Процессор шифрования по методу Риветса

Размещено на http://www.allbest.ru

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ

«БРЕСТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра «ЭВМ и Системы»

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА К ДИПЛОМНОМУ ПРОЕКТУ

ПРОЦЕССОР ШИФРОВАНИЯ ПО МЕТОДУ РИВЕТСА

БрГТУ.007830.012 ПЗ

Заведующий кафедрой: С.С. Дереченник

Руководитель: В.И. Хведчук

Консультант по экономическому разделу: О.П. Белоглазова

Выполнил: Ю. М. Козич

Нормоконтроль: Г.М. Монич

Содержание

Введение

1. Системотехническое проектирование

1.1 Область применения и основные функции прибора

1.2 Разработка структурной схемы

2. Функциональное проектирование

2.1 Общая структура функционального проектирования

2.2 Блок микроконтроллера

2.3 Блок управления питанием

2.4 Блок индикации

2.5 Блок ввода информации

2.6 Блок DTMF-связи

3. Схемотехническое проектирование

4. Конструкторско-технологическое проектирование

4.1 Разработка конструкции контроллера

4.2 Разработка печатной платы

5. Разработка и отладка программного обеспечения

5.1 Разработка ПО и выбор языка программирования

5.2 Отладка программного обеспечения и проверка работы модуля

5.3 Основные функции программы

6. Расчет экономических показателей

6.1 Расчет затрат при разработке ПО

6.2 Краткая характеристика ПО и расчет затрат на его реализацию

7. Охрана труда и экологическая безопасность

8. Ресурсо- и энергосбережение

8.1 Ресурсосбережение и государственные требования к ресурсосбережению

8.2 Ресурсосбережение в радиоэлектронной промышленности

8.3 Государственное регулирование в области энергосбережения

8.4 Энергосбережение в радиоэлектронной промышленности

Заключение

Список использованных источников

Введение

Развитие информационных сетей предполагает в качестве непременного условия наличие высоконадежных скоростных систем передачи данных. Передача данных вне локальных сетей на расстояния, превышающие 1000 метров, обычно производится с использованием традиционной коммутируемой телефонной сети или посредством подключения абонентов к выделенным магистральным телефонным каналам и физическим линиям.

Телефонная связь - наиболее доступный, удобный и массовый вид электросвязи, позволяющая вести переговоры людям, находящимся друг от друга практически на любых расстояниях, с помощью сравнительно простых и дешевых систем передачи, реализующих этот вид связи. Именно поэтому современные телефонные сети значительно крупнее сетей других видов электросвязи.

Телефония позволяет устанавливать соединение, вести местные, внутризоновые, междугородние и международные телефонные переговоры, передавать факсы, устанавливать модемное соединение и другую различную информацию с помощью электрических сигналов, передаваемых в телефонную сеть общего пользования [1].

В связи с этим возникает проблема защиты информации при передаче информации в общую сеть. При этом информацию могут перехватить, подменить на заведомо ложную.

Темой данного дипломного проекта стала разработка портативного устройства для скрытой передачи данных в телефонную сеть. Целью является спроектировать простое малогабаритное устройство для скрытого ношения пользователем с резервным источником питания. Быстрого подключения к телефонной сети для последующей передачи информации. Использование надежного и быстрого алгоритма шифрования. Возможность исключения компьютера при передаче данных, при использовании малогабаритной клавиатуры ввода информации. Возможности индикации сообщений, кодов ошибок и быстрая отладка устройства.

В случае аварийного отключения питания следует обеспечить сохранность секретного ключа, используемого для шифрования данных. Также обеспечить защиту копирования секретного ключа посторонним пользователем.

1. Системотехническое проектирование

1.1 Область применения и основные функции прибора

Разрабатываемый прибор предназначен для передачи зашифрованных данных с помощью телефонной сети общего пользования.

Основные характеристики прибора:

- прием и передача данных от компьютера;

- прием и передача данных от малогабаритной клавиатуры без использования компьютера;

- индикация состояния устройства с помощью кода ошибки и отладка устройства;

- резервный источник питания;

- возможность быстрой смены секретного ключа;

- экономичную схему управления питанием и зарядкой аккумулятора.

1.2 Разработка структурной схемы

Структурная схема разрабатываемого контроллера может быть представлена как совокупность функциональных блоков, соединённых между собой. В структуре устройства выделяем следующие основные блоки:

- микроконтроллер;

- ISP;

- mini-USB;

- ключ режим «Отладка»;

- буферный элемент;

- DTMF-приемник;

- DTMF-передатчик;

- аккумулятор;

- схема защиты от обратного напряжения;

- схема стабилизации напряжения;

- разъем для подключения зарядного устройства (ЗУ);

- микросхема управления питанием;

- клавиатура 4Х4;

- индикатор кода ошибки.

Опишем назначение вышеперечисленных элементов для структурной схемы:

- микроконтроллер - предназначен для управления различными электронными устройствами и осуществления взаимодействия между ними в соответствии с заложенной в микроконтроллер программой;

- ISP - (от англ. In-System Programming - системное программирование) будет использоваться для программирования микроконтроллера;

- mini-USB - будет использоваться для связи с и прошивки микроконтроллера;

- ключ режим «Отладка» - предназначен для отладки устройства при отсутствии компьютера и телефонной линии;

- буферный элемент - это приемопередатчик от разъема USB - устройство, которое обеспечивает обмен данными между несколькими устройствами по одной двухпроводной линии связи. Микроконтроллер осуществляет связь с компьютером для передачи и приема данных от устройства, отладки;

- DTMF-приемник - (от англ. Dual Tone Multi Frequency - двухтональная мультичастотная посылка) осуществляет прием зашифрованных данных от телефонной сети;

- DTMF-передатчик - осуществляет передачу зашифрованных данных в телефонную сеть;

- аккумулятор - предназначен для резервного питания устройства;

- схема защиты от обратного напряжения - представляет собой электронную защиту при ошибочном подключении аккумулятора, ЗУ, mini-USB;

- схема стабилизации напряжения - экономичный преобразователь напряжения, необходимый для нормальной работы микросхем;

- разъем для подключения ЗУ - осуществляет питание устройства и зарядку аккумулятора;

- микросхема управления питанием - осуществляет «умное» управление питанием, выбор необходимых источников питания, обеспечение безопасной зарядки аккумулятора и индикацию текущего состояния питания;

- клавиатура 4Х4 - предназначена для ввода информации в устройство при отсутствии компьютера;

- индикатор кода ошибки - индикация текущего состояние устройства.

Устройство, именуемое процессор шифрования по методу Риветса, будет включаться при подаче питания. Питание происходит от резервного источника питания (аккумулятор), отдельного блока питания или от USB компьютера. При этом используется пониженное энергопотребление и режимы экономии электроэнергии, что позволяет увеличить сроки автономной работы устройства. При начальной загрузке микроконтроллера программа тестирует на замыкание ключа режим «Отладка». При замкнутом ключе далее программа определяет, замкнут ли передатчик и приемник DTMF-сигналов для запуска процесса диагностики.

Схема электрическая структурная изображена на чертеже БрГТУ.007830.012 Э1.

2. Функциональное проектирование

2.1 Общая структура функционального проектирования

При проектировании устройства процессора шифрования по методу Риветса разделим структурную схему на следующие функциональные блоки:

- блок микроконтроллера;

- блок управления питанием;

- блок индикации;

- блок ввода информации;

- блок DTMF-связи.

2.2 Блок микроконтроллера

Главным элементом системы является микроконтроллер. Сформируем следующие требования к нему:

- должен быть малогабаритным;

- обеспечивать достаточную высокую производительность при шифровании-дешифровании сообщений пользователя;

- иметь режимы пониженного энергопотребления;

- наличие встроенного аналого-цифрового преобразователя (АЦП) для анализа состояния аккумулятора;

- интерфейс для обмена с компьютером;

- интерфейс для перепрограммирования;

- обеспечить режим отладки.

Для приема-передачи данных или команд от компьютера будет использоваться интерфейс USB - последовательный интерфейс передачи данных для среднескоростных и низкоскоростных периферийных устройств в вычислительной технике.

Для подключения периферийных устройств к шине USB используется четырёхпроводной кабель, при этом два провода (витая пара) в дифференциальном включении используются для приёма и передачи данных, а два провода - для питания периферийного устройства. Благодаря встроенным линиям питания USB позволяет подключать периферийные устройства без собственного источника питания.

Также необходимо обеспечить программирование устройства без применения внешнего программатора, который будет выполнять следующие функции:

- смена прошивки;

- смена ключа шифрования, хранящегося в энергонезависимой памяти;

- обеспечивать обмен командами и информацией для отладки устройства с помощью компьютера.

Программирование USB-интерфейса является сложным техническим решением для разработчика программы для микроконтроллера. Поэтому рациональнее применить преобразователь «USB-USART» (USART - универсальный синхронно-асинхронный приемо-передатчик) и эмулировать работу USB с помощью компьютера.

Наличие кварца позволит обеспечить синхронизацию данных с компьютером, а конденсаторы установят более точную подстройку частоты.

Для перепрограммирования микроконтроллера будет использоваться внутрисхемное программирование (ISP) - технология программирования электронных компонентов, позволяющая программировать компонент, уже установленный в устройство.

Главным преимуществом технологии является возможность объединения процесса программирования и тестирования, исключив отдельную фазу программирования компонентов перед окончательной сборкой. Технология также позволяет обойтись без закупки заранее запрограммированных компонентов, выполняя программирование прямо в процессе производства. Это позволяет вносить изменения в программируемую часть.

Для аппаратного вхождения в режим отладки замыкается механический ключ «Debug», соединяющий линии микроконтроллера «TxD» и «RxD». В результате получим функциональный блок, который представлен на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 - Функциональный блок микроконтроллера

2.3 Блок управления питанием

Для питания устройства будут использоваться три источника:

- аккумулятор от мобильного телефона, т.к. он уже имеет встроенную защиту от короткого замыкания и вывод для контроля температуры на аккумуляторной батарее;

- разъем для подключения независимого источника питания, используемый для зарядки аккумуляторной батареи;

- интерфейс USB используемый для питания буферной микросхемы и зарядки аккумулятора при отсутствии зарядного устройства.

Для обеспечения согласованной работы источников питания будем использовать специальную регулирующую микросхему, которая обеспечит:

- защиту от смены полярности источников питания;

- безопасный зарядный ток для аккумулятора;

- индикацию состояния режимов зарядки аккумуляторной батареи с помощью светодиодов VD1 и VD2, их режимы состояния представлены в таблице 2.1;

- контроль температуры батареи;

Таблица 2.1 - Режимы заряда аккумулятора

VD1	VD2	Описание состояния
OFF	OFF	Отсутствует зарядное напряжение
ON	OFF	Состояние зарядки
OFF	ON	Зарядка завершена
ON	ON	Плохая батарея

Для продления сроков автономной работы применим экономичный импульсный стабилизатор напряжения.

Для защиты от смены полярности на аккумуляторе применим также специальную защитную микросхему.

Для контроля емкости и защиты от глубокого разряда используем делитель напряжения и встроенный АЦП микроконтроллера, схема соединений представлена на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 - Функциональный блок микроконтроллера

2.4 Блок индикации

Для экономии портов микроконтроллера применим регистр, который позволит вместо восьми выводов микроконтроллера использовать только три. Для индикации состояния устройства используем малогабаритный семисегментый индикатор. Функциональный блок индикации представлен на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3 - Функциональный блок индикации

2.5 Блок ввода информации

Для ввода информации и передачи команд используется малогабаритная клавиатура с шестнадцатью клавишами. Схема соединений клавиатуры представлена на рисунке 2.4.

Рисунок 2.4 - Функциональный блок ввода информации

2.6 Блок DTMF-связи

Для передачи зашифрованной другому абоненту будем использовать DTMF-связь.

Двухтональный многочастотный аналоговый сигнал, будем использовать для набора телефонного номера и приема-передачи зашифрованных сообщений. По используемой полосе частот сигнал соответствует телефонии [1].

Частоты представляемые DTMF-сигнал представлены в таблице 2.2.

Таблица 2.2 - Частоты представляемые DTMF-сигнал

1	2	3	A	697 Гц
4	5	6	B	770 Гц
7	8	9	C	852 Гц
*	0	#	D	941 Гц
1209 Гц	1336 Гц	1477 Гц	1633 Гц

Для кодирования символа в DTMF сигнал необходимо сложить два синусоидальных сигнала. Частоты синусоид берутся по таблице (см. таблицу 2.2) из столбца и строки, соответствующих передаваемому символу. Для экономии кода и сокращения сроков разработки программного обеспечения для микроконтроллера применим специализированные микросхемы, формирующие и принимающие DTMF-сигналы.

Наличие кварца и конденсаторов обеспечат необходимую частоту для передачи информации и согласованную обработку информации при отладке устройства в отсутствии компьютера и телефонной линии. Функциональный блок DTMF-связи представлен на рисунке 2.5.



Рисунок 2.5 - Функциональный блок DTMF-связи

3. Схемотехническое проектирование

Выберем простой малогабаритный микроконтроллер ATmega8L, который будет передавать и принимать шифруемые данные. Условно-графическое обозначение (УГО) микроконтроллера представлено на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 - УГО Atmega8L

Отличительные особенности:

- 8-разрядный высокопроизводительный AVR микроконтроллер с малым энергопотреблением;

- 8 кБайт внутрисистемно программируемой flash-памяти, которая обеспечивает 1000 циклов стирания-записи;

- 512 байт EEPROM, которая обеспечивает 100000 циклов стирания-записи;

- 8-канальный аналого-цифровой преобразователь, шесть каналов с 10-разрядной точностью, два канала с 8-разрядной точностью;

- программируемый USART;

- пять режимов пониженного потребления: «Idle», «Power-save», «Power-down», «Standby»;

- снижения шумов АЦП;

- рабочие напряжения от 2,7 до 5,5 В, при рабочей частоте от 0 до 8 МГц [2].

Преобразователь USB-UART FT232R, у которого стал доступен «bit-bang» режим, не через виртуальный COM-порт, а напрямую через драйвер FTDI. УГО представлено на рисунке 3.2. Для согласованной работы виртуального COM-порта и микроконтроллерной системы выберем частоту кварца 7,3728 МГц при частоте 115200 бод [3].

Рисунок 3.2 - УГО FT232R

В результате схема соединений микросхем Atmega8L и FT232R представлена на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 - Схема соединений микросхем Atmega8L и FT232R

При проектировании системы электропитания в качестве резервного источника питания выбрали литиево-ионный аккумулятор - Nokia BL-6P 6500, с емкостью 850 мA\ч. Напряжение питания такого аккумулятора составляет 3,7 В.

Для обеспечения необходимого тока заряда аккумулятора применим специализированную микросхему LM3658.

LM3658 - однокристальная интегральная схема зарядного устройства для портативных приложений. Микросхема способна безопасно выполнять зарядку и поддерживать одну ячейку литиево-ионной или литиево-полимерной батареи при питании от сетевого адаптера или шины USB. Выбор источника питания USB-сеть осуществляется автоматически. При наличии обеих источников питания приоритет отдается сетевому источнику. При питании от сетевого адаптера зарядный ток программируется с помощью внешнего резистора в диапазоне от 50 до 1000 мА.

Токозадающий резистор для аккумулятора выбираем согласно техническому описанию микросхемы, т.к. аккумулятор с номинальной емкостью 850 мА/ч, то сопротивление резистора будет равно 3,3 кОм.

При заряде батареи от шины USB предельный зарядный ток выбирается с помощью специального входа и составляет 100 мА или 500 мА. Напряжение окончания заряда контролируется с точностью от -0,35% до +0,35% при 4,2 В.

LM3658 требует несколько внешних компонентов и интегрирует силовые полевые транзисторы, схему защиты от противотока и схему контроля тока, цепи защиты от нарушения полярности при подключении. Встроенные силовые полевые транзисторы имеют термостабилизацию для поддержания более эффективной скорости заряда при заданных температурных условиях.

LM3658 работает в пяти режимах: режим предварительного заряда, режим заряда постоянным током, режим заряда постоянным напряжением, режим буферного заряда «top-off» и режим поддержания. Оптимальное управление батареей обеспечивается функциями термостабилизации, контроля температуры батареи и несколькими защитными таймерами. LM3658 содержит два выхода с открытым стоком для индикации состояния на светодиодах или подключения к портам ввода-вывода.[4]

Для индикации первого состояния (STAT1) используем состояний заряда (светодиод АЛ307КМ красного цвета) рассчитаем сопротивление по формуле 3.1:

(3.1)

где U - напряжение в цепи, В; U_пр - падение напряжение на светодиоде, В; I_пр - прямой ток потребляемый светодиодом, А; K_зап - коэффициент запаса, равный 1,3.

Для индикации второго состояния (STAT2) используем состояний заряда (светодиод АЛ307ВМ зеленого цвета) рассчитаем сопротивление по формуле 3.2:

(3.2)

Отличительные особенности:

- встроенный силовой полевой транзистор с термостабилизацией;

- возможность питания зарядного устройства от сетевого адаптера или от шины USB с автоматическим выбором источника;

- диапазон зарядного тока от 50 до 1000 мА при питании от сетевого адаптера;

- вход выбора зарядного тока при питании от шины USB (100 мА или 500 мА) и непрерывный контроль температуры батареи;

- несколько встроенных защитных таймеров;

- индикация состояния заряда;

- непрерывная защита от токовой перегрузки и перегрева;

- предварительный заряд глубоко разряженной батареи;

- режим сна со сверхмалым потребляемым током;

- режим поддержания с автоматическим перезарядом;

- корпус LLP (3 мм x 3 мм) с улучшенным теплорассеиванием.

УГО микросхемы LM3658 представлено на рисунке 3.4. Назначение выводов в таблице 3.1.

Рисунок 3.4 - УГО микросхемы LM3658

Таблица 3.1 - Назначение выводов микросхемы LM3658

Номер вывода	Наименование вывода	Описание
1	GHG_IN	Вход блока переменного питания
2	USBpwr	Вход питания от USB
3	GND	Земля
4	USB_sel	Подтягивающий вывод с наличием низкого уровня включает зарядку от USB с зарядным током 100 мА, с высоким - током 500 мА.
5	EN_b	Подтягивающий вывод с наличием низкого уровня включает зарядку, с высоким - выключает.
6	STAT2	Этот вывод способен управлять светодиодом.
7	STAT1	Этот вывод способен управлять светодиодом.
8	ISET	Резистор подключается между выводом и землей. Номинал резистора определяется из используемого источника питания.
9	TS	Вывод для контроля температуры аккумулятора. Этот вывод должен быть подключен к зажиму аккумулятора.
10	BATT	Вывод для подключения аккумулятора.

Для защиты схемы питания от смены полярности на аккумуляторе используем микросхему защиты, которая представляет собой полевой транзистор IRF7401, конструктивно в виде микросхемы. УГО микросхемы защиты представлено на рисунке 3.5, назначение выводов в таблице 3.2.

Рисунок 3.5 - УГО микросхемы IRF7401

Таблица 3.2 - Назначение выводов микросхемы IRF7401

Номер вывода	Наименование вывода	Описание
1,2,3	S	Исток
4	G	Сток
5,6,7,8	D	Затвор

Схема включения защиты изображена и микросхемы LM3658 на рисунке 3.6.

Для оценки состояния емкости аккумулятора используем встроенный АЦП микроконтроллера. Защиты входа микроконтроллера обеспечивается внутренними диодами, ток через которые ограничиваются резистором R4 равным 100 кОм и резистором R5 равным 10 кОм на уровне от 1 до 2 мА при всплесках напряжения входного сигнала от -20 до +25 В.

При проектировании импульсного стабилизатора напряжения следует обратить особое внимание на его габариты, т.к. индуктивность и выходной полярный конденсатор могут иметь большие размеры. Таким образом, необходимо построить стабилизатор в предельно-допустимых параметрах стабильности выходного напряжения и тока.

Для этого следует оценить общее энергопотребление схемы, которое составляет порядка 50 мА в активном режиме. Напряжение на батарее 3,7 В, требуемое выходное напряжение 5 В, значит импульсный стабилизатор должен быть повышающим, с допустимым уровнем пульсаций не более 100 мВ.

Применим регулятор на широко распространённой микросхеме MC34063 [5]. Схема включения представлена на рисунке 3.7.

Рисунок 3.6 - Схема подключения делителя напряжения для встроенного АЦП

Рисунок 3.7 - Схема включения импульсного стабилизатора MC34063

Для того чтобы уменьшить количество используемых портов микроконтроллера, применим сдвиговый регистр 74HC595. УГО микросхемы представлено на рисунке 3.8, назначение выводов в таблице 3.3.



Рисунок 3.8 - УГО сдвигового регистра 74HC595

Таблица 3.3 - Назначение выводов микросхемы 74HC595

Номер вывода	Наименование вывода	Описание
15, 1-7	от Q0 до Q7	Выходы, которыми будем управлять. Могут находиться в трёх состояниях: логическая единица, логический ноль и высокоомное «Hi-Z» состояние.
9	Q7?	Выход, предназначенный для последовательного соединения регистров.
10	\MR	Сброс регистра.
11	SH_CP	Вход для тактовых импульсов
12	ST_CP	Вход «защёлкивающий» данные.
13	\OE	Вход переводящий выходы из «HI-Z» в рабочее состояние.
14	DS	Вход данных

Для индикации кодов ошибок используем семисегментный индикатор с общим анодом SR GNS 2811 BE и номинальным током 20 мА, рассчитаем сопротивление от R1 до R8 по формуле 3.3:

(3.3)

Схема отображения кода ошибки изображена на рисунке 3.9.



Рисунок 3.9 - Схема отображения кода ошибки

Когда на тактовом входе «SH_CP» появляется логическая единица, регистр считывает бит с входа данных «DS» и записывает его в самый младший разряд. При поступлении на тактовый вход следующего импульса, всё повторяется, только бит, записанный ранее, сдвигается на один разряд, а его место занимает вновь пришедший бит. Когда все восемь бит заполнились и приходит девятый тактовый импульс, то регистр снова начинает заполняться с младшего разряда и всё повторятся вновь. Что бы данные появились на выходах от Q0 до Q7 нужно их «защёлкнуть». Для этого необходимо подать логическую единицу на вход «ST_CP». Чтобы не пытались сделать с регистром, данные на выходах не изменятся пока мы вновь не «защёлкнем» их. Отсюда и название «регистр-защёлка». Когда на входе OE логическая единица, то выходы находятся в высокоомном состоянии. Когда подаем на этот вход логический нуль, тогда выходы работают в нормальном режиме. Вывод «\MR» - сбрасывает регистр, устанавливая все выходы от Q0 до Q7 в состояние логического нуля. Для осуществления сброса нужно подать логический нуль на этот вход. После этого «защёлкнуть» данные. В нормальном состоянии на этом выводе должна находиться логическая единица. Вывод «Q7?» предназначен для последовательного соединения сдвиговых регистров.

Опишем работу клавиатуры. Линии сканирующего порта-столбца (COLUMN) по умолчанию находятся состоянии, когда на всех линиях, кроме одной, установлен высокий логический уровень. Линия, на которой установлен низкий логический уровень, является опрашиваемой в текущий момент, т.е. определяет опрашиваемый столбец. Если какая либо кнопка этого столбца будет нажата, на соответствующей линии считывающего порта-строке (LINE) также будет низкий логический уровень. Замкнутая кнопка подтянет строку к потенциалу столбца, т.е. к земле. Зная номер опрашиваемого столбца и номера линий считывающего порта, на которых установлен логический ноль, можно однозначно определить, какие кнопки этого столбца нажаты.

Далее выбирается следующий опрашиваемый столбец путем установки логического нуля на соответствующей линии сканирующего порта и со считывающего порта снова снимаются данные. Цикл сканирования будет продолжаться до тех пор, пока не будут перебраны таким образом все сканирующие линии.

Для случая, когда одновременно нажато несколько кнопок одного столбца все понятно. Будет установлено в логический ноль несколько битов считывающего порта одновременно. Если будут замкнуты контакты нескольких кнопок из разных столбцов одной строки, на этой строке могут оказаться разные напряжения, т.к. на всех столбцах, кроме одного, логическая единица. Одновременное нажатие двух кнопок в одной строке привело бы к короткому замыканию и выжженным портам, если бы не диоды VD1-VD4. Именно они защищают порты от короткого замыкания. Используемый микроконтроллер использует в своем составе подтягивающие резисторы при подключении клавиатуры. Схема подключения клавиатуры представлена на рисунке 3.10.

Микросхема IL9200AD (микросхема DD1) - генератор DTMF сигналов. Предназначена для формирования стандартных DTMF сигналов, используемых для частотного кодирования набираемого номера. Используется в телекоммуникационных системах, изделиях бытовой электроники. Выполняемая функция - формирование стандартных DTMF сигналов и составляющих их частот [7].

Описание работы микросхемы.

Для формирования DTMF сигналов, соответствующих подаваемому коду, на вход последовательных данных DATA подают 5-битовый цифровой код и синхросигнал на вход CLK.

Временная диаграмма работы микросхемы приведена на рисунке 3.11.

Рисунок 3.10 - Схема подключения клавиатуры к микроконтроллеру

Рисунок 3.11 - Временная диаграмма работы микросхемы

5-битовые коды данных, подаваемые на микросхему, соответствующие этим кодам DTMF-сигналы, а также подаваемые коды и частоты.

На выходах Q1-Q4 микросхемы IL9270 (микросхема DD2) формируется код, соответствующий входному DTMF-сигналу, который формирует микросхема IL9200A. Коды, подаваемые на микросхему IL9200A, и выходные коды микросхемы IL9270 должны совпадать.[8] Пример применения микросхем в режиме отладка (при замкнутом ключе SB1) приведен на рисунке 3.12.

Рисунок 3.12- Пример применения микросхем в режиме отладка

Принципиальная схема процессора шифрования по методу Риветса изображена на чертеже БрГТУ.007830.012 Э3.

4. Конструкторско-технологическое проектирование

4.1 Разработка конструкции контроллера

процессор шифрование риветс контроллер

На этапе конструкторско-технологического проектирования необходимо, согласно заданию, произвести разработку печатной платы, определить материал для изготовления печатной платы, технологию изготовления печатной платы, её размеры.

Конструирование представляет собой сложный комплекс взаимосвязанных работ, при выполнении которых необходимы учет разносторонних требований к конструкции устройства, знание современной технологии, схемотехники, теории надежности и других теоретических и прикладных дисциплин. От успешного решения задач конструирования зависят такие характеристики, как надежность, объем, вес, технологичность, удобство эксплуатации. Качество разработанной конструкции определяется степенью соответствия ее техническим требованиям. Неудачные конструкторские решения могут привести, например, к невозможности обеспечения работоспособности компьютера из-за несоблюдения теплового режима или к значительному снижению быстродействия.

Технология производства является совокупностью производственных процессов и документов для изготовления изделия, а также научное описание способов производства (способы изменения формы, размеров, физических и химических свойств, структуры и состава исходного материала). Также технология производства определяет все ресурсы, затраченные на производство изделия (временные, материальные и др.).

Основными задачами при разработке конструкции являются:

- обеспечение надёжности эксплуатации;

- обеспечение удобства использования;

- обеспечение герметичности и стойкости к агрессивным средам;

- обеспечение широкого температурного диапазона работы.

Таким образом, для обеспечения надёжности, удобства и широкого температурного диапазона необходимо выбрать материал для разрабатываемого устройства. В качестве корпуса для охранной сигнализации хорошо подойдёт полый параллелепипед из 2 мм металла. Перфорированный корпус обеспечит требуемый тепловой режим системы.

Наличие корпуса у разрабатываемого устройства обеспечит надёжность эксплуатации, удобство и безопасность в использовании.

4.2 Разработка печатной платы

Исходными данными к разработке топологии печатных плат являются схемы электрические принципиальные, установочные размеры радиоэлементов узла и рекомендации по разработке монтажа для выбранной серии микросхем.

Печатные платы предназначены для электрического соединения элементов схемы между собой и в общем случае представляют вырезанный по размеру материал основания, содержащий необходимые отверстия и проводящий рисунок, который может быть выполнен как на поверхности, так и в объеме основания.

Печатные платы классифицируются по нескольким параметрам:

- по числу проводящих слоев (одно-, двух- и многослойные);

- по плотности проводников (свободные - ширина проводников и расстояние между ними 0,5 мм, уплотненные - 2,5 мм);

- по виду материала основы (органический диэлектрик - текстолит, керамические материалы или на основе металлов);

- по способу изготовления (химическое травление, электрохимическое осаждение);

- по способу нанесения проводников (обработка фольгированных диэлектриков, нанесение тонких токопроводящих слоев).

Многослойные печатные платы (МПП) обеспечивают значительно большую плотность размещения печатных проводников, что приводит к уменьшению массы и габаритов готового изделия. То же самое относится и к уплотненным печатным платам.

Широкое распространение получают МПП на керамической основе. По сравнению с органическими диэлектриками керамика позволяет улучшить теплоотвод, повысить плотность компоновки микросхем (особенно с использованием микрокорпусов). Недостатки: большая масса, небольшие наибольшие линейные размеры (ограничены технологией - 150х150 мм).

Характеристики готовой печатной платы зависят от конкретного сочетания исходных материалов, а также от технологии, включающей и механическую обработку плат.

При разработке конструкции печатных плат решаются следующие задачи:

- схемотехнические - трассировка печатных проводников, минимизация количества слоев;

- радиотехнические - расчет паразитных наводок, параметров линий связи;

- теплотехнические - температурный режим работы печатной платы, теплоотвод;

- конструктивные - размещение элементов на печатной плате, контактирование;

- технологические - выбор метода изготовления, защита.

Все эти задачи взаимосвязаны между собой. Например, от метода изготовления зависят точность размеров проводников и их электрические характеристики, а от расположения печатных проводников - степень влияния их друг на друга и т.д.

Высокая сложность современных схем приводит к необходимости автоматизации задач размещения, трассировки, расчета тепловых режимов, электромагнитного взаимодействия компонентов на печатной плате.

По существу, задача размещения и трассировки сводится к перебору (полному или частичному) возможных вариантов размещения соединяемых элементов и нахождения оптимального. Критерием оптимальности является минимальная сумма длин всех размещаемых на плате печатных проводников (либо более сложные целевые функции).

Разрабатываемые печатные платы должна иметь достаточно малые габариты, это определяется стремлением сделать устройство малогабаритным.

Применяемые детали - элементы в SMD корпусе, что позволило упростить монтаж деталей.

Печатные проводники, расположенные на разных слоях печатной платы желательно располагать перпендикулярно друг другу либо под углом, так как параллельное размещение проводников на разных слоях приведёт к повышению паразитных емкостей между ними, что может сказаться на работе устройства. Однако, не исключено, что на разных слоях платы проводники могут располагаться параллельно, в таком случае, необходимо их разносить на некоторые расстояния друг от друга, либо уменьшать участки, где проводники идут параллельно. Следует учитывать, что, к примеру, параллельное расположение какого либо сигнального печатного проводника и общего печатного проводника на плате не будет давать отрицательного результата, однако взаимное параллельное расположение сигнальных печатных проводников может сильно сказаться на качестве устройства.

Устанавливаемые элементы имеют достаточно малые геометрические размеры и расстояния между выводами. Печатная плата процессора шифрования по методу Риветса согласно ГОСТ 23.751-86 имеют второй класс точности[9].

Второй класс точности изготовления печатных плат имеет следующие характеристики:

- минимальная ширина печатного проводника: 0,45 мм;

- минимальное расстояние между краями соседних элементов разрабатываемого рисунка: 0,45 мм;

- минимальная гарантированная ширина пояска вокруг отверстия: 0,2 мм;

- отношение номинального значения диаметра наименьшего из отверстий, к толщине печатной платы: 0,4 мм.

Печатные платы второго класса - наиболее распространенные в радиолюбительской практике, они наиболее удобны для монтажа габаритных элементов, не требуется специализированное оборудование.

Разводку печатной платы произведем при помощи системы автоматического проектирования (САПР) Proteus. Система Proteus, предназначенная для автоматизированного проектирования, моделирования и разводки печатных плат (ПП). Широкое распространение объясняется достаточно мощными и качественными графическими редакторами этих САПР, русификацией программных модулей системы, значительными наработками библиотек электронных компонентов, наличием эксплуатационных руководств на русском языке и разработанных программ-постпроцессоров для применяемого технологического оборудования.

Система Proteus выполняет полный цикл проектирования печатных плат:

- графический ввод электрических схем;

- упаковку схемы на печатную плату;

- интерактивное размещение компонентов;

- ручную, интерактивную и (или) автоматическую трассировку проводников;

- контроль ошибок в схеме и печатной плате.

В Proteus используются принципы, отличающие ее от других пакетов для компьютера. В частности, имеется возможность доступа ко всем элементам на более низких уровнях иерархии, например, при работе с печатной платой имеется возможность изменить расположение выводов и графику контактных площадок корпусов компонентов. В редакторе PCB существуют режимы ручной и интерактивной (полуавтоматической) трассировки проводников.

Количество элементов и схема электрическая принципиальная обуславливает выбор двухсторонней печатной платы. Так как слои будут соединены между собой при помощи металлизированных отверстий, то плата должна быть изготовлена химическим методом.

Материал печатной платы выберем согласно ГОСТ 10316-78 c учётом требований к жёсткости и стойкости при нагреве[10]. Таким образом, был выбран стеклотекстолит марки Ф-2-35-1,5, представляющий собой стеклотекстолит фольгированный двухсторонний, нагревостойкий, с толщиной фольги 35 мкм и толщиной платы 1,5 мм.

Рисунок печатной платы процессора шифрования по методу Риветса изображен на чертеже БрГТУ.007830.012.

5. Разработка и отладка программного обеспечения

5.1 Разработка ПО и выбор языка программирования

Целью разработки является разработка программного обеспечения (ПО) для процессора шифрования по методу Риветса, в дальнейшем просто микроконтроллер.

Для микроконтроллеров AVR существуют различные языки программирования, но, пожалуй, наиболее подходящими являются ассемблер и Си, поскольку в этих языках в наилучшей степени реализованы все необходимые возможности по управлению аппаратными средствами микроконтроллеров.

Ассемблер - это низкоуровневый язык программирования, использующий непосредственный набор инструкций микроконтроллера. Создание программы на этом языке требует хорошего знания системы команд программируемого чипа и достаточного времени на разработку программы. Ассемблер проигрывает Си в скорости и удобстве разработки программ, но имеет заметные преимущества в размере конечного исполняемого кода, а соответственно, и скорости его выполнения.

Си позволяет создавать программы с большим комфортом, предоставляя разработчику все преимущества языка высокого уровня.

Следует отметить, что архитектура и система команд AVR создавалась при непосредственном участии разработчиков компилятора языка Си и в ней учтены особенности этого языка. Компиляция исходных текстов, написанных на Си, осуществляется быстро и дает компактный, эффективный код.

