Разработка устройства, позволяющего в лабораторных условиях проверять реальную стойкость автомобильной охраны к взлому

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

С появлением частной собственности появились лица, которые захотели ее получить незаконным путем. Среди множества материальных ценностей изобретённых человеком автомобиль занимает особое место. Являясь средством передвижения, он обладает значительной стоимостью и при этом очень часто бывает вне пределов видимости своего хозяина. Благодаря этому тенденция к хищению личных автотранспортных средств постоянно растет. Чтобы противостоять этому, необходимо устанавливать дополнительные устройства на автомобиль, которые затрудняют злоумышленнику его работу. Эффективным методом является использование систем охранной сигнализации. Как показывает статистика, автомашины, оборудованные системой сигнализации, менее подвергаются угону или раскомплектации.

Однако, при установке автомобильной сигнализации, резонно возникает вопрос - легко ли взломать данный электронный замок. Для того чтобы исключить возможность выключения сигнализации посторонними лицами применяется кодирование передатчиков. Уровень секретности кодов различных сигнализаций значительно отличается. В устаревших сигнализациях применялись коды с числом комбинаций до 512, подбор такого кода занимает менее 1 минуты. Количество комбинаций кодов в современных сигнализациях может достигать нескольких тысяч миллиардов. Для кодирования сигнала передатчика и последующего его декодирования используются комплекты специализированных микросхем, некоторые из которых представлены в таблице ниже или универсальные микроконтроллера с соответствующим программным обеспечением.

Следовательно, злоумышленники находят способы обхода электронных систем защиты и существует реальная необходимость проверки стойкости существующих автомобильных систем защиты к взлому.

Цель данного дипломного проекта разработать устройство, позволяющее в лабораторных условиях проверять реальную стойкость автомобильной охраны к взлому.

Для достижения поставленной цели необходимо выполнить следующие задачи:

1. Провести анализ основных принципов работы автомобильных сигнализаций, выявить слабые их слабые места и возможные способы электронного взлома;

2. Провести поиск аналогов проектируемого устройства;

3. Разработать структурную схему и сделать выбор электронных компонентов схемы;

4. Разработать алгоритм работы и программное обеспечение для работы контроллера.

1. Исследовательский раздел

1.1 Анализ аналогов программных и аппаратных средств

Современные охранные сигнализации это сложные электронные устройства, которые имеют дистанционное управление, некоторые функции иммобилайзера (в отдельных моделях есть и полноценные иммобилайзеры) а также выполняют множество сервисных функций. Включенная сигнализация контролирует ряд точек в автомобиле, и, в случае вторжения, включает звуковые и световые сигналы для привлечения внимания и иногда выполняет и некоторые другие функции. Количество контролируемых точек зависит от комплекта поставки и количества дополнительных датчиков, подключаемых к сигнализации.

Применение для оповещения лишь звуковой сигнализации и (или) мигания фар не всегда надёжно и удобно. С развитием средств связи более широко начали использовать радиоканал. С его же помощью возможно дистанционное управление аппаратурой автомобиля.

В качестве электронного ключа и пульта управления применяют кодовые брелки. Кодовый брелок - миниатюрный передатчик, работающий, как правило, в диапазоне дециметровых волн (200- 50 МГц).

Наиболее слабое звено автосигнализации -- радиосигнал, передаваемый от брелока к основному блоку.

Набор нулей и единиц будет представлять из себя набор выбросов напряжения (импульсов), появляющихся на выходе устройства во время передачи какого-нибудь числа в двоичном коде. Этот код передается в виде импульсов. Такой способ передачи называется последовательным кодом, потому что импульсы передаются последовательно, друг за другом. Этот способ применяется практически во всех передающих устройствах автосигнализаций. Приемник пересылает принятый сигнал (код) в преобразователь, который преобразует последовательный код в параллельный. Затем из преобразователя код поступает в дешифратор, который определяет правильность кода, и , если он правильный - выдает сигнал постановки/снятия с охраны на элементы управления, а если код неправильный - просто игнорирует его. Параллельный код - это такой способ передачи, при котором все импульсы передаются одновременно по шине (набору проводов).

Самые первые брелоки имели 5-и и 10-и значный постоянный код, который выставлялся с помощью переключателей на брелоке и в центральном блоке автосигнализации. Любой знакомый с радиотехникой человек, был способен собрать схему на основе брелока от системы сигнализации, с помощью которой мог за несколько часов подобрать код к вашей системе охраны. Как только стало понятно, что примитивный код брелока не имеет будущего, появился антисканер. Так, например, фирмы пошли на увеличение разрядности кодов, передаваемых брелоками. Код стал иметь такое количество комбинаций, что стало бассмысленным заниматься его перебором, так как на это ушли бы столетия. Есть еще один способ отслеживать передаваемые коды и если эти коды (например 5 последовательно переданных кодов) не соответствуют коду брелоков системы, то центральный блок становился глухим к передаваемым сигналам на 15-20 минут, после чего снова переходил в режим приема, либо сразу подавал тревогу, сообщая хозяину о том, что эго автомобиль сканируют. Угонщики изготовили прибор, способный устанавливать частоту, на которой идет передача кода, записывать сам код, а потом передавать его, снимая автомобиль с охраны. Антисканер против этого бессилен. Новый прибор стали называть код-граббером.

Кодграббер (англ. code grabber) или алгоритмический кодграббер - это устройство для отключения сигнализации автомобиля, т.е средств охраны автомобиля. При применении данного устройства полностью выключается охранная система автомобиля, открывается центральный замок(т.е. открываются двери и багажник автомобиля), а также выключаются все блокировки, которые препятствуют запуску двигателя. В основе работы этот прибор использует оригинальные алгоритмы фирм, изготавливающих автосигнализацию. То есть он работает как родной брелок.

Предметом разработки дипломного проекта является программно-аппаратный комплекс, позволяющий тестировать автомобильные сигнализации с целью изучения степени их защищенности от взлома.

Рассмотрим основные разновидности подобных комплексов.

Алгоритмический (мануфактурный) кодграббер.

Это прибор для отключения охраны автомобиля. При его применении выключается охранная система авто, открываются двери и багажник, а также снимаются все блокировки на старт двигателя. В основе работы - заводские алгоритмы изготовителей автосигнализаций. Работает как родной брелок.

Он открывает сигнализации без создания помех в радиоэфире и ненужных блокировок родного брелка. Кодграббер перехватывает всего один запрос кода с родного брелка, даже при отсутствии самого авто рядом. После перехвата пакета, Алгоритмический кодграббер создает цифровой аналог брелка и сохраняет его во внутренний энергонезависимый EEPROM процессора.

Мануфактурный код-граббер обычно сделан в виде обычного брелока от сигнализации. Многие производители используют единый ключ шифрования для кодировки сигнала для всего модельного ряда автосигнализаций. Имея в памяти этот ключ шифрования, код-граббер распознает сигнализацию в эфире, отмечает код и в дальнейшем может управлять устройством несанкционированно.

Кодграббер с ретрансляцией

Ретрансляция - retransmission - прием сигналов на промежуточном пункте, их усиление и передача в прежнем или другом направлении. Ретрансляция предназначена для увеличения дальности связи. Подобное устройство применяется для систем автосигнализаций и иммобилайзеров, оборудованных сложными системами кодирования, такими как Диалоговый код. В этой ситуации происходит передача сигнала к объекту на большом расстоянии через вспомогательные электронные устройства. Взлому с помощью ретранслятора подвержены системы, которые имеют пассивный принцип действия брелока (метки). В таких системах реализован алгоритм автоматического снятия с охраны (открытие центрального замка и выключение блокировок) при приближении к автомобилю с брелоком (меткой).

Код-граббер с ретрансляцией может быть использован против систем, в которых отсутствует постоянный или периодический контроль наличия радиометки (штатной или дополнительной) после снятия с охраны, когда сигнал надо "доставить" только на момент запуска двигателя.

Замещающий код-граббер применяется для комплексов автосигнализаций и иммобилайзеров, оборудованных сложными системами кодирования. В момент передачи сигнала такой прибор излучает помеху, не давая охранной системе среагировать на посылку, и одновременно перехватывает код. Владелец автомобиля нажимает кнопку брелока второй раз. В эфире вновь возникает помеха, и системе посылается первая перехваченная команда. Автомобиль послушно встает на охрану, а в памяти граббера остается вторая, пригодная для отключения сигнализации кодовая посылка. Если постановка и снятие с охраны производятся разными кнопками брелока, граббер будет ждать момента, когда владелец машины в панике начнет нажимать все кнопки подряд -- и улучит момент для рокировки кодов. Технология небезупречна, поскольку в процессе «радиоигры» внимательный автовладелец может обратить внимание на неадекватную реакцию охранной системы. Обычно это выглядит так: отсутствие срабатывания после первого нажатия кнопки брелока и запоздалая (около секунды) реакция на повторную команду. С помощью этого алгоритма угонщики научились обманывать систему KeeLoq - алгоритм динамической защиты радиоканала, разработанный южноафриканской фирмой Nanoteq. Этот алгоритм шифрования до сих пор является своеобразной крипто-графической иконой, поскольку математических способов подбора его ключевой комбинации не существует (на компьютерный перебор всех 18446744073709551616 вариантов уйдет 29247 лет). Нынешний владелец прав на технологию KeeLoq - американская компания Microchip.

Если есть диалоговый код, то происходит передача сигнала от объекта к объекту на большом расстоянии через вспомогательные электронные устройства, и в данном случае код-граббер перехватывает сигнал. Принцип диалоговый кода заключается в следующем. Получив сигнал, система убеждается, что он послан со "своего" брелка, причем это происходит не однократно, а в диалоге. В ответ на первый сигнал система посылает на брелок запрос в виде случайного числа, который обрабатывается брелком по специальному алгоритму и отсылается обратно. Автосигнализация обрабатывает свою посылку по тому же алгоритму, сравнивая полученный ответ со своими данными. Если они совпадают, команда выполняется, а на пульт отправляется подтверждение.

Проблема еще и в том, что даже схватив злоумышленника за руку и завладев прибором, распознать это оружие сможет далеко не каждый сотрудник милиции: замещающий код-граббер может быть вмонтирован в корпус игрушки Tetris, корпус радиостанции CB-диапазона, корпус ИК-пульта для телевизора или в корпус mp3-плеера, причем прибор остается полностью работоспособным, но внутри корпуса установлена «опция» в виде замещающего код-граббера.

Электронный брелок может быть односторонним и двусторонним (когда брелок-пейджер информирует о состоянии автомобиля). Наиболее защищена от взлома сигнализация с обратной связью.

1.2 Техническое задание

В дипломной работе необходимо разработать устройство, функциями и характеристиками которого бы являлось:

1. Перехват кода автомобильной сигнализации;

2. Постановка помехи в выбранном диапазоне;

3. Автоматическое замещение перехваченного кода сгенерированным;

4. Излучение сгенерированного кода для воздействия на защищаемый автомобиль;

5. Диапазон сканирования - от 50Гц до 600Гц, шаг регулировки 50Гц;

6. Напряжение питания - 10-15 вольт

7. Ток потребления - не более 15 mA

8. Рабочая частота - 433,92 Мгц

9. Защита от использования устройства неавторизованным лицом;

10. Использование дисплея мобильного телефона;

11. Минимальные размеры;

12. Автономное питание.

2. Специальный раздел

2.1 Разработка схемы электрической принципиальной

Перед разработкой принципиальной схемы устройства разработаем его структурную схему, исходя из необходимой функциональности устройства:

- Прием и передача радиосигналов;

- Вывод информации на дисплей для анализа ее пользователем;

- Управление работой устройства.

Структурная схема устройства представлена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1-Структурная схема устройства

Анализируя задачи, возложенные на проектируемое устройство, можно определить некоторые технических характеристики, которыми должен располагать микроконтроллер:

1) В своей структуре микроконтроллер должен иметь следующие аппаратные модули:

таймер, с помощью которого будет производиться измерение интервалов времени;

многоканальный аналогово-цифровой преобразователь для преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму;

универсальный последовательный приемо-передатчик, для связи с другими компонентами схемы.

2) С точки зрения структуры команд микропроцессор должен обладать:

развитыми командами по работе с отдельными битами и проверок выполнения различных условий;

возможностью аппаратной и программной обработок прерывания от внутренних блоков.

