jì)數(shù)器從0 至3 循環(huán)計(jì)數(shù)，每計(jì)數(shù)一位將Key_value[3:0]的鍵值依次賦給mima_r[15:12]、mima_r [11:8]、mima_r [7:4]和mima_r [3:0],最終組成的mima_r[15:0]即為輸入的4 位按鍵信號(hào)，當(dāng)start_bj為1 時(shí)，將mima_r 與INITIAL_KEY 信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，若相同則表明密碼正確，輸出信號(hào)；若不同則表明密碼錯(cuò)誤，輸出信號(hào)；密碼對(duì)比模塊仿真圖如圖8 所示。

圖8 密碼對(duì)比模塊仿真圖

2.2 指紋識(shí)別部分

指紋識(shí)別部分主要由指紋采集、指紋處理和指紋對(duì)比組成，上電后指紋傳感器便進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，將提取的指紋進(jìn)行預(yù)處理，可得到清晰的指紋圖像特征，因?yàn)镕lash 存儲(chǔ)器在掉電的情況下數(shù)據(jù)不會(huì)丟失，故將處理后的圖像數(shù)據(jù)存入Flash 中形成數(shù)據(jù)庫用作對(duì)比模型，指紋傳感器檢測(cè)到有指紋輸入后，經(jīng)過同樣的步驟提取出較為清晰的指紋數(shù)據(jù)存入SRAM 中，等待驗(yàn)證信號(hào)進(jìn)行指紋對(duì)比。

2.2.1 指紋采集

指紋采集直接決定了指紋對(duì)比的成功率。該文采用了MBF200 電容指紋傳感器進(jìn)行指紋的采集。該芯片的識(shí)別區(qū)域?yàn)?.28 cm×1.50 cm，分辨率達(dá)到500 dpi，在該區(qū)域內(nèi)含有高達(dá)上萬的半導(dǎo)體器件，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)到指紋的錄入并進(jìn)行提取。

圖9 所示為指紋采集流程圖,指紋傳感器采用逐行掃描采集，逐點(diǎn)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的方式，當(dāng)指紋圖像的一行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成后，傳感器將自動(dòng)進(jìn)行下一行的掃描和采集，直至將整幅圖像采集完成，最后通過SPI接口將數(shù)據(jù)傳輸至FPGA 中。

圖9 指紋采集流程圖

2.2.2 指紋處理

圖像的產(chǎn)生和傳輸過程中，噪聲的影響使得圖像質(zhì)量下降，難以提取出圖像本身的特征。因此，在設(shè)計(jì)中可以通過濾波處理提高圖像的質(zhì)量，確保最終的識(shí)別不會(huì)產(chǎn)生太大的誤差[12]。

因?yàn)樵肼暤拇嬖跁?huì)在指紋圖像上生成一些干擾判斷的雜質(zhì)，影響了原本能夠反映圖像特征的點(diǎn)，而圖像平滑處理可以削減、抑制或消除這類噪聲，從而改善圖像質(zhì)量，中值濾波法可以使采集到的指紋圖像在消除噪聲的同時(shí)保證圖像原有的特性，中值濾波法公式如式（1）所示：

圖像銳化可以使模糊的圖像變得更加清晰，因?yàn)榻?jīng)過中值濾波處理使圖像細(xì)節(jié)變得模糊，可通過Sobel 邊緣檢測(cè)算法進(jìn)行圖像銳化來突出指紋的輪廓和細(xì)節(jié)，增強(qiáng)指紋圖像的對(duì)比度。Sobel 邊緣檢測(cè)算法一般帶有方向性，Sobel 卷積因子如表1所示。

表1 Sobel卷積因子

二值化原理即圖像的分割，通過選取恰當(dāng)?shù)拈撝?，以閾值為中心點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，定義圖像上大于閾值的點(diǎn)為1，小于閾值的點(diǎn)為0，最終形成的圖像只有黑和白兩種顏色。通過銳化處理的指紋圖像各處的灰度值都是不同的，若采用同一閾值進(jìn)行處理，最終會(huì)丟失一部分有用信息；因此，該文采用分割的方法，將指紋圖像分成若干份，對(duì)每一份分別進(jìn)行閾值選取和二值化處理，避免丟失有用信息。

