基于FPGA數(shù)字PWM調(diào)制的智能安全鎖設(shè)計(jì)

陳 皓，佟 浩，靳光浩，鐘 菲

（長(zhǎng)春工程學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012）

1 技術(shù)原理

1.1 PWM調(diào)制

脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）是通過(guò)鋸齒波/三角波（載波）與所需要合成的波形（調(diào)制波）進(jìn)行比較，然后確定PWM所需要輸出的信號(hào)，如圖1所示。PWM的輸出波形是一系列大小相等的脈沖，具有操作簡(jiǎn)單、靈活性好以及反應(yīng)速度快等特點(diǎn)[1-4]。

圖1 PWM調(diào)制過(guò)程

1.2 FPGA

現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）在可編程陣列邏輯（Programmable Array Logic，PAL）和通用陣列邏輯（Generic Array Logic，GAL）等可編程器件的基礎(chǔ)上得到進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。FPGA作為專用集成電路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）領(lǐng)域的重要元件，克服了定制電路和原始可編程器件門數(shù)有限的缺點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于通信行業(yè)。與傳統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)模式相比，F(xiàn)PGA可以借助特定的芯片模型對(duì)許多領(lǐng)域的產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化。從芯片器件的角度來(lái)看，F(xiàn)PGA本身構(gòu)成了半定制電路中的典型集成電路，包括數(shù)字管理塊、嵌入式單元、輸出單元以及輸入單元[5-7]。

1.3 可見(jiàn)光通信

可見(jiàn)光通信可以提供大量潛在的可用帶寬，在普通發(fā)光二極管（Light-Emitting Diode，LED）燈泡上安裝微芯片可以控制其每秒閃爍數(shù)百萬(wàn)次。當(dāng)閃爍頻率極快時(shí)，人眼無(wú)法察覺(jué)到LED燈泡的亮滅變化，而光敏傳感器可以直接接收到這些變化。二進(jìn)制數(shù)據(jù)被快速編碼為光信號(hào)，1代表亮、0代表滅，計(jì)算機(jī)通過(guò)特殊的接收裝置接收到在光信道中傳輸?shù)男盘?hào)。由此可見(jiàn)，光通信的安全性較高，有效規(guī)避了傳輸信息被惡意攔截讀取[8]。

2 智能安全鎖設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于FPGA數(shù)字PWM調(diào)制的智能安全鎖系統(tǒng)總體由發(fā)射端和接收端組成，如圖2所示。其中，發(fā)射端由密碼設(shè)置模塊、密碼加密模塊、調(diào)制模塊以及可見(jiàn)光發(fā)射電路組成，接收端由可見(jiàn)光接收電路、解調(diào)模塊、密碼解密模塊以及對(duì)比驗(yàn)證模塊等組成。

圖2 系統(tǒng)組成

在發(fā)射端，首先對(duì)用戶密碼進(jìn)行編碼加密，其次將加密后的信號(hào)調(diào)制成易于傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)，最后通過(guò)光通信電路以光信號(hào)的形式傳輸調(diào)制信號(hào)。在接收端，首先由光通信電路接收到光信號(hào)后并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，其次對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)并恢復(fù)為原始信號(hào)，最后將還原出的信號(hào)與用戶設(shè)置的密碼進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，驗(yàn)證成功則完成開(kāi)鎖，驗(yàn)證不成功則保持上鎖狀態(tài)不變[9-11]。

2.2 發(fā)射端設(shè)計(jì)

首先通過(guò)密碼設(shè)置模塊來(lái)設(shè)置用戶密碼，將設(shè)置的密碼經(jīng)過(guò)密碼加密模塊進(jìn)行加密，其次經(jīng)過(guò)調(diào)制模塊進(jìn)行調(diào)制，最后將已調(diào)信號(hào)通過(guò)可見(jiàn)光發(fā)射電路以光信號(hào)的形式發(fā)送出去。其中，加密模塊采用曼徹斯特碼編碼的方式進(jìn)行加密，如圖3所示。

圖3 曼切斯特編碼

曼徹斯特碼采用電平的跳變來(lái)表示要傳輸?shù)亩M(jìn)制信息，而不是簡(jiǎn)單的高低電平。在一個(gè)時(shí)鐘周期里，原本的高電平（1）在曼徹斯特碼中用高電平到低電平的跳變來(lái)表示（1到0）；低電平（0）在曼徹斯特碼中用低電平到高電平的跳變來(lái)表示（0到1）。

編碼后的信號(hào)進(jìn)入到調(diào)制模塊，調(diào)制模塊中由FPGA生成鋸齒波作為載波，如圖4所示。

圖4 FPGA生成鋸齒波

設(shè)置一個(gè)8位的寄存器，每個(gè)時(shí)鐘周期加1，每滿255自動(dòng)變?yōu)?，這樣就可以得到輸出頻率為時(shí)鐘頻率1/256的鋸齒波。其中，時(shí)鐘頻率為1 MHz，1個(gè)時(shí)鐘周期為1 000 ns，則通過(guò)寄存器累加得到的鋸齒波的時(shí)間周期為256 000 ns。將編碼后的信號(hào)8位組成一組，與生成的鋸齒波進(jìn)行對(duì)比，從而得出輸出信號(hào)，如圖5所示。

圖5 信號(hào)對(duì)比

采用以上方式，用戶可以自由選擇密碼的類型，可以是語(yǔ)音密碼，也可以是數(shù)字密碼，將用戶設(shè)定的密碼通過(guò)編碼和調(diào)制處理實(shí)現(xiàn)雙重加密。

2.3 接收端設(shè)計(jì)

在接收端，由可見(jiàn)光接收電路將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再將信號(hào)送入到解調(diào)模塊。在解調(diào)模塊中，先對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，濾除傳輸過(guò)程中受到的環(huán)境光干擾，然后對(duì)濾波后的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。信號(hào)解調(diào)后進(jìn)入到解密模塊進(jìn)行解密，將解密后的信號(hào)與密碼進(jìn)行比對(duì)，如果認(rèn)證成功則完成開(kāi)鎖，如果認(rèn)證失敗則一直保持上鎖狀態(tài)。

選擇級(jí)聯(lián)積分梳狀（Cascaded Integrator Comb，CIC）濾波器，該濾波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒(méi)有乘法器，只有加法器、積分器以及寄存器。CIC濾波器的沖激響應(yīng)為

式中：M為濾波器的長(zhǎng)度。CIC濾波器是一種具有線性相位的特殊有限長(zhǎng)單位沖激響應(yīng)（Finite Impulse Response，F(xiàn)IR）濾波器，其系統(tǒng)函數(shù)為

對(duì)于多級(jí)系統(tǒng)而言，可以在處理信號(hào)的流程中重新排列處理順序，使系統(tǒng)能夠以更便捷的方式實(shí)現(xiàn)。如果線性系統(tǒng)后面緊跟著倍抽取器，則存在的關(guān)系式為

式（3）表明調(diào)換線性系統(tǒng)的抽取系統(tǒng)的處理順序，即先進(jìn)行抽取，然后進(jìn)行線性濾波，這樣就可以將線性濾波器的長(zhǎng)度降低M倍。根據(jù)式（3）得出占用資源最少的CIC濾波器結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

圖6 CIC濾波器結(jié)構(gòu)

2.4 實(shí)物成果

基于FPGA數(shù)字PWM調(diào)制的智能安全鎖實(shí)物外觀如圖7所示。

圖7 實(shí)物外觀

將光鑰匙對(duì)準(zhǔn)光接收端進(jìn)行密碼認(rèn)證，認(rèn)證成功后順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)開(kāi)關(guān)即可完成開(kāi)鎖，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)開(kāi)關(guān)將實(shí)現(xiàn)上鎖。在實(shí)際測(cè)試中，拿出光鑰匙一照就能開(kāi)鎖，是不同于傳統(tǒng)智能鎖的全新開(kāi)鎖方式。光的傳輸速度快、保真性高，為產(chǎn)品穩(wěn)定運(yùn)行打下良好基礎(chǔ)。依托數(shù)字信號(hào)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，該智能門鎖可以實(shí)現(xiàn)零延遲的解鎖速度和高級(jí)別的安全保密性能。

3 結(jié) 論

基于FPGA數(shù)字PWM調(diào)制的智能安全鎖得益于編碼調(diào)制等數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用，可以使用戶根據(jù)其自身需要設(shè)定密碼，將多樣化密碼調(diào)制成便于在光信道中傳輸?shù)男盘?hào)，為用戶提供更多的選擇。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)用戶密碼的多重加密，確保用戶密碼的安全性和唯一性。可見(jiàn)光的物理性質(zhì)特殊，沒(méi)有被截獲和被復(fù)制的風(fēng)險(xiǎn)，信息安全更有保障。