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1、基于多种通讯方式的密码锁系统摘要：伴随着短距离无线通信技术和嵌入式系统技术的发展,无线电子密码锁成为人们保护私有财产的新宠。越来越多的车辆防盗系统、安防门禁等系统采用安全便捷的无线遥控电子密码锁。基于无线通信技术和嵌入式系统技术,本课题设计并实现了一款安全性能良好的无线密码锁。关键词：嵌入式技术,短距离无线通信,射频芯片,单片机,跳码目录一、电子锁的概述31.1电子锁的结构和分类31.2电子锁的发展现状和前景41.3设计与方案5二、总体方案设计52.1嵌入式系统简介52.2基于单片机的嵌入式系统设计概要8三、无线密码锁的总体方案设计93.1主动式开锁系统和被动式开锁系统93.2无线密码锁的功能
2、设计103.3无线密码锁设计要点研究10四、系统硬件电路设计104.1线密码锁系统硬件总体框图104.2发送端钥匙硬件电路设计11五、系统软件设计125.1钥匙的工作流程125.2钥匙管理程序125.3系统主要功能的实现12六、总结与展望13引言锁是古老而又现代的社会性用品。随着科技、经济和社会的发展,当今社会的安全防范系统对锁具的保密性、可靠性、便用性以及一可扩展性提出了史高的要求。因应这些需求,伴随着现代电子技术的突飞猛进,人们需要突破传统机械锁具的机械、弹子结构,创造出更安全、易用并能够与整个安全防范系统无缝对接的电子锁产品。实际上，电子密码锁和普通的机械密码锁存在着本质上的区别，它具有
3、较强的安全性和可靠性。一、电子锁的概述1.1电子锁的结构和分类所谓电子锁,即以电子线路作为中枢控制机构,以电磁铁或微型电机驱动的锁体作为执行机构的机电一体化安全装置。电子锁系统由电路控制部分和机械执行机构两部分构成。下而简要介绍各部分功能：输入输入的方式根据电子锁的具体结构有所不同,有和锁体结合在一起的小键盘,也有锁和钥匙分离的电子钥匙如磁卡,遥控钥匙等。解码器，为保证数据的保密性,输入的数据常常为加密后的密文,因此常需要对输入进行解码。显示和报警，用于显示鉴权结果、执行情沉和报警,是电子锁的功能、展。固态存储单元固态存储单元是非挥发性的存储器等,它存储着系统重要的参数,多为鉴权所需重要信息,
4、如密码,用户信息等。驱动电路驱动电路是控制电路与执行机构的接口电路。因为执行机构多由电磁铁或马达作为动力源,所以控制电路要提供合适的信号控制电磁铁或马达，鉴权鉴权模块根据鉴权算法判断输入是否合法,并做出一系列的动作,如显示、报警、驱动执行机构。电源电源模块对电路控制部分和机械执行机构均不可或缺,理想的电源是电子锁持续正常工作的基础。相对于电子锁的执行机构,电子锁的控制电路具有极大的灵活性,这也是电子锁种类繁多,花样翻新的重要原因。电子锁的分类方法很多,这里根据其输入方式的异同,将其分为：（1）数字键盘式电子锁,传统的电子锁多采用这种方式,用户通过数字键盘输入开锁信息。（2）卡片钥匙式电子锁,其
5、特点是使用卡片作为钥匙,钥匙是控制电路的组成部分。作为钥匙的卡片,就其性质而言具有多样性,如磁卡,穿孔卡等。1.2电子锁的发展现状和前景最早人们采用分立元件电容、电阻、齐种有源器件、二几簧管、继电器等后来采用小规模集成电路与门、或门、非门、触发器等而后采川中等规模集成电路计数器、移位寄存器、比较器、数据选择器、电路等再后来大规模集成电路出现了,人们开始使用编译码器、等近二片年来,随着超大规模集成电路的应用,尤其是以一为代表的单片机的出现,使电子锁的功能趋于复杂化最近,集成电路技术的迅猛发展,催生了各种应用于某个专业领域的专用集成电路。八,同时出现了“片上系统”芯片,电子锁领域的芯片主要有公司的