細(xì)化就是將圖像中的紋線轉(zhuǎn)換成單位像素寬度的紋線的過程，方便對(duì)指紋特征進(jìn)行識(shí)別和提取[13]，該文采取查表法進(jìn)行指紋圖像的細(xì)化，能夠保存圖像原有的紋線特征。

2.2.3 指紋對(duì)比

預(yù)處理過后的指紋圖像特征點(diǎn)十分明顯，可以采用Poincare Index 算法提取原始指紋的核心部分和細(xì)節(jié)部分，將最終生成的指紋數(shù)據(jù)存放于Flash中作為初始密碼，便于與之后的指紋輸入作對(duì)比[14]；SRAM 存儲(chǔ)器則用于存儲(chǔ)臨時(shí)輸入，用于解鎖的指紋數(shù)據(jù)，最終指紋圖像特征點(diǎn)的對(duì)比程序和算法的實(shí)現(xiàn)需要運(yùn)用C 語言在Matlab 軟件上進(jìn)行編寫和處理，最終將生成的SOF 文件輸送至FPGA 中，完成指定的功能。

2.3 解鎖模塊設(shè)計(jì)

分別將電子密碼部分和指紋識(shí)別部分的判斷信號(hào)送至解鎖模塊中，電子密碼部分輸出right 和error信號(hào)，指紋識(shí)別部分輸出zw_right 和zw_error 信號(hào)，通過四個(gè)信號(hào)的值判斷是否解鎖成功。解鎖模塊仿真圖如圖10 所示。

圖10 解鎖模塊仿真圖

3 測(cè)試結(jié)果

表2 為數(shù)字密碼正確時(shí)，錄入相同指紋和不同指紋后分別測(cè)試200 次得出的結(jié)果。從表2 數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，同指紋同數(shù)字密碼的平均識(shí)別正確率約為98.7%，平均錯(cuò)誤率約為1.3%；不同指紋同數(shù)字密碼平均識(shí)別正確率約為99.7%，平均錯(cuò)識(shí)率約為0.3%；根據(jù)數(shù)據(jù)表明設(shè)計(jì)的解鎖系統(tǒng)基本符合需求。

表2 測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

在整個(gè)系統(tǒng)中，采用了自頂向下的分析算法將其分解成若干個(gè)小模塊，每個(gè)模塊完成自己對(duì)應(yīng)的功能，再通過頂層模塊例化實(shí)現(xiàn)各個(gè)子功能模塊之間的信號(hào)傳輸并合成一個(gè)完整的系統(tǒng)。在代碼設(shè)計(jì)中主要運(yùn)用了FPGA 的SOPC（可編程片上系統(tǒng)）設(shè)計(jì)進(jìn)行電子密碼模塊和指紋識(shí)別模塊的編寫，最終通過FPGA 芯片驅(qū)動(dòng)各功能模塊。在電子密碼鎖的數(shù)碼管顯示模塊中，采用了74HC595 串行移位寄存器節(jié)省FPGA 的I/O 管腳的使用；在指紋識(shí)別模塊由于指紋圖像對(duì)比需要耗費(fèi)大量的硬件資源，所以采用Matlab 軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，并將生成的文件下載到FPGA中的處理器軟核，通過處理器進(jìn)行調(diào)用；整個(gè)設(shè)計(jì)利用FPGA 片上可編程功能，如果設(shè)計(jì)要求發(fā)生改變，只需修改代碼和I/O 接口，并將最終修改的結(jié)果燒錄至FPGA 中，無需更改硬件電路，降低了開發(fā)成本[15]。

該文根據(jù)用戶需求為依據(jù)，針對(duì)目前數(shù)字設(shè)備的安全性問題，提出了將電子密碼和指紋識(shí)別相結(jié)合的一種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，基于FPGA 自頂向下的設(shè)計(jì)方法和片上可編程技術(shù)，將兩種解鎖模塊整合至完整的系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)密碼和指紋驗(yàn)證功能，最終在FPGA上實(shí)現(xiàn)具有解鎖、密碼修改和警報(bào)等功能的密碼鎖。

結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)的密碼鎖，整個(gè)解鎖系統(tǒng)增加了解鎖的基本要求，指紋和數(shù)字密碼必須同步驗(yàn)證，降低了密碼泄露的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)一步增強(qiáng)了數(shù)字設(shè)備的安全和穩(wěn)定，具有一定的研究?jī)r(jià)值，為以后設(shè)計(jì)安全系數(shù)更高的密碼鎖提供了新的思考方向。