Основные преимущества Си перед ассемблером: высокая скорость разработки программ; универсальность, не требующая досконального изучения архитектуры микроконтроллера; лучшая документируемость и читаемость алгоритма; наличие библиотек функций; поддержка вычислений с плавающей точкой.

В языке Си гармонично сочетаются возможности программирования низкого уровня со свойствами языка высокого уровня. Возможность низкоуровневого программирования позволяет легко оперировать непосредственно аппаратными средствами, а свойства языка высокого уровня позволяют создавать легко читаемый и модифицируемый программный код. Кроме того, практически все компиляторы Си имеют возможность использовать ассемблерные вставки для написания критичных по времени выполнения и занимаемым ресурсам участков программы.

Одним словом, Си - наиболее удобный язык как для начинающих знакомиться с микроконтроллерами AVR, так и для серьезных разработчиков. Чтобы преобразовать исходный текст программы в файл прошивки микроконтроллера, применяют компиляторы.

Для разработки ПО микроконтроллера выбираем среду CodeVisionAVR 2.05.0.

Используемые клавиши ввода и их назначения представлены в таблице 5.1

Таблица 5.1 - Используемые клавиши ввода и их назначения

Клавиша	Назначение
Цифры от 0 до 9	Передача сообщения, выбор режима отладки.
Прием	Запрос на прием данных
Передача	Запрос на передачу данных
Подтверждение	Подтверждение запроса команды от другого пользователя
Отмена	Отказ в запросе команды от другого пользователя
Вызов	Вызов запрошенного пользователя
Конец связи	Завершение связи с соединенным абонентом

Для отображения кодов ошибок и режимов работы используется семи сегментный индикатор. Используемые коды ошибок в микроконтроллерной системе представлены в таблице 5.2.

Таблица 5.2 - Коды ошибок

Код ошибки	Описание
	Запуск микроконтроллерной системы
	Выбрали режим тестирование
	Абонент прервал передачу данных
	Прием данных
	Вы прервали отправку данных
	Отправка данных
	Не работает DTMF-связь
	Не работает USART.
	Индикация уровня заряда на аккумуляторе от единицы до девяти. При отображении единицы индикатор начинает мигать и через пару секунд переходит в режим пониженного энергопотребления, система перестает реагировать на внешние события до восстановления уровня заряда на аккумуляторе.

Программная часть. RC5 (Ron's Code 5) - это блочный шифр, разработанный Роном Ривестом из компании RSA Security Inc. с переменным количеством раундов, длиной блока и длиной ключа. Это расширяет сферу использования и упрощает переход на более сильный вариант алгоритма.

Описание. Существует несколько различных вариантов алгоритма, в которых преобразования в «пол-раундах» классического RC5 несколько изменены.

В классическом алгоритме используются три примитивных операции и их инверсии:

- сложение по модулю 2^w;

- побитовое исключающее «ИЛИ» (XOR);

- операции циклического сдвига на переменное число бит (X<<<Y).

Основным нововведением является использование операции сдвига на переменное число бит, не использовавшиеся в более ранних алгоритмах шифрования.

Эти операции одинаково быстро выполняются на большинстве процессоров, но в то же время значительно усложняют дифференциальный и линейный криптоанализ алгоритма.

Шифрование по алгоритму RC5 состоит из двух этапов. Процедура расширения ключа и непосредственно шифрование. Для расшифровки выполняется сначала процедура расширения ключа, а затем операции, обратные процедуре шифрования.

Параметры. Алгоритм RC5 имеет переменные параметры, то для спецификации алгоритма с конкретными параметрами принято обозначение «RC5-W/R/b», где:

- W - половина длины блока в битах, возможные значения 16, 32 и 64. Для эффективной реализации величину W рекомендуют брать равным машинному слову. Для нашего случая, для 32-битных платформ оптимальным будет выбор W=32, что соответствует размеру блока 64 бита;

- R - число раундов, возможные значения от 0 до 255. Увеличение числа раундов обеспечивает увеличение уровня безопасности шифра. Так, при R=0 информация шифроваться не будет. Также алгоритм RC5 использует таблицу расширенных ключей размера 2(R + 1) слов, которая получается из ключа заданного пользователем;

- b - длина ключа в байтах, возможные значения от 0 до 255.

Расширение ключа. Перед непосредственно шифрованием или расшифровкой данных выполняется процедура расширения ключа. Процедура генерации ключа состоит из четырех этапов:

- генерация констант;

- разбиение ключа на слова;

- построение таблицы расширенных ключей;

- перемешивание.

Генерация констант. Для заданного параметра W по формуле 5.1 и 5.2 генерируются две псевдослучайные величины используя две математические константы: e (экспонента) и f (Золотое сечение).

, (5.1)

. (5.2)

где Odd() - это округление до ближайшего нечетного целого.

Для w = 16,32,64 получатся константы по формулам 5.3-5.8:

(5.3)

(5.4)

(5.5)

(5.6)

(5.7)

(5.8)

Разбиение ключа на слова. На этом этапе происходит копирование ключа в массив слов [L0…Lc - 1].

Определим количество байт в слове по формуле 5.9:

, (5.9)

где W - слово.

Если «c» не кратен «W / 8», то «Li» дополняется нулевыми битами до ближайшего большего размера «c», кратного «W / 8». В случае если b = c = 0, то мы устанавливаем значение c = 1, а L0 = 0.

Построение таблицы расширенных ключей. На этом этапе происходит построение таблицы расширенных ключей , которая выполняется по формулам 5.10 и 5.11:

S₀ = Pw (5.10)

S_{i + 1} = S_i + Q_w (5.11)

Перемешивание. Циклически N раз выполняются по формулам 5.12-5.15:

(5.12)

(5.13)

(5.14)

, (5.15)

где G,H,i,j - временные переменные, начальные значения которых равны нулю. Количество итераций цикла N - это максимальное из двух значений «3 * c» и .

Шифрование. Перед первым раундом выполняются операции наложения расширенного ключа на шифруемые данные по формулам 5.15 и 5.16:

(5.15)

(5.16)

В каждом раунде выполняются действия по формулам 5.17 и 5.18:

(5.17)

(5.18)

Расшифровка. Для расшифровки выполняются обратные операции, т.е. в каждом раунде выполняются операции по формулам 5.19 и 5.20:

(5.19)

(5.20)

Алгоритм RC5 обладает следующими свойствами:

- пригодный как для аппаратной, так и для программной реализации (алгоритм использует операции, выполняющиеся одинаково быстро на всех процессорах);

- каждый раунд обрабатывает весь блок целиком (типичный раунд сети Фейстеля обрабатывает только «подблок»);

- одинаково хорош для машин с разной длиной машинного слова (т.е. работает также хорошо и на 64-битных машинах);

- имеет повторяющуюся структуру с переменным числом раундов, что позволяет пользователю самому выбирать между более высокой скоростью шифрования или большей защищенностью шифра;

- имеет переменную длину ключа, что позволяет пользователю самому выбирать уровень безопасности соответствующий специфике его приложения;

- достаточно простой в реализации и анализе;

- не требователен к памяти, что позволяет использовать его даже в мобильных и переносных устройствах.

Криптостойкость. RSA потратила много времени на анализ его работы с 64-битным блоком. Так в период с 1995 по 1998 г. они опубликовали ряд отчетов, в которых подробно проанализировали криптостойкость алгоритма RC5. Оценка для линейного криптоанализа показывает, что алгоритм безопасен после шести раундов. Дифференциальный криптоанализ требует 224 выбранных открытых текстов для алгоритма с пяти раундами, 245 для десяти раундов, 253 для двенадцати раундов и 268 для пятнадцати раундов. А так как существует всего лишь 264 возможных различных открытых текстов, то дифференциальный криптоанализ невозможен для алгоритма в пятнадцать и более раундов. Так что рекомендуется использовать от восьми до двадцати раундов, или, по крайней мере, не меньше пятнадцати вместо тех двенадцати раундов, которые рекомендовал сам Риветс.

Атака по времени выполнения. На платформах, где операция циклического сдвига на переменное число битов выполняется за различное число тактов процессора, возможна атака по времени исполнения на алгоритм RC5. Два варианта подобной атаки были сформулированы криптоаналитиками Говардом Хейзом и Хеленой Хандшух. Они установили, что ключ может быть вычислен после выполнения около 220 операций шифрования с высокоточными замерами времени исполнения и затем от 228 до 240 пробных операций шифрования. Самый простой метод борьбы с подобными атаками - принудительное выполнение сдвигов за постоянное число тактов (например, за время выполнения самого медленного сдвига).

Блок схема программы устройства шифрования по методу Риветса изображена на чертеже БрГТУ.007830.012.

5.2 Отладка программного обеспечения и проверка работы модуля

Для отладки используем среду AVR Studio 15.0.0.498, которая удобно встраивается в среду CodeVisionAVR. Как и для трассировки, так и для моделирования схемы используем Proteus v.7.7. В PROTEUS VSM входят как простейшие аналоговые устройства, так и сложные системы созданные на популярных ныне микроконтроллерах. Доступна огромная библиотека моделей элементов, пополнять которую может сам пользователь, естественно для этого нужно досконально знать работу элемента и уметь программировать. Достаточный набор инструментов и функций, среди которых вольтметр, амперметр, осциллограф, всевозможные генераторы, способность отлаживать программное обеспечение микроконтроллеров, делают PROTEUS VSM хорошим помощником разработчику электронных устройств.

Соберем схему процессора шифрования по методу Риветса в Proteus. Схема устройства приведена рисунке 5.1. Данная программа изначально построена для отладки цифровых схем.

В данной программе представляется возможным отладить разрабатываемое устройство с помощью виртуального терминала. Виртуальный терминал представляет собой аналог последовательно порта компьютера RS-232C, который позволяет в удобном виде получать и передавать данные в микроконтроллер.

Виртуальный терминал имеет следующие характеристики:

- полный дуплекс - последовательно поступающие данные отображаются, как символы ASCII, в то время как нажатия клавиш передаются так же, как последовательные данные ASCII. Простой двухпроводный интерфейс данных: «RXD» для полученных данных и «TXD» для передаваемых данных.

- простой двухпроводный аппаратный интерфейс установления связи: «RTS» (ready-to-send) - готов к передаче, и «CTS» (clear-to-send) - очищен для передачи.

- скорость от 300 до 57 600 бодов;

- 7 или 8 информационных разрядов.

- четность, нечетность или нет;

- 0, 1 или 2 стоповых бита.

- процедура установления связи программного обеспечения XON/XOFF в дополнение к аппаратной процедуре установления связи;

Нормальная или отрицательная полярность сигналов и для RX/TX, и для RTS/CTS.В Proteus VSM есть модель драйвера RS232, таким образом можно соединить виртуальный терминал с целевым процессором. Bitbang - это прямое управление выводами COM-порта. В порт можно отправить байт через высокоупровневый API и он просто выйдет через линию TX потоком стандартого RS232 сигнала. Либо напрямую до регистров отвечающих за состояние каждого пина порта, и управляя ими эмулировать COM-порт.

Чтобы начать отладку необходимо в программе CodeVisionAVR скомпилировать файл, у которого будет расширение «hex». После чего установить в микроконтроллер в Proteus, выставить частоту кварцевого резонатора и запустить отладку.

Рисунок 5.1 - Схема для моделирования в Proteus

5.3 Основные функции программы

В этой части моего дипломного проекта будет рассмотрена перечень файлов программы устройства шифрования по методу Риветса и описание основных функций. Перечень файлов изображен на рисунке 5.2.

Рисунок 5.2 - Перечень файлов программы

Ниже рассмотрим основные части программы и перечислим их основные функции:

rc5.c - программа для управления работой охранной сигнализацией:

- interrupt [USART_RXC] void usart_rx_isr(void) - прерывание программы по получателя USART;

- interrupt [USART_TXC] void usart_tx_isr(void) - прерывание программы по отправителя USART;