基于FPGA数字PWM调制的智能安全锁设计

陈 皓，佟 浩，靳光浩，钟 菲

（长春工程学院 电气与信息工程学院，吉林 长春 130012）

1 技术原理

1.1 PWM调制

脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）是通过锯齿波/三角波（载波）与所需要合成的波形（调制波）进行比较，然后确定PWM所需要输出的信号，如图1所示。PWM的输出波形是一系列大小相等的脉冲，具有操作简单、灵活性好以及反应速度快等特点[1-4]。

图1 PWM调制过程

1.2 FPGA

现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）在可编程阵列逻辑（Programmable Array Logic，PAL）和通用阵列逻辑（Generic Array Logic，GAL）等可编程器件的基础上得到进一步开发。FPGA作为专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）领域的重要元件，克服了定制电路和原始可编程器件门数有限的缺点，广泛应用于通信行业。与传统芯片设计模式相比，FPGA可以借助特定的芯片模型对许多领域的产品进行优化。从芯片器件的角度来看，FPGA本身构成了半定制电路中的典型集成电路，包括数字管理块、嵌入式单元、输出单元以及输入单元[5-7]。

1.3 可见光通信

可见光通信可以提供大量潜在的可用带宽，在普通发光二极管（Light-Emitting Diode，LED）灯泡上安装微芯片可以控制其每秒闪烁数百万次。当闪烁频率极快时，人眼无法察觉到LED灯泡的亮灭变化，而光敏传感器可以直接接收到这些变化。二进制数据被快速编码为光信号，1代表亮、0代表灭，计算机通过特殊的接收装置接收到在光信道中传输的信号。由此可见，光通信的安全性较高，有效规避了传输信息被恶意拦截读取[8]。

2 智能安全锁设计

2.1 系统总体设计

基于FPGA数字PWM调制的智能安全锁系统总体由发射端和接收端组成，如图2所示。其中，发射端由密码设置模块、密码加密模块、调制模块以及可见光发射电路组成，接收端由可见光接收电路、解调模块、密码解密模块以及对比验证模块等组成。

图2 系统组成

在发射端，首先对用户密码进行编码加密，其次将加密后的信号调制成易于传输的数字信号，最后通过光通信电路以光信号的形式传输调制信号。在接收端，首先由光通信电路接收到光信号后并将其转换成电信号，其次对接收到的信号进行解调并恢复为原始信号，最后将还原出的信号与用户设置的密码进行对比验证，验证成功则完成开锁，验证不成功则保持上锁状态不变[9-11]。

2.2 发射端设计

首先通过密码设置模块来设置用户密码，将设置的密码经过密码加密模块进行加密，其次经过调制模块进行调制，最后将已调信号通过可见光发射电路以光信号的形式发送出去。其中，加密模块采用曼彻斯特码编码的方式进行加密，如图3所示。

图3 曼切斯特编码

曼彻斯特码采用电平的跳变来表示要传输的二进制信息，而不是简单的高低电平。在一个时钟周期里，原本的高电平（1）在曼彻斯特码中用高电平到低电平的跳变来表示（1到0）；低电平（0）在曼彻斯特码中用低电平到高电平的跳变来表示（0到1）。

编码后的信号进入到调制模块，调制模块中由FPGA生成锯齿波作为载波，如图4所示。

图4 FPGA生成锯齿波

设置一个8位的寄存器，每个时钟周期加1，每满255自动变为0，这样就可以得到输出频率为时钟频率1/256的锯齿波。其中，时钟频率为1 MHz，1个时钟周期为1 000 ns，则通过寄存器累加得到的锯齿波的时间周期为256 000 ns。将编码后的信号8位组成一组，与生成的锯齿波进行对比，从而得出输出信号，如图5所示。

图5 信号对比

采用以上方式，用户可以自由选择密码的类型，可以是语音密码，也可以是数字密码，将用户设定的密码通过编码和调制处理实现双重加密。

2.3 接收端设计

在接收端，由可见光接收电路将接收到的光信号转换为电信号，再将信号送入到解调模块。在解调模块中，先对信号进行滤波，滤除传输过程中受到的环境光干扰，然后对滤波后的信号进行解调。信号解调后进入到解密模块进行解密，将解密后的信号与密码进行比对，如果认证成功则完成开锁，如果认证失败则一直保持上锁状态。

选择级联积分梳状（Cascaded Integrator Comb，CIC）滤波器，该滤波器结构简单，没有乘法器，只有加法器、积分器以及寄存器。CIC滤波器的冲激响应为

式中：M为滤波器的长度。CIC滤波器是一种具有线性相位的特殊有限长单位冲激响应（Finite Impulse Response，FIR）滤波器，其系统函数为

对于多级系统而言，可以在处理信号的流程中重新排列处理顺序，使系统能够以更便捷的方式实现。如果线性系统后面紧跟着倍抽取器，则存在的关系式为

式（3）表明调换线性系统的抽取系统的处理顺序，即先进行抽取，然后进行线性滤波，这样就可以将线性滤波器的长度降低M倍。根据式（3）得出占用资源最少的CIC滤波器结构，如图6所示。

图6 CIC滤波器结构

2.4 实物成果

基于FPGA数字PWM调制的智能安全锁实物外观如图7所示。

图7 实物外观

将光钥匙对准光接收端进行密码认证，认证成功后顺时针转动开关即可完成开锁，逆时针转动开关将实现上锁。在实际测试中，拿出光钥匙一照就能开锁，是不同于传统智能锁的全新开锁方式。光的传输速度快、保真性高，为产品稳定运行打下良好基础。依托数字信号技术的优势，该智能门锁可以实现零延迟的解锁速度和高级别的安全保密性能。

3 结 论

基于FPGA数字PWM调制的智能安全锁得益于编码调制等数字技术的应用，可以使用户根据其自身需要设定密码，将多样化密码调制成便于在光信道中传输的信号，为用户提供更多的选择。同时，实现用户密码的多重加密，确保用户密码的安全性和唯一性。可见光的物理性质特殊，没有被截获和被复制的风险，信息安全更有保障。