Охранной сигнализации автомобиля
 Скачать 345.4 Kb.
|
 Рис.3.1а. Структурная схема бортовой подсистемы.  Рис.3.1б. Структурная схема подсистемы носимой. Первая подсистема содержит центральный блок, датчики открывания дверей, ультразвуковой датчик движения, датчик ударов, сирену, приемник, передатчик, антенну, пульт управления, дешифратор динамического кода. Центральный блок контролирует работу периферийных устройств. На него постоянно поступает информация о состоянии датчиков открывания дверей, датчика ударов, датчика проникновения. Режим работы центрального блока можно задавать пультом управления, находящимся в салоне автомобиля или дистанционно, принятием радиосигналов с подсистемы пользователя с использованием радиоприёмного устройства. По желанию пользователя охранная система производит блокировку дверей и системы зажигания. В случае проникновения или по желанию пользователя центральный блок управляет сигналами сирены и габаритными огнями автомобиля, а так же управляет выводом информации через радиоканал с помощью передатчика. Питание подсистемы автомобиля производится от бортовой сети автомобиля. Подача сигналов тревоги осуществляется с помощью сирены, миганием габаритных огней и через радиопередающее устройство. Радиоприёмное и радиопередающее устройство работают на одну антенну. Вторая подсистема (пользователя) с помощью устройства управления осуществляет связь с аппаратурой автомобиля через радиопередающее устройство с использованием клавиатуры. Питание данной подсистемы производится от портативного источника. Две подсистемы, объединенные с использованием радиоканала, образуют радиосистему автономной охранной сигнализации автомобиля. При работе шифратора и дешифратора динамического кода должна осуществляться их синхронизация. Она происходит следующим образом. На стадии разработки в кодер заносится информация: серийный номер передатчика, код производителя. На основе этих данных по некоторому алгоритму вычисляется ключ шифрования. Чтобы шифратор и дешифратор могли работать вместе, дешифратор должен сначала узнать и сохранить следующую информацию из шифратора в защищенной EEPROM: серийный номер передатчика; ключ шифрования; текущее значение счетчика синхронизации; код производителя. Всего в дешифраторе семь слотов памяти, поэтому он может запомнить семь шифраторов. Схема формирования кода в шифраторе показана на рис.3.2.  Рис.3.2. Схема формирования кода в шифраторе. Схема процесса дешифрации показана на Рис.3.3. При приеме дешифратором кода вначале производится проверка на соответствие серийного номера шифратора. Если хоть в одном слоте памяти хранится принятый серийный номер, то шифратор считается опознанным. Дальше используя полученный динамический код и ключ шифрования, сохраненный в слоте памяти, вычисляется переданное синхрочисло. Затем оно сравнивается с сохраненным в памяти синхрочислом.  Рис.3.3. Схема процесса дешифрации. Далее возможны следующие варианты: Если полученное декодированное синхрочисло попадает в текущее окно кодов 1 (рис.3.4.), то оно сохраняется и команда выполняется; Если полученное декодированное синхрочисло вышло за предел текущего окна кодов 1, но внутри блока открытых кодов 2, то оно временно сохраняется и декодер ждет следующего синхрочисла. Если две величины последовательны, то принимается, что счетчик синхронизации шифратора только что вышел из текущего окна кодов 1, но теперь снова там и новое синхрочисло (второе) сохраняется и выполняется команда; Если шифратор каким-то образом вышел из блока открытых кодов 2, то его надо перезапомнить.  Рис.3.4. Окно кодов. 3.2 Форматы сообщений В режиме «Тревога» радиопередающее устройство аппаратуры автомобиля излучает периодическую последовательность, содержащую четыре байта адреса (два байта для идентификации цифрового регистрационного номера машины в двоично-десятичном коде и по одному байту на каждую из двух букв в номере машины) и байт проверочного слова (двоичная сумма байтов адреса и байта состояния по модулю 256). Каждый байт начинается стартовым битом и заканчивается стоп–битом. Таким образом, длина сообщения составляет 50 бит информации. При передаче ключа для выезда/въезда на охраняемую автостоянку передаваемая последовательность содержит три байта личного кода автомобиля и один проверочный байт (двоичная сумма байтов личного кода по модулю 256). Каждый байт также начинается стартовым битом и заканчивается стоп-битом. Таким образом, длина сообщения составляет 40 бит информации. Для снятия/постановки на охрану, включения режима «Anti-Hi-Jack» и режима «Паника» с носимой подсистемы передается кодовая последовательность.  Рис.3.5. Формат кодовой посылки Так как в разрабатываемой системе применяется технология динамического кодирования, основанная на использовании специализированных кодера и декодера HCS300 и HCS500 фирмы Microchip, то формат передаваемого сообщения будет определятся данными микросхемами. Структура кодовой посылки изображена на рис.3.5. Кодовая посылка начинается передачей преамбулы, состоящей из 12 импульсов длительностью 9,2 мс. Далее следует заголовок длительностью 4 мс в котором импульсов нет. Затем передается кодированная часть сообщения, состоящая из 32 бит, длительностью 38,4 мс и фиксированная часть сообщения, состоящая из 34 бит, длительностью 40,8 мс. Завершает кодовую посылку защитный промежуток длительностью 15,6 мс. В результате длительность всей кодовой посылки составляет 108 мс. Формат передаваемого сообщения показан на рис.3.6.  