Данные требования позволяют создать программу оптимальную по структуре и объему.

3) Микроконтроллер должен обладать достаточным быстродействием для обработки полученных данных в реальном времени;

4) В ОЗУ (RAM) будет сохраняться выборки, полученные с помощью АЦП, текущие данные, также часть ОЗУ будет использована в качестве стека.

Общее число различных микроконтроллеров с различными системами команд насчитывается более пятисот, и все они в силу своей специализации, имеют свои достоинства и недостатки.

Из этого большого разнообразия микроконтроллеров можно выбрать такие, которые будут удовлетворять всем вышеперечисленным требованиям. В России рынок микроконтроллеров представлен такими фирмами как: INTEL, ATMEL, Microchip, Motorola и др..

Микроконтроллеры серии PIC18F состоят из следующих блоков (см. рисунок 2.2):

- высокопроизводительного 10разрядного процессора с малым потреблением;

- внутренней памяти, включающей ОЗУ (256 байт) и многократнопрограммируемого ПЗУ (16 Кбайт);

- параллельных и последовательных портов ввода/ вывода;

- тактового генератора;

- таймера;

- аналоговоцифрового преобразователя;

- встроенного аналогового компаратора.

Структурная схема микроконтроллера PIC18F2520 представлена на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2-Структурная схема PIC18F2520

Для перепрограммирования микроконтроллеров в разрабатываемом устройстве предусмотрены штыри-разъемы.

Таким образом, рассмотренные выше микроконтроллеры серии PIC18F полностью удовлетворяют требованиям разрабатываемого блока анализатора и могут быть выбраны в качестве элементной базы.

Оптимальным выбором из всей линейки микроконтроллеров PIC для данного устройства станет контроллер PIC18F252.

Технические характеристики контроллера PIC18F252.

- 16 Кб программируемой Flash памяти программы;

- 256 байт EEPROM;

- 1536 байта встроенной SRAM памяти;

- Один 8- разрядных таймера/счетчика с отдельным предделителем и режимом сравнения;

- Три расширенных 16-разр. таймер-счетчик с отдельным предделителем, режимов сравнения и захвата;

- 8 канальный 10-ти разрядный АЦП последовательного приближения;

- Встроенный откалиброванный генератор;

- Внешние и внутренние источники прерывания;

- Пять режимов пониженного потребления: Idle, ADC Noise Reduction, Power-Save, Power-down и Standby;

- 1/2 Последовательных приемо/передатчиков UART;

- Последовательный интерфейс SPI с поддержкой режимов ведущий/подчиненный;

- Программируемый сторожевой таймер со встроенным генератором;

- Встроенный аналоговый компаратор;

- Температурный диапазон: от - 40 до + 85 С°;

- Напряжение питания от 2.7 до 5.5 В;

- Тактовая частота до 20 МГц;

Выводы всех портов имеют внутренние резисторы, подтягивающие уровень выходного сигнала к напряжению питания. Выводы могут обеспечить ток 25 мА для одного вывода и 80 мА для всего порта. Ток, потребляемый микроконтроллером в активном режиме, равен 13 мА при частоте 40 МГц и напряжении питания 5 В.

Аналого-цифровой преобразователь должен быть десятиразрядным и иметь максимальную частоту преобразования не менее 1,6 кГц. Этим требованиям отвечает интегрированный в микроконтроллер АЦП последовательного приближения. Основные параметры приведены в таблице 2.1. печатный плата контроллер устройство

Таблица 2.1 Параметры АЦП контроллера PIC

Параметр	Условия	Мин	Типовое	Макс	Ед. измер.
Разрядность	Несимметричный вход	-	10	-	Бит
	Дифференциальный вход (Кu= 1x и 20x)	-	8	-	Бит
	Дифференциальный вход (Кu=200x)	-	7	-	Бит
Абсолютная погрешность	кГц, В	-	1	2	МЗР
	МГц, В	-	4	-	МЗР
Интегральная нелинейность	В	-	0,5	-	МЗР
Дифференциальная нелинейность	В	-	0,25	-	МЗР
Ошибка смещения	В	-	0,75	-	МЗР
Время преобразования	Режим непрерывного преобразования	13	-	260	мкс
Тактовая частота		50	-	1000	кГц
Напряжение питания					В
Опорное напряжение		2,0	-		В
Входное сопротивление аналогового входа		-	100	-	МОм

В микроконтроллерах PIC имеется один 8-разрядный аналогово-цифровой преобразователь, преобразующий подаваемое на его вход напряжение в диапазоне от 0 до уровня опорного напряжения Vref в число в диапазоне от 0 до 255. В качестве источника опорного напряжения Vref используется внешнее опорное напряжение или напряжение питания микроконтроллера (+5 В).

Вход АЦП может быть программно скоммутирован с одним из восьми выводов портов PORTA или PORTE, поэтому иногда можно встретить утверждение, что АЦП в микроконтроллерах этого семейства восьмиканальный. На самом деле устройство аналогово-цифрового (АЦ) преобразования одно, но в конкретный момент времени оно работает с одним из 8 возможных входов.

При включении питания или поступлении сброса все выводы портов А и Е сконфигурированы как цифровые, модуль АЦП выключен, результат преобразования в регистре ADRES не определен.

АЦ-преобразование производится методом последовательного приближения и требует некоторого времени (порядка нескольких микросекунд), следовательно, время АЦ- преобразования как правило существенно превышает время выполнения одной команды микроконтроллера. Существует возможность производить быстрое АЦ-преобразование за более короткое время, при этом младшие биты результата оказываются недостоверными.

Для выполнения АЦ-преобразования необходимо путем изменения битов в управляющих регистрах АЦП настроить канал, источник опорного напряжения и другие параметры АЦП, затем запустить процесс АЦ-преобразования. Далее следует выполнить программную задержку на время преобразования или настроить обработчик прерывания на обработку события "окончание АЦ-преобразования". После того, как АЦ-преобразование завершено (время задержки истекло или произошло соответствующее прерывание), его результат можно считать в регистре ADRES. Для получения следующего отсчета необходимо снова запустить процесс АЦ-преобразования. Данный подход справедлив и для подавляющего большинства микроконтроллеров других семейств, имеющих встроенный АЦП.

На рисунке 2.3 изображена функциональная схема, иллюстрирующая связь управляющих сигналов встроенного АЦП и аналоговых выводов микроконтроллера. Входами АЦП могут являться все выводы порта A (RA0..RA5), за исключением вывода RA4, и все выводы порта Е (RE0..RE2). Вывод RA0 является нулевым входным каналом АЦП. вывод RE2 -- последним, седьмым. С любого из этих входов путем установки соответствующих битов в управляющих регистрах сигнал может быть направлен на вход Vin АЦП.

Рисунок 2.3-Схема выводов АЦП микроконтроллера PIC

В качестве опорного напряжения, задающего максимальное входное напряжение, встроенный АЦП использует либо напряжение питания микроконтроллера , либо сигнал с вывода RA3. Выбор опорного напряжения также производится установкой определенных битов в управляющем регистре. Если RA3 используется как вход опорного напряжения, аналогово-цифровое преобразование с этого входа не производится.

Для приема сигналов с брелока сигнализации необходим приемник радиосигналов. Стандартная частота, на которой работают автомобильные сигнализации, составляет 433,92 МГц. В качестве приемника и передатчика были выбраны готовые устройства: TX-SAW-MID-3V - передатчик, и BC_NBK-приемник, производства компании Aurel. Данные устройства представляют собой приемник/передатчик с модуляцией АМ, смонтированные на отдельной плате и готовые к установке на плату конечного устройства.

На рисунке 2.4 представлен внешний вид приемника и передатчика.



Рисунок 2.4-Приемник и передатчик BC-NBK и TX-SAW-MID-3V соответственно

Технические характеристики приемника BC-NBK представлена в таблице 2.2.

Таблица 2.2 Технические характеристики приемника BC-NBK

Параметр	Типовое значение
Рабочая частота, МГц	433,92
Напряжение питания, В	4,5-5,5
Потребляемый ток, мА	2,7
Чувствительность, дБм	-97
Скорость передачи данных, бит/с	2400
Время включения, с	2

Это модули, предназначенные для приема цифровых сигналов. Чувствительность сверхрегенеративных модулей колеблется в диапазоне от -94 до -106 дБм при полосе пропускания БЧ тракта от 0.6 до 4 МГц. Необходимо отметить низкое потребление тока (2,7 мА) и рабочим напряжением (5 В). Время включения -- время от подачи питания до выхода модуля на рабочие параметры. Лучшими характеристиками по чувствительности и полосе пропускания ВЧ тракта отличаются супергетеродинные радиоприемники.

Технические характеристики передатчика TX-SAW-MID-5V представлены в таблице 2.3.

Таблица 2.3 Технические характеристики TX-SAW-MID-5V

Параметр	Типовое значение
Рабочая частота, МГц	433,92
Напряжение питания, В	4,5-5,5
Потребляемый ток, мА	4
Мощность излучения, мВт	10
Время включения, с	1,2

Эти модули предназначены для формирования радиосигнала из поступающей на вход модуляции цифровых импульсов. Выходная мощность передатчиков до 10 мВт при напряжении питания от 4,5 до 5.5 В.

Диапазон рабочих температур: -20 ... +80 °С. Тип модуляции -- АМ/ЧМ

Для стабилизации питающего напряжения и ограничения его уровня целесообразно использовать недорогое ИМС стабилизаторы напряжения.

Серия LM78XX из трех линейных регуляторов напряжения выпускаются в корпусах TO-220 с несколькими значениями выходного напряжения, что делает их полезными в широком спектре устройств. Каждый тип (lm7805) использует внутреннее ограничение тока, надежную тепловую защиту операционной области, что обеспечивает его надежную работу и предостерегает от выхода из строя. Выходной ток (lm7805) достигает 1А при условии нормального теплоотвода.

Стабилизатор 5В часто делают на одном из представителей интегральных стабилизаторов серии 78XX - 7805. Стабилизатор напряжения 5В 7805 это стабилизатор положительного напряжения 5 вольт в корпусе типа TO-220 с тремя выводами. Способность стабилизации такого популярного напряжения как 5 вольт делает его полезным в целой массе различных электронных устройств. Часто эти стабилизаторы применяются для питания какой-то локальной части схемы, когда невыгодно делать полноценный блок питания на 5 вольт, а проще применить 7805 просто понизив основное, более высокое напряжение питания основной схемы.

Технические характеристики микросхемы представлены в таблице 2.4.

Таблица 2.4 Технические характеристики стабилизатора LM7805

Общие сведения
Топология регулятора	Положительное постоянное напряжение
Число регуляторов	1
Выходное напряжение	5V
Входное напряжение	До 35V
Напряжение номинальное	2V при 1А
Нестабильность выходного напряжения	240mV
Нестабильность выходной нагрузки	240mV
Выходной ток	1А
Минимальный предел тока	2.2А
Погрешность регулирования напряжения	± 4%
Температурный диапазон	-40°С - +125°С
Корпус	ТО-220-3

В 7805 стабилизаторе применяется внутренняя защита по току и защита от перегрева, делая блок питания на его основе практически неубиваемым. Если применяется достаточный теплоотвод (применяется достаточный радиатор), то 7805 стабилизатор может отдать в нагрузку ток до 1А. Максимальное напряжение на входе должно быть не меньше 6.2 вольт и не больше 35 вольт.

Для отображения полученной информации, а также удобного управления в проектируемом устройстве решено использовать жидкокристаллический дисплей. ЖК дисплей сочетает в себе невысокую стоимость и достаточные для выполнения поставленных задач технические характеристики. Для данного устройства была выбрана модель PCD8544 (см. рисунок 2.5), представляющая собой монохромный LCD дисплей разрешением 84х48 точек.

Технические характеристики дисплея

- Генерация напряжения питания ЖК-дисплея (внешний блок также возможен);

- Генерация промежуточного LCD напряжения смещения;

- Генератор не требует внешних компонентов (внешняя синхронизация также возможна);

- Внешний контакт сброса RES;

- Последовательный интерфейс, максимальная скорость 4,0 Мбит/с

- CMOS-совместимые входы

- Mux скорости: 48

- Диапазон напряжения питания логической схемы: 2,7 - 3,3 В

- Диапазон напряжений питания дисплея VLCD 6,0 - 8,5 В .

- Низкое энергопотребление, подходит для систем, работающих батарей

- Температурная компенсация VLCD

- Температурный диапазон: от -25 до 70 ° C.

Рисунок 2.5-Внешний вид дисплея

2.2 Разработка печатной платы

Процесс конструкторского и технологического проектирования печатных плат (компоновка и размещение элементов, трассировка межсоединений, изготовление фотошаблонов, получение конструкторской и технологической документации) в настоящее время реализовывается на достаточно большом количестве отечественных и зарубежных САПР печатных плат. Одной из наиболее мощных и распространенных в нашей стране САПР является русифицированная САПР PCAD версии 4 на ПЭВМ IBM PC.

Процесс разработки конструкции печатной платы, реализующей заданную принципиальную электрическую схему, заключается в создании базы данных, описывающих объект проектирования в формате САПР PCAD. В ЭВМ эта база данных вводится с помощью текстового файла, содержащего формализованное задание на проектирование печатной платы. В терминологии документации по сопровождению САПР PCAD этот текстовый файл называется ALT-файлом.

Создание ALT-файла начинается с описания радиоэлементов, или - в терминологии документации по сопровождению САПР PCAD - радиоэлектронных компонентов (РЭК), устанавливаемых на печатной плате. В процессе описания РЭК компоненты, имеющие одинаковое конструктивное исполнение, объединяют в группы.

Таким образом, перед началом подготовки ALT-файла необходимо убедиться, что все РЭК, задействованные в схеме проекта имеются в библиотеке элементов САПР PCAD. Элементы, которые отсутствуют в библиотеке, необходимо создать.

Размещение радиоэлементов на плате производилось в приложении PCAD PCB ручным способом, с учетом особенностей схемы устройства. Принимая во внимание то, что на входные цепи устройства подается большое напряжение, эти цепи разносились на большее расстояние друг от друга, с целью предотвращения пробоя между проводниками и минимизации общей длины проводников.

Трассировка производилась также вручную. В зависимости от силы тока, текущей по проводникам, они имеют разную толщину.

2.3 Разработка алгоритма микропрограммы для контроллера

Программа разрабатываемого устройства построена по циклическому типу. Микроконтроллер постоянно проходит по заданному циклу отслеживая изменения в отдельных модулях программы - подпрограммах. Данное решение позволяет оперативно реагировать на любые действия пользователя, внешние или внутренние события.

Управление устройством осуществляется с помощью 5 кнопок SB1 - SB5 подключеных к порту контроллера. Управление производится при помощи интерактивного меню на экране устройства.

В общем виде кнопки «Вверх», «Вниз», «Вправо», «Влево» управляют перемещением курсора по меню. Кнопки «Вверх», «Вниз» также позволяют изменять предустановленные значения некоторых параметров. Выбор нужного значения производится путем перебора предустановленных значений. Кнопки «Вправо», «Влево» служат также для выхода из подменю обратно в меню более высокого уровня. Центральная кнопка служит для выбора пунктов меню, подтверждения изменений и т.д.

Отдельные части программы реализованы в виде функций, подключаемых в заданных местах цикла. При наличии новых данных изменяет в соответствии с ними режим работы усилителя. Схема работы программы представлен на рисунке 2.6.

К порту микроконтроллера подключен жидкокристаллический модуль PCD8544. Он состоит из БИС контроллера управления и ЖК панели.. Модуль имеет разрешение 84?48 точек. При размере шрифта 7?5 точек на дисплее отображается 6 строк по 14 символов.

Каждому отображаемому на ЖКМ символу соответствует его код в ячейке ОЗУ модуля. Модуль имеет светодиодную подсветку.



Рисунок 2.6-Схема работы программы микроконтроллера

Программа микроконтроллера построена по циклическому принципу. После включения питания и инициализации контроллера и всех микросхем, происходит загрузка данных их флеш-памяти, сохраненных перед выключением. После этого происходит установка заданных параметров. После этого программа переходит в основной цикл в котором последовательно проверяет сигналы с кнопок управления. В соответствии с нажатой клавишей происходит переход по меню или изменение параметров. Выполнение всех перечисленных действий занимает ~100мс.

2.4 Разработка пользовательского интерфейса программы

Для управления устройством используется интерактивное меню. После включения устройства, на экран дисплея выводится надпись «Введите код». Внизу мы увидим поле для его заполнения, курсор будет установлен на первую ячейку (см. рисунок 2.7).

Рисунок 2.7-Окно верификации прав пользователя

Код состоит из 6 ячеек, вводимое значение будет от 0 до F. Символы перебираются курсорными кнопками. В случаи неверного ввода, загорится надпись «ОШИБКА», которая будет моргать, после некоторого времени, устройство перейдет в запрос кода. Это сделано для защиты устройства от нецелевого использования.После правильно введенного кода на дисплеи появляется надпись: «Код принят» (см. рисунок 2.8)

Рисунок 2.8-Правильно введенный код

Далее через несколько секунд, включится основное меню (см.рисунок 2.9).

Рисунок 2.9-Главное меню устройства

Меню будет содержать три закладки «КОДГРАББЕР» «АНАЛИЗАТОР» «ПОМЕХА». Нужную функцию можно выбирать джостиком-курстором, который будет сделан из пяти кнопок. Перемещая кнопкой стрелки указатели, можно выбирать любую из трех функций. Чтобы включить выбранную функцию, необходимо нажать кнопку в середине джойстика.

Например, если выбрана функция «ПОМЕХА», на дисплее загорится надпись «РЕЖИМ ПОМЕХИ» «ЧАСТОТА 433.92» «МОДУЛЯЦИЯ» и «50 ГЦ» (см. рисунок 2.10).

Рисунок 2.10-Режим «Помеха»

Чтобы переключить частоту модуляции глушения эфира, нужно джойстиком нажать вниз, шаг регулировки помехи 50Гц, ее можно менять от 50Гц до 600Гц. Что бы выйти в основное меню, можно нажать любую из боковых кнопок джойстика, левую или правую.