6、系列,公司的系列等。总起来看,电子锁的发展现状和前景呈现为：（1）采用拥有丰富功能的控制器和专用集成电路,作为控制电路的核心单元。一方面简化了硬件设计,另一方面为通过软件扩展锁的功能提供了基础。（2）现代电子锁有时要与整个门禁系统和安防系统无缝结合。目前,智能家居技术方兴未艾,电子锁常常和整个系统内其它部分联动,用户可以查询门锁的状态,也可以远端向门锁发送控制命令。（3）各种模式识别技术越来越成熟,且广泛地应用于电子锁领域,以后的电子锁会越来越智能、安全和便捷。1.3设计与方案本课题主要研究无线通信技术与电子密码锁技术的结合,即设计并实现无线遥控电子密码锁。无线电子锁系统包括易携带的小巧的电子
7、钥匙,可放置于汽车、摩托车或电动车等设备内的锁体,以及钥匙和锁之间安全的无线传输技术。本课题要完成的主要工作是：（1）研究嵌入式设计的一般原则和短距离无线通信技术的关键知识。（2）研究无线密码锁系统的总体方案设计。这包括主动式开锁系统和被动式开锁系统的选择,系统的功能设计,系统的设讨一要点研究。（3）设计系统硬件电路,并搭建试验电路板。系统硬件由独立的钥匙电路和锁体电路组成。主要完成单片机和的外围电路设计,射频发射芯片和接收芯片的外围电路设,以及单片机和射频收发芯片的接口电路设计。（4） 系统软件设计与实现。使用开发单片机程序,这包括通信协议,跳码编解码算法,单片机和射频收发芯片的接口程序,按
8、键检测程序,单片机电源管理程序,钥匙管理程序等。（5） 调试软硬件系统。使用搭建的试验开发板,进行软硬件调试,以进一步完善和丰富系统功能。本设计的主要创新之处在于：（1）用软件实现跳码算法。跳码算法是公司基于专用集成电路开发的算法,它由硬件实现,需付较高的专利使用费。本课题利用软件实现该跳码算法,一方面避开了高昂的专利使用费,有利于形成具有自主知识产权的产品另一方面也使该算法易于无缝集成到各种安防、门禁系统中。（2）优化跳码算法。基于编译器,采用和汇编混合编程等优化手段来优化跳码算法,大大降低了算法的存储空间和运行时间。制定并实现安全的通信协议。通信协议巧妙地将跳码算法集成到系统中,保证了钥匙
9、和锁之间的通信内容每次都不同,而且少乎不可预测。这样的通信儿乎可以阻断除物理破坏之外的所有攻击方式。（3）系统容量大。每套无线密码锁系统共用一个位的加解密密钥,拥有一把锁和最多把钥匙。因此,整个设计允许套无线密码锁系统。这样的容量完全可以满足潜在市场的需要。二、总体方案设计早期的电路设计多采用分立元件搭建电路。随着集成电路技术的迅猛发展，电路设计采用了各种高集成度的芯片,电路板越来越精简,功能却越来越丰富。目前,各种电子产品都竞相采用嵌入式系统技术,本课题也拟基于嵌入式技术设计无线密码锁系统。2.1嵌入式系统简介近年来,随着计算机技术的迅速发展,以及计算机技术和产品对其它行业的广泛渗透,使得以
10、应用为中心的分类方法变得更为切合实际。具体的说,就是按计算机的嵌入式应用和非嵌入式应用将其分为嵌入式计算机系统和通用计算机系统。嵌入式系统是伴随着超大规模集成电路的高速发展而出现的。在当前数字信息技术和网络技术高速发展的后一时代,嵌入式系统己经广泛地渗透到科学研究、工程设计以及人们的日常生活等方方面面中。嵌入式系统的应用数量已经远远超过通用台式计算机系统。制造工业、过程控制、通讯、仪器仪表、汽车、船舶、航空航天、军事装备、消费类电子产品等均是嵌入式系统的应用领域。2.1.1嵌入式系统的定义所谓嵌入式系统,目前流行两个定义。际电气和电子工程协会的定义是“控制、监视或者辅助设备、机器和乍间的装置”
11、。目前获得广泛认同的定义从技术的角度来讲,是以应用为中心,以计算机技术为基础,软件硬件可裁剪,适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积及功耗严格要求的专用计算机系统。从系统的角度来讲,是指设计完成复杂功能的硬件和软件,并使其紧密祸合在一起的计算机系统。2.1.2嵌入式系统的一般组成（1）嵌入式系统的硬件嵌入式硬件包括嵌入式处理器、存储器、输入输出设备、电源、时钟源等。嵌入式处理器是系统的硬件核心。近年来,随着超大规模集成电路设计和制造技术的发展,产生了多种不同架构、适用各种应用领域的微处理器,这些处理器是各种嵌入式电路赖以运行的基础和核心。目前使用较多的嵌入式处理器有嵌入式微控制器,嵌入式微控制
12、器又称单片机,一般以某一种微处理器内核为核心,芯片内部集成RAM总线、总线逻辑、定时计数器、看门狗、等各种必要功能和外设。为应对参差不齐的应用需求,每个系列的单片机都有多种衍生产品,这样可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配,从而达到最大性价比。微控制器是目前嵌入式处理器的主流,多为位机,也有部分、位机,最有代表性的微控制器架构有PLC等。(2)嵌入式处理器处理器对系统架构和指令集进行了特别的优化设计,使其更加适合执行算法。针对这种架构编写的算法程序往往能形成紧凑的机器代码,单条指令执行速度也较高。嵌入式系统的智能化是推动嵌入式处理器发展的一个重要因素,智能化算法一般都是运算量较大,特别是向量
13、运算、指针线性寻址等较多,而这些正是。处理器比较有代表性DSP56000的系列。（3）入式微处理器,嵌入式微处理器在性能上接近通用计算机中的。在应沙,往科将微处理器装配于专门设计的电路板上,只保留和嵌入式应用相关的最基本功能,从而可以大幅减小系统体积和功耗,在工作温度、抗电磁干扰及可靠性等方面都得到加强。嵌入式处理器多为位机,甚至有部分是位机,目前主要的架构有MIPS系列。(4)嵌入式片上系统所谓片上系统,即在一个硅片上实现一个功能更为完备,集成更多外围设备的复杂系统。除个别无法集成的器件以外,整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去,从而减小体积、降低功耗、提高可靠性。各种通用处理器
14、内核将作为设计公司的标准库,成为设计中一种标准的器件,用标准的等语言描述,存储在器件库中。分为通用和专用两类。通用较有代表性的有ARM芯片等。2.1.3嵌入式操作系统嵌入式系统的软件部分主要包括嵌入式操作系统和应用软件,而嵌入式操作系统是核心,是嵌入式应用软件的运行平台,也是嵌入式硬件的管理和驱动程序。操作系统发展到现在,广泛使用的主要有多道批处理操作系统、分时操作系统以及实时操作系统。由于嵌入式系统的特点,嵌入式操作系统主要是实时操作系统。实时操作系统是事件驱动的,它能对来自外界的事件和信号在限定的时间范围内做出响应。实时系统主要分为以下两类。强实时系统卜在航空航天、军事、核工业等一些关键领
15、域中,事件的响应时间必须得到完全满足,否则就造成如飞机失事等重大地安全事故,造成重大生命财产损失或生态破坏。因此,在这类系统的设计和实现过程中,应采用各种分析、模拟及形式化验证方法对系统进行严格的检验,以保证在各种情况下的时间需求和功能需求都能够得到满足。弱实时系统一某些应用虽然提出了时间需求,但实时任务偶尔违反这种需求对系统的运行以及环境不会造成严重影响,如视频点播一一,系统、信息采集与检索系统就是典型的弱实时系统。在系统中,系统只需保证绝大多数情况下视频数据能够及时传输给用户即可,偶尔的数据传输延迟对用户不会造成很大影响,也不会造成像飞机失事那样严重的后果。RTOS的种类繁多,这里简介儿种常用的:VxWorks系统VxWorks操作系统是美国公司推出的一种嵌入式实时操作系统。自从世纪年代推出以来,凭借其良好的持续发展能力、高性能的内核以及友好的用户开发环境,在嵌入式实时操作系统领域占据一席之地。它以其良好的可靠性和卓越的实时性被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中,在美国的一、一战斗机、一
