Проектування електронного паролю

Вступ

У даній курсовій роботі розглянуто проектування електронного паролю. У сучасні охоронні системи входять, як правило брелок, що носиться, - генератор, що випромінює особливий сигнал- код, і спеціальний приймач, що реагує лише на цей сигнал- код. ИК брелок- генератор і приймач до нього мають таке ж призначення, але сигнал- код системи формується відповідно до принципу, що значно ефективніше використовують час передачі й тим самим, що багаторазово збільшують її таємність.

У цій роботі розглянуто ту частину, де відбувається саме процес формування сигналу-коду, перевірка його з тим, що вже раніше було запрограмованою, потім він видає випромінюється, а спеціальний приймач його приймає на відстані.

Незалежно від характеру випромінювання, будь то радіохвиля, ультразвук або світло, особлива увага в обладнаннях автоматичного впізнання приділяють самому сигналу. Імовірність появи точно такого ж сигналу від стороннього джерела повинна бути дуже малою.

Для реалізації даного пристрою застосовуються майже виключно інтегральні елементи.

1. Ескізне проектування. Схема електрична структурна

Розглянемо з яких блоків повинна складатися наша система. Сигнал поступає з кварцового генератора на лічильник. З допомогою лічильника формується адрес даних, що надсилається на мультиплексор. З лічильника ще один сигнал іде на формування імпульсу. Потім сигнал з мультипдексора і з ФИ поступають на елемент з відкритим колектором. Якщо все вірно спрацювало, то вспалахне діод, і вступить в дію наше реле, що і відімкне наші двері від авто.

Кодова посилка звичайно має вигляд двійкової послідовності. Наприклад, 1011011110110111..., де одиниці відповідає наявність випромінювання, а нулю -пауза "чистого" ефіру або якесь інше випромінювання. Якщо число розрядів (знакомісць) у такому сигналі позначити латинською буквою n, то по різному розставляючи одиниці й нулі, ми зможемо одержати 2" різних їхніх комбінацій. Так при n=7 їх може бути 128, при n=15 - 32768, а при n=23 - 8388608. Серед безлічі можливих якусь одну послідовність вибирають як код, або, говорячи інакше, електронного пароля.

Мал1. Схема електрична структурна

Розглянемо основні аспекти роботи нашої системи

У середині кожного знакомісця може бути сформований короткий (тривалістю близько 10 мкс) імпульс на виході елемента І. Але таке відбудеться лише в тому випадку, якщо даному знакомісцю буде відповідати сигнал 1 на виході комутатора. Цей імпульс перетвориться в ИК спалах такої ж тривалості.

Потрібне число- код формують, комутируючи Х- входи мультиплексору, тобто з'єднуючи i- тую стрілку із плюсовим провідником джерела харчування, якщо в i- тому розряді коду повинна бути 1 (вхід ХО стартовий імпульс) або з мінусовим, якщо потрібний 0. Так, наприклад, для генерації коду 111011100111001 стрілки 1,2,3,5,6,7, 10,11,12,15 треба з'єднати із плюсовим, а стрілки 4,8,9,13,14 - із загальним провідником джерела харчування. Оскільки п=15, то число різних сигналів, з яких кожної може бути закомутірован у якості кодового, становить 215=32768.

У кодовому випромінювачі можна використовувати практично будь-які ИК діоди, обмеження -лише габаритні.

Мал.2 Осцилограма коду 1011011110110111.

Правильно зібраний генератор налагодження не вимагає. Так, наприклад, коду 111011100111001 буде відповідати осциллограмма, зображена на мал. 2 ("зайвий" імпульс на початку пакету - стартовий).

Джерело харчування кодового генератора - 6- вольтовая батарея GB1 діаметром 10,3 і довжиною 16 мм (типорозмір джерел харчування закордонного виробництва, наприклад, батарей GP11A, Е11А). Придатна також літієва батарея 2ВІДБЛИСК-1, якщо в конструкції передбачити для неї відітнув відповідних розмірів.

2. VHDL програма

Тепер, знаючи майже все про нашу модель, спробуємо розробити її модель на мові VHDL. За допомогою цієї мови ми можемо провірити на працездатність будь який прилад, модель, структуру і т.д. На мові VHDL проводять синтез дуже багатьох приладів, інтегральних схем, як в нашому випадку.

Спочатку представимо схему моделі, розроблену в пакеті Workbench, а також покажемо місця наших вхідних і вихідних портів, а також допоміжних сигналів.

Мал3. Схема передавача, розроблена в пакеті Workbench.

На цій схемі помітимо ті частини, де ми будемо знімати наші характеристики. Спочатку схеми у нас находяться сигнали reset і set, далі позначаємо виходи лічильника і закінчуємо все вихідним сигналом ind.

Представимо спочатку текст програми: в ньому самим простим методом описані всі входи і виходи наших елементів схеми, також були використані допоміжні сигнали для простоти.

library IEEE;

use IEEE.STD_LOGIC_1164.all;

entity ewqe is

port(

CLK: in std_logic;

reset: in std_logic;

dv4,dv5,dv6,dv7,dv8,dv9: out std_logic;

set: out std_logic;

ind: out std_logic

--x:std_logic_vector(15 downto 0):="101111111101111";

);

end ewqe;

architecture ewqe of ewqe is

signal x:std_logic_vector(15 downto 0):="1111011100111001";

signal t: std_logic_vector(15 downto 0);

signal d:bit;

begin

set<= '1' when d='0' else

'0' when d='1';

c3: process(clk)

variable period_1: time:= 10000 ns;

begin

if (clk'event and clk='1') then

dv9 <= transport '1' after period_1/32;

dv8 <= transport '1' after period_1/64;

dv7 <= transport '1' after period_1/128;

dv6 <= transport '1' after period_1/256;

dv5 <= transport '1' after period_1/512;

dv4 <= transport '1' after period_1/1024;

elsif (reset='1') then

dv4 <= transport '0' after period_1/32;

dv5 <= transport '0' after period_1/64;

dv6 <= transport '0' after period_1/128;

dv7 <= transport '0' after period_1/256;

dv8 <= transport '0' after period_1/512;

dv9 <= transport '0' after period_1/1024;

end if;

end process;

ind<='0' when t="1111011100111001" else

'1' when t="1111011100111001";

end ewqe;

Тепер представимо саме часову діаграму роботи нашого генератору:

Мал 4. Часова діаграма в VHDL.

Тепер представимо часову діаграму моделі розроблену в пакеті Wokbench, що показує правильність роботи нашої схеми. На ній чітко видно всі необхідні імпульси, що поступають з різних частин схеми.

Мал. 10. Часова діаграма в Workbench.

На схемі представлені елементи із стандарту КМОП серії К561. Це такі елементи як: логічні елементи ЛА7 DDD1(двохвходовий елемент 2І-Ні), ЛН2 DDD2 (одновходовий логічний елемент Ні), ИЕ16 DDD3 (двійково-десятковий лічильник), КП2 DDD4(здвоєний мультиплексом на 16 входів), а також діод АЛ147А VD2.

3. Схема електрична принципова

Принципова схема генератора, що формує подібним чином послідовність інфрачервоних спалахів, наведена нижче. Два елементи І-Ні, резистор і кварцовий резонатор утворюють генератор, що задає, працює на частоті 32 768 Гц.

Мал5. Схема кварцового резонатору.

Генерація кодової послідовності починається (коли джерело харчування включене)з формування короткого імпульсу на вході R лічильника, що встановлює його в нульовий стан.

Мал6. Схема лічильника.

Знакомісць - їх 16 - випливають у часі відповідно до їхньої нумерації від 1 до 15 по стрілках входів мікросхемах мультиплексорів -1,2, З... і т.д. (нульовому знакоместу завжди відповідає 1 - це стартовий імпульс пакета, входить у число кодообразующих).

Надалі з лічильника ИЕ16(DDD3.1) поступають сигнали, що заставляють працювати мультиплекс ори. Через входи, що задають код перший мультиплексом працює коли надходить 1, а другий - коли надходить 0.

Мал7. Схема мультиплексорів.

Дві мікросхеми мультиплексорів, кожна з яких являє собою вісьмивходовий мультиплексор- демультиплексор, працюють як електронні комутатори. Їхній об'єднаний вихід виявляється з'єднаний з одним із входів ХО- Х7 - залежно від адреси, що надходить на адресні входи 1, 2, 4 і сигналу на вході S мультиплексорів.

Адреса й S- Сигнал формують лічильник. Неважко обчислити, що зміна адреси відбувається тут кожні 0,976 мс (25/ 32768 с). Це tзн - тривалість знакомісць в кодовій посилці.

Таким чином, загальна тривалість кодової посилки становить 0,976-15 = 14,6 мс.

Після того, як мультиплекс ори КП2(DDD4.1 і DDD4.2) закінчать свою роботу, сигнал поступає на логічний елемент. Для правильності роботи на логічний елемент повинно прийти дві одиниці. Якщо це відбулося, то вспалахне діод АЛ147А. Нам потрібно було вибрати правильний діод, щоб він підходив по напрузі споживання, часу роботи і т.д. Основні характеристики діоду АЛ147А.

Мал8. Характеристика діода АЛ147А.

Подачу живлення можна включити і другим способом, так як представлено нижче.

Мал. 9 Схема включення живлення.

Вимикач SA2 можна виключити, а харчування генератора здійснювати за схемою, показаної на мал.6. Але тоді кнопку SА1 прийдеться натискати двічі, тому що перше натискання може видати невірну комбінацію. Без нього можна обійтися й у тому випадку, якщо джерелом харчування буде низьковольтна батарея або літієвий елемент, здатні забезпечити генератору тривалу роботу при постійно включених мікросхемах.

Наприклад, літієвий елемент напругою 3 В и електроємністю 0,1 А- Ч буде працювати близько року.

У випадку живлення генератора за схемою, наведеної вище, необхідно проконтролювати струм витоку конденсатора С6 - він повинен бути значно менше Іпотр, зазначеного в таблиці.

При збільшенні опору резистора, що обмежує струм в ИК діоді, ємність цього конденсатора може бути зменшена -більша "далекобійність" ИК випромінювача може виявитися просто непотрібною.

4. Реалізації приймача сигналу

Представимо також схему реалізації приймача сигналу:

Мал.11 Схема реалізації електронного пароля.

Схема обладнання, що ухвалює кодований сигнал інфрачервоного випромінювача, показана на вище. Мікросхема нижче, що представляє собою фотопідсилювач, перетворить імпульси струму у фотодіоді BL1, порушувані ИК спалахами брелка- випромінювача, в імпульси напруги, придатні для прямого їхнього введення в цифровий аналізатор. На малюнку,а зображений графік імпульсної послідовності на виході фотопідсилювача, відповідний до коду 1011011110110111,який ми тут і нижче будемо розглядати в якості приклада.

Мал 12. Схема приймача сигналу.

У приймачі два формувачі. Один з них, виконаний на елементах DD1.1 і DD3.1, розширює кожний із вхідних імпульсів (нагадаємо, тривалість імпульсів ИК передавача - близько 10 мкс) до tф1=RЗС5=0,6...0,8 мс (мал. 6,б). А другий, зібраний на елементах DD1.2 і DD3.3, формує імпульс длительнос- тью tф2=R4С6=30...50 мс.

По 1 фронту цього імпульсу на виході елемента DD3.5 формується короткий імпульс (tr=R5C7=10 мкс) регістр, що зрушує, що встановлює, DD4DD5 і лічильник DD6 у нульовий стан.

Елементи DD1.3, DD1.4, резистор R7 і кварцовий резонатор ZQ1 утворюють генератор, що задає, працює на частоті 32 768 Гц (на такій же частоті, нагадаємо, працює генератор, що й задає, ИК випромінювача).

Мал. 13 Частота роботи генератору.

У регістрі, що зрушує, прийнятий сигнал (або перешкода) фіксується в такий спосіб. По фронту імпульсу першої ж ИК спалаху мікросхеми DD4-DD6 установлюються в нульовий стан (на їхніх виходах виникають нулі) і лічильник DD6 починає рахунок імпульсів із частотою 32 768 Гц.

Приблизно через 0,5 мс (tзн/2) нуль на виході 24 лічильника DD6 буде заміщений одиницею. Наступне зрушення числа відбудеться через tзн=0,976 мс - "крок", який збережеться надалі.

Система зробить лише 16 порозрядних зрушень (імпульси, що зрушують, генеріруемие лічильником DD6) - з появою сигналу високого рівня лічильника DD6 і відповідно низького на вході DD2.2, лічильник самозаблокується й збереже цей стан до чергового старту системи. Таким чином, прийнята послідовність ИК спалахів перетвориться в число, що зберігається в регістрі DD4DD5. Залишається з'ясувати, чи є воно кодовим.

Здійснюється це діодно- уторованим дешифратором Д1, схему якого (для того ж коду 111011100111001) ілюструє мал. 7. Ідея дешифракції проста. Усі виходи регістру, на яких відповідно до кодової комбінації повинна бути 1, підключають до входів діодно-резисторного логічного елемента И (VD1, VD4-VD6, VD9-VD11, VD13-VD15, R1), а виходи, на яких повинен бути 0, - до входів діодно-резисторного логічного елемента АБО (VD2, VD3, VD7, VD8, VD12, R2). Якщо в регістрі зафіксоване число- код, то на виході елемента И дешифратора встановиться напруга високого рівня, а на виході елемента АБО - низького.

Мал. 14. Схема діодно-резисторного дешифратора.

І тільки в цьому випадку на виході ИК приймача виникне сигнал 1. Це "одиничне" його стан протримається доти, поки не буде натиснута кнопка SB1 "Обнуління" (паралельно їй може бути включено кілька кнопок такого ж призначення) або по каналу не пройде який-небудь сторонній сигнал.

Висновок

В результаті виконаної роботи було спроектовано електричний пристрій, призначений для передачі любого коду(сигналу) на приймач. В основному цей пристрій спроектований на інтегральних елементах.

Спроектований пристрій можна використовувати в широкому колі задач.

Але найчастіше його застосовують для безпеки власного автомобіля.

Список літератури

Г. Хоуп. Проектирование цифровых вычислительных устройств на интегральных схемах. - М.: Мир, 1984. - 400 с.

Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы. - М.: радио и связь, 1988. - 349 с.

Электротехника и электроника в экспериментах и упражнениях. Практикум на Electronics Workbench том 2. Электроника М. 2000г.

Схемотехніка цифрових пристроїв. 2005 р.