Режим анализатора включается аналогично. После входа в это меню, сверху в низ начнут появляться надписи, <=COD <=HOP <=FIX <=BUT (см. рисунок 2.11) Далее анализатор ждет пакета, постоянно сканируя эфир. После перехвата кода, а он определяется автоматически, микроконтроллер отобразит в верхней строчке принадлежность перехваченного пакета. Например, KEELOQ <=COD или STARLINE <=COD. При попадании нового кода, старый им замещается. Выход из анализатора, так же боковыми кнопками, любой.



Рисунок 2.11- Пример принятого кода

Далее можно войти в меню кодграббера, загорится надпись «СКАНИРОВАНИЕ» «ВКЛЮЧЕНО» «433.92» (см. рисунок 2.12).

Рисунок 2.12-Меню кодграббера

После этого кодграббер ждет посылку, как только в эфире появится пакет от пульта, кодграббер пускает помеху и сразу на дисплее выводит надпись «ПРИНЯТ ПАКЕТ» (см рисунок 2.13). Двумя строчками ниже загорится шифрованная часть первой посылки. Далее кодграббер будет находится в ожидании второй посылки, где то около 5 секунд, если она придет, то в нижних строчках загорится вторая шифрованная часть и ниже серийный номер с нажатой кнопкой.

Рисунок 2.13-Перехваченные посылки

Что бы выпустить перехваченные коды из кодграббера, достаточно нажать джойстик по середине, внизу загорится надпись «ОТПРАВКА КОДА». Напротив первого хоппинга и серийного номера загорятся стрелки, это в эфир пошел первый пакет, затем загорятся стрелки на против второго хопинга и серийника, это в эфир пошел второй перехваченный пакет. Выйти из этого меню можно также левой или правой кнопкой джойстика. Если пакет не побился, в силу каких то обстоятельств, то надпись на дисплее будет замещена новым пакетом, который пройдет в эфир(см. рисунок 2.14). Во время ожидания второго пакета, это в течении 5 секунд, из меню выходить нельзя, так как программа отрабатывает эфир, а не сканирование кнопок джойстика.

Рисунок 2.14-Отправка перехваченного кода

3. Технологический раздел

3.1 Технология проектирования печатной платы

3.1.1 Общие сведения о проектировании печатных плат

Печатные платы - это элементы конструкции, которые состоят из плоских проводников в виде участков металлизированного покрытия, размещенных на диэлектрическом основании и обеспечивающих соединение элементов электрической цепи. Они получили широкое распространение в производстве модулей, ячеек и блоков РЭА благодаря следующим преимуществам по сравнению с традиционным объемным монтажом проводниками и кабелями:

- повышение плотности размещения компонентов и плотности монтажных соединений, возможность существенного уменьшения габаритов и веса изделий;

- получение печатных проводников, экранирующих поверхностей и электро- и радиодеталей (ЭРЭ) в одном технологическом цикле;

- гарантированная стабильность и повторяемость электрических характеристик (проводимости, паразитных емкости и индуктивности);

- повышение быстродействия и помехозащищенности схем;

- повышенная стойкость и климатическим и механическим воздействиям;

- унификация и стандартизация конструктивных и технологических решений;

- увеличение надежности узлов, блоков и устройства в целом;

- улучшение технологичности за счет комплексной автоматизации монтажно-сборочных и контрольно-регулировочных работ;

- снижение трудоемкости, материалоемкости и себестоимости.

К недостаткам следует отнести сложность внесения изменений в конструкцию и ограниченную ремонтопригодность.

Элементами ПП являются диэлектрическое основание, металлическое покрытие в виде рисунка печатных проводников и контактных площадок, монтажные и фиксирующие отверстия.

Общие требования к ПП.

Диэлектрическое основание ПП должно быть однородным по цвету, монолитным по структуре и не иметь внутренних пузырей и раковин, посторонних включений, сколов, трещин и расслоений. Допускаются одиночные вкрапления металла, царапины, следы от удаления одиночных невытравленных участков, проявление структуры материала, которые не ухудшают электрических параметров ПП и не уменьшают минимально допустимых расстояний между элементами проводящего рисунка.

Проводящий рисунок ПП должен быть четким, с ровными краями, без вздутий, отслоений, разрывов, следов инструмента и остатков технологических материалов.

Монтажные и фиксирующие отверстия должны быть расположены в соответствии с требованиями чертежа и иметь допустимые отклонения, определяемые классом точности ПП. Для повышения надежности паяных соединений внутреннюю поверхность монтажных отверстий покрывают слоем меди толщиной не менее 25 мкм. Покрытие должно быть сплошным, без включений, пластичным, с мелкокристаллической структурой и прочно сцепленным с диэлектрическим основанием. После циклического воздействия изменения температур сопротивление перехода металлизированного отверстия не должно отличаться более чем на 20% от значения сопротивления в нормальных климатических условиях.

Контактные площадки представляют собой участки металлического покрытия, которые соединяют печатные проводники с металлизацией монтажных отверстий. Их площадь должна быть такой, чтобы не было разрывов при сверлении и остался гарантийный поясок меди шириной не менее 50 мкм. Разрывы контактных площадок не допускаются, так как при этом уменьшаются токонесущая способность проводников. Допускается частичное отслоение отдельных (до 2%) контактных площадок вне зоны проводников и их ремонт с помощью эпоксидного клея. Контактные площадки монтажных отверстий должны равномерно смачиваться припоем за время 3-5 с и выдерживать не менее трех перепаек без расслоения диэлектрика, вздутий и отслаивания.

Технологический процесс изготовления ПП не должен ухудшать электрофизические и механические свойства применяемых конструкционных материалов. Сопротивление изоляции между двумя рядом расположенными элементами ПП при минимальном расстоянии между ними 0,2-0,4 мм не должно быть для стеклотекстолита меньше:

Восстановление первоначального значения сопротивления изоляции должно происходить в течение суток.

В процессе производства возникает деформация ПП, которая приводит к их изгибу и скручиванию. Величина деформации определяется механической прочностью фольгированных диэлектриков. На платах толщиной 0,8 мм и менее деформация не контролируется, при толщинах 1,5-3 мм деформация на 100 мм длины не должна превышать: для двуслойных плат на стеклотекстолите 0,8 мм, на гетинаксе 0,9 мм; для однослойных на стеклотекстолите 0,9 мм, на гетинаксе 1,5 мм. При воздействии на ПП повышенной температуры 260-290 °С в течение 10 с не должно наблюдаться разрывов проводящего покрытия, отслоений от диэлектрического основания.

3.2 Выбор материалов и конструкционных материалов

Выбор материалов является важнейшим этапом конструирования. При выборе конструкционных материалов необходимо учитывать комплекс разнообразных взаимосвязанных физико-механических, химических, технологических и других требований.

Большое число марок материалов, близких по показателям качества и многообразие этих показателей затрудняют однозначный выбор лучшего материала. Поэтому для объективной оценки качества того или иного материала по множеству характеристик необходимо использовать комплексный показатель качества.

3.3 Выбор материала для изготовления печатной платы

Выбор материала для изготовления печатной платы функциональной ячейки блока охранно-пожарной сигнализации производится по результатам сравнения нескольких видов материала по комплексному показателю качества. В качестве материала для изготовления коммутационного основания можно выбрать стеклотекстолиты фольгированные СТЭФ или СОНФ-У. Сравнение этих материалов проведем по четырем показателям. Показатели этих материалов (тангенс угла диэлектрических потерь tg?, диэлектрическая проницаемость при частоте 1 Мгц ?, адгезия фольги F, и время устойчивости к воздействию теплового удара при температуре 260°C t) приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1

Материал	tg?	?	F, Н	t, c
СОНФ-У	0.025	5.4	4.6	60
СТЭФ	0.035	5.5	4.5	20

Приведем выравнивание дифференциальных параметров к тенденции повышения качества, для этого заменим тангенс угла диэлектрических потерь и диэлектрическую проницаемость обратной величиной. Полученные показатели приведены в таблице 3.2.

Таблица 3.2

Материал	tg?	?	F, Н	t, c
СОНФ-У	40	0.185	4.6	60
СТЭФ	28.6	0.181	4.5	20

Увеличение каждого из приведенных дифференциальных показателей ведет к улучшению качества фольгированного стеклотекстолита. Из таблицы 3.2 видно, что все показатели СОНФ-У превосходят показатели СТЭФ, следовательно, можно обойтись без расчета с использованием комплексной оценки качества. В качестве материала для коммутационного основания будем использовать стеклотекстолит фольгированный СОНФ-У.

3.3 Выбор материала корпуса устройства

В разрабатываемом изделии используется готовый корпус.. На выбор были представлены два вида корпуса один из АВS - пластика, другой из полистирола общего назначения. Сравним эти два вида материалов. Проведем анализ табл. 3.3.

Таблица 3.3

№	Материал	Параметры материала
		Плотность , г/см3	Коэффициент теплопроводности , Вт/мС	Предел прочности на изгиб мПа	Стоимость С руб/кг
1	Полистирол общего назначения	1,08	0,14	90	15
2	ABS пластик	1,05	0,15	65	10

Плотность у АВS-пластика ниже чем у полистирола, следовательно он легче. Теплопроводность у ABS-пластика выше чем у полистирола общего назначения, что немало важно, т.к. разрабатываемом изделии охлаждение происходит естественным воздушным путем.

Предел прочности ниже, чем у другого материала, но на устройство не будут действовать значительные виброперегрузки, следовательно высокая прочность необязательна.

По стоимости АВS-пластик является самым дешевым видом материала. Анализируя вышеперечисленное остановим свой выбор на корпусе из ABS-пластика.

3.4 Проектирование печатной платы

Sprint-Layout (далее SL) - это простейшее, но весьма эффективное средство для проектирования односторонних и двухсторонних печатных плат. Эта программа содержит все необходимые функции (кроме автоматического разводчика) для создания топологии плат с максимальными размерами 300х300 мм. SL позволяет сохранять файлы в форматах Gerber и Excellon, которые являются стандартом обмена данными при производстве печатных плат.

SL оборудован инструментами для формирования контактных площадок различной формы (как для выводного, так и для поверхностного монтажа), проводников, полигонов, текста и т.д. Размеры элементов можно изменять в широком диапазоне.

Для каждой стороны печатной платы предусмотрены два слоя - слой проводников и слой маркировки. Слой паяльной маски создается автоматически. Также возможно автоматическое создание общей шины, тестирование сетей и т.д.

Встроенная автоматизированная (но к сожалению не автоматическая) трассировка поможет вам развести проводники.

Библиотека SL содержит ряд наиболее распространенных типоразмеров электронных компонентов. При желании эту библиотеку можно легко пополнить.

При создании новой платы прежде всего необходимо задать ее размеры.

В открывшемся окне можно задать Ширину - Width и Высоту - Height платы, а также ее Название - Name, которое будет отображаться на закладке. Размеры платы не могут быть больше, чем 300х300 мм.

Вы можете вернуться к диалогу в любой момент, если захотите изменить размеры или название платы.

В SL для каждой платы предусмотрено четыре слоя. Слои можно представить как прозрачные пленки, лежащие одна поверх другой. Для каждой стороны платы существует два слоя, один - слой проводников, в котором располагается непосредственно топология (контактные площадки и соединяющие их дорожки), и другой - слой маркировки (непроводящий), который используется для графического указания расположения электронных компонентов и различных служебных отметок.

Четыре слоя в SL - это:

- C1 (Copper 1) 1-я сторона платы - слой проводников

- S1 (Silk screen 1) 1-я сторона платы - слой маркировки

- C2 (Copper 2) 2-я сторона платы - слой проводников

- S2 (Silk screen 2) 2-я сторона платы - слой маркировки

SL предлагает все необходимые функции для создания топологии печатных плат.

На панели инструментов слева расположены кнопки, которые включают соответствующий режим добавления различных элементов топологии. Режим по умолчанию (указка) - это режим редактирования. Он используется для выбора, перемещения и трансформации объектов топологии.

Если в поле редактора нажать правую кнопку мыши, появится выпадающее меню, которое предлагает некоторые часто используемые функции.

SL содержит простую автоматизированную трассировку от точки к точке. Автотрассировка поможет проложить проводник между двумя точками, предварительно соединенными перемычками. Автотрассировка не может автоматически развести всю плату целиком. Чтобы правильно развести плату, вам придется искать пути самостоятельно.

Отсканированные платы или чертежи можно использовать как образец для воспроизведения топологии. Если такой рисунок доступен в формате BMP, его можно расположить на заднем плане редактора.

Убедитесь, что файл BMP монохромный (черно-белый). Если сканированный файл имеет другой формат, используйте графические редакторы для создания подходящего файла.

Для файла BMP рекомендуется разрешение 600 dpi. Более низкое разрешение снижает качество. Более высокое перегружает оперативную память без повышения качества.

3.5 Технология программирования микроконтроллера

Под микроконтроллером в общем случае понимают микропроцессорное устройство, способное выполнять ограниченный набор функций. Первым прототипом микроконтроллера считается разработанный в 1971 году сотрудниками Texas Instruments, запатентовавшими свое изобретение под названием «однокристальная микро-ЭВМ». Отличительной особенностью этого устройства является размещение непосредственно на кристалле не только вычислительного ядра, но и запоминающего устройства, хранящего инструкции и данные, устройства ввода-вывода, а также набор встроенных периферийных устройств. Первым по настоящему коммерчески успешным считается выпущенный в 1980 году фирмой Intel микроконтроллер i8051.

Наибольшее распространение микроконтроллеры получили во встроенных системах контроля у управления. Главной причиной популярности микроконтроллеров служит тот факт, что они являются практически полностью готовыми вычислительными устройствами, не требующими для своей работы дополнительного оборудования. Кроме того, возможность программировать работу микроконтроллера позволяет реализовывать достаточно сложные электронные устройства, в которых большая часть функционала (иногда до 90%) реализуется программно.

В настоящее время на рынке микроконтроллеров активно работают более 30 разработчиков и изготовителей. Производители предлагают широкий ассортимент микроконтроллеров, отличающихся как техническими характеристиками, так и перечнем встроенных периферийных устройств, благодаря чему разработчики имеют возможность подобрать микроконтроллер, который наиболее подходит для решения конкретной задачи.

Критериями для выбора микроконтроллеров чаще всего служат:

- Быстродействие.

- Габаритные размеры и тип корпуса.

- Энергопотребление, наличие энергосберегающего режима работы, необходимость охлаждения.

- Встроенные периферийные устройства, начиная от EEPROM-памяти и заканчивая LAN или LCD-контроллером.

- Надежность.

Еще одной важной характеристикой, влияющей как на практичность, так и на цену устройства, является способ программирования:

Перепрограммируемые микроконтроллеры с электрическим стиранием, являются самыми дорогими, но вместе с тем, и наиболее практичными устройствами для мелкосерийного и экспериментального производства.

Однократно-программируемые микроконтроллеры дешевле перепрограммируемых, однако, программирование возможно только один раз.

Масочно-программируемые микроконтроллеры - самый дешевый способ изготовления, но программирование осуществляется промышленным способом на заводе изготовителе, что делает возможным применение подобных микроконтроллеров только в крупносерийном производстве, при условии, что программа изменяться не будет.

В качестве сред и языков программирования были выбраны: среда разработки Arduino IDE с языком программирования С/С++ и среда графического программирования LabVIEW с LabVIEW Interface for Arduino Toolkit (LIFA).

Интегрированная среда разработки Arduino ? это кроссплатформенное приложение на Java, включающее в себя редактор кода, компилятор и модуль передачи прошивки в плату. Среда разработки основана на языке программирования Processing и спроектирована для программирования новичками, не знакомыми близко с разработкой программного обеспечения. Язык программирования ? это C++, дополненный некоторыми библиотеками. Программы обрабатываются с помощью препроцессора, а затем компилируется с помощью AVR-GCC. Программа, написанная в среде Arduino, называется скетч.

Среда графического программирования LabVIEW - инструмент, созданный на языке С/С++, включающий в себя компилятор, редактор блок схем и лицевой панели, набор драйверов и модулей для работы с различными видами устройств и приложений. Сочетание интуитивно понятного графического языка программирования, поддержки широкого набора устройств ввода/вывода и растущего сообщества пользователей, участвующих в развитии платформы LabVIEW, делает успешным создание принципиально новых приложений. Для загрузки программ и связи обе среды разработки подключаются к аппаратной части Arduino.

Для проведения сравнения решено реализовать систему не слишком сложную, но применимую в реальных системах управления и мониторинга.

Соответственно, созданная система должна принимать информацию по двум аналоговым портам и одному цифровому, обеспечивать перевод информации в нормированные значения, сравнивать с эталонными значениями и выдавать результат на LCD-дисплей, а также с цифрового порта на основной блок управления.

Перед тем как приступать к программированию, необходимо собрать аппаратную реализацию поставленной задачи, т.е. определить порты (pin) платы Arduino и подключить LCD-дисплей и датчики. Это означает, что необходимо изучить техническую документацию всех используемых устройств и найти назначение (разводку) контактов разъёмов.

Реализация программной части начинается всегда с создания алгоритма и определения основных блоков (подпрограмм, библиотек) программы. Очевидно, что для обеих сред разработки, в нашей задачи будут три программных элемента: отвечающий за подключение и работу LCD-дисплея, отвечающий за аналоговые и цифровые входы/выходы, и основная программа. Дабы не вдаваться в мельчайшие подробности программирования, для дальнейшего рассмотрения принято использовать только основные программы, разработанные в рассматриваемых средах программирования.

Касаемо программирования данного устройства в среде LabVIEW стоит отметить, что сразу же возникли проблемы, связанные с очень маленьким количеством информации, поэтому практически все приходилось делать практически с нуля. Программы и подпрограммы, созданные в среде LabVIEW, называются виртуальными приборами. Как правило, в LabVIEW существует огромный набор виртуальных приборов и примеров, однако по работе с Arduino их оказалось всего с десяток. Начинать разработку стоит с установки LIFA. Затем обязательно надо загрузить в Arduino IDE скетч "LIFA_Base.pde", который устанавливается вместе с LIFA, а затем прошивается аппаратная часть этой прошивкой. После проделанных операций вся работа продолжается в LabVIEW, там уже добавлены виртуальные приборы и примеры для работы c Arduino.