Рис.3.6. Формат сообщения. Сообщение состоит из фиксированных данных и шифрованных данных. Фиксированные данные состоят в свою очередь из бита снижения напряжения питания брелка, бита статуса повтора, 4-битного кода клавиши и 28-битного серийного номера. Шифрованные данные несут информацию о коде клавиши (4 бита), о переполнении счетчика синхронизации (2 бита), о дискриминационной величине (10 бит) и текущем значении счетчика синхронизации (16 бит). Эти данные получаются в результате действия алгоритма шифрования KEELOQ. 3.3 Протокол обмена Передающий радиомодуль может передавать цифровую информацию с максимальной частотой 4800 бит/сек. Максимальная, входящая в эту границу, скорость передачи последовательного асинхронного передатчика на PIC16С73А составляет 2400 бит/сек., следовательно, возьмем скорость передачи информации равную 2400 бит/сек. При подаче тревожного сигнала выход в эфир осуществляется с учётом анализа наличия несущей в эфире. После освобождения эфира в течение времени передачи одного байта (при скорости передачи информации 2400 бит/сек.) могут начинать выходить в эфир сообщения с автомобилей о тревоге (рис.3.7).  Рис.3.7. Анализ несущей в эфире. При их отсутствии в течение следующего байта могут начинать выходить в эфир информационные посылки с подсистем пользователя (пультов управления). Если в течение этих двух байтов в эфир никто не выходил, то через восемь байтов начинается контрольная посылка от очередного автомобиля. В противоположном случае (наличие начала сообщения в течение одного из двух контрольных байтов или следующих восьми байтов) алгоритм начинается заново после окончания сообщения, но контрольная посылка при этом выйдет уже через семь байтов и шесть бит, т. е. сдвинется влево на два бита. Это необходимо для приоритетного занятия очереди выхода в эфир, т. к. в данный момент должна была выйти в эфир информация от следующей машины. Таким образом, сдвигая очередные информационные посылки от автомобилей на 2n битов влево (где n – число раз занятого эфира) в системе сохраняется очерёдность опроса автомобилей. Очевидно, что число невыходов в эфир не может быть больше 32-х раз. 3.4 Расчёт системных показателей Так как в разрабатываемой системе применяется кодирование ключа, то представляет интерес такой параметр, как его стойкость. Если предположить, что злоумышленник знает форматы сообщений, но не знает кода для снятия автомобиля с охраны, то ему придётся перебирать код. В передаваемом коде из 66 бит 34 бита фиксированные и их можно узнать с помощью граббера. 32 бита изменяются с каждой новой посылкой. Количество всех комбинаций для бинарного ключа при длине 32 бита определяется выражением N2 = 232 = 4294967296 комбинаций. (3.1) При этом стойкость шифра можно определить по формуле WШ = N2х(Т/2), сек, (3.2) где Т — время на одну операцию подбора кода. В нашем случае время на одну операцию подбора кода определяется временем передачи одной кодовой посылки. Как было рассмотрено выше, она составляет 108 мс. Тогда время на подбор кода определяется WШ = 4294967296х[108х 10-3)/2] = 231928234 сек, (3.3) или с 2684 суток. Так как данной системой предполагается оснастить большое число автомобилей, то важным параметром будет являться вероятность сбоя при передаче кодовой посылки для снятия и постановки на охрану автомобилей. Рассмотрим наихудший вариант – снятие и постановка на охрану автомобилей, находящихся на большой городской автостоянке при условии, что все автомобили оснащены разрабатываемой системой охраны. Возьмем размеры стоянки 600х600 метров. Стандартное место стоянки одного автомобиля имеет размеры 3х6 метров. При расположении автомобилей на стоянке, как показано на рис.3.8., на площади стоянки может разместиться (6002)/3+(322600)/3= 14800 автомобилей.  Рис.3.8. План автостоянки. При этом плотность автомобилей, приходящихся на 1 м2 n=14800/360000=0,041шт/м2 . Так как радиус действия передатчика кодового брелка равен 50 метров, то в окружности этого радиуса окажется 5020,041=322 автомобиля. Интенсивность пользования кодовым брелком на автостоянке для одного владельца автомобиля λ1 за сутки составляет в среднем около 10 раз. Интенсивность появления кодовых посылок на автостоянке в радиусе 50 м – за сутки составляет λΣ=32210=3220 раз. Так как появление кодовых посылок случайно, то для вычисления вероятностных характеристик можно воспользоваться формулой Пуассона:  (3.4)В нашем случае можно посчитать вероятность не появления ни одной посылки за время передачи Δt:  , (3.5)где z – среднее число излучений на интервале передачи кодовой посылки:  (3.6)Подставим это значение в формулу (3.5) и получим значение вероятности равное 0,99598. На рис.3.9. приведены графики зависимости ν0 от числа автомобилей в радиусе действия кодового брелка при фиксированных значениях λ1, равных 5, 10, 50 и 100 соответственно. На рис.3.10. приведены графики зависимости ν0 от средней интенсивности пользования кодовым брелком λ1, при фиксированных значениях числа автомобилей в радиусе действия кодового брелка, равных соответственно 10, 100, 200, 322, 400.  Рис.3.9.Графики зависимостей ν0 от N.  Рис.3.10. Графики зависимостей ν0 от λ1. 4. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СХЕМ 4.1 Выбор микроконтроллера В проектируемой системе разработке подлежит две подсистемы. Для повышения технико-экономических показателей (стоимости, надёжности, потребляемой мощности, габаритных размеров) и придания изделию таких потребительских качеств как расширенные функциональные возможности, модифицируемость, адаптивность бортовая подсистема строится на базе микроконтроллера. В настоящее время существует множество фирм, выпускающих широкий ассортимент микроконтроллеров, такие как Motorola, Microchip, SGS–Thompson, National, ALCATEC. Они различаются электрическими характеристиками и насыщенностью периферийными устройствами. Хорошо зарекомендовала себя в плане быстродействия, экономичности, простоты схемы разрабатываемого устройства из-за обширного набора периферийного оборудования продукция фирмы Microchip. В таблице 4.1 приведены параметры PIC-контроллеров фирмы Microchip. В управляющем микроконтроллере должны присутствовать асинхронный передатчик (для вывода информации в передающий радиомодуль), порт с интерфейсом I2C, как минимум два внешних входа прерываний (для детектора несущей и датчика ударов) и достаточное количество портов ввода/вывода. Особые требования предъявляются к потребляемой мощности и стабильности работы. Данными свойствами обладает PIC- контроллер PIC16C73A. Данный микроконтроллер построен по RISC архитектуре. Набор его команд содержит всего 35 простых команд, которые выполняются за один машинный цикл, кроме команд пересылки. Этот микроконтроллер выгодно отличается низкой ценой и высокой производительностью. Важным достоинством является малое энергопотребление (2 мА на частоте 4 МГц и 5 В питании и менее 1 мкА в режиме SLEEP) и широкие диапазоны напряжения питания (2,5-6В) и тактовой частоты (до 20 МГц). Структурная схема PIC16С73А изображена на рис. 4.1. В состав выбранного PIC-контроллера входят следующие элементы: 4К14 память программ с защитой кода от считывания, 1928 память данных, два 8-битных и один 16-битный таймера/счетчика с предделителями, сторожевой таймер, два 8-битных и один 6-битный многофункциональных порта ввода/вывода с большой Р  ис 4.1. Структурная схема PIC16С73А. нагрузочной способностью (выходной ток до 25 мА), синхронно/асинхронный последовательный приемопередатчик, последовательный порт с интерфейсом I2C, 11 источников прерываний, 8-уровневый аппаратный стек, встроенный RC-генератор. Микроконтроллер выполнен на основе высокоуровневой КМОП технологии и выпускается в SDIP керамическом корпусе, имеющем 28 внешних выводов. Для работы PIC- контроллера требуется один источник электропитания +2,5…6 В. Выходные логические уровни соответствуют уровням ТТЛ-схем. Цоколёвка корпуса и назначение выводов показаны на рис.4.2.  Рис 4.2. Цоколевка и назначение выводов PIC16С73А. В кристалле PIC16С73А имеется встроенный детектор питания. При достижении на входе VDD напряжения 1,5-2,1В запускается таймер включения питания PWRT, который функционирует на внутреннем RC-генераторе. По истечении выдержки около 72 мс считается, что напряжение достигло номинала и запускается другой таймер-выдержка на стабилизацию частоты кварцевого генератора. Таймер на стабилизацию генератора отсчитывает 1024 импульса от начавшего работу генератора. Считается, что кварцевый генератор за это время вышел на режим. При использовании RC генераторов - выдержка на стабилизацию не производится. Опорную частоту синхронизации определяет кварцевый резонатор РГ–05 с типом корпуса М, добротностью 2000х103, статической ёмкостью менее 9пФ, допустимым отклонением рабочей частоты ±10х10–6. Кварцевый резонатор имеет гибкий тип выводов, предназначенный для соединений пайкой, миниатюрный плоский корпус, хорошо компонуется в современной аппаратуре. Он подключается к выводам OSC1 и OSC2 (рис.4.3). По рекомендации изготовителей микроконтроллера конденсаторы: КД–1 ёмкостью 15 пФ каждый.  Рис.4.3. Схема синхронизации PIC16С73А. Далее разработаем принципиальные схемы (см. чертёж схемы электрической принципиальной) для конкретных блоков проектируемой системы. 4.2 Бортовая подсистема Первым шагом при проектировании принципиальной схемы является распределение аппаратных ресурсов микроконтроллера. Необходимо определится с подключением периферийных устройств к микроконтроллеру. Бортовая подсистема в режиме охраны должна постоянно анализировать состояние датчиков. В проектируемой системе предусматривается три датчика (датчик открывания дверей, ультразвуковой датчик движения и датчик ударов), поэтому подключим их к портам, которые вызывают прерывание при изменении логического состояния на их входе, а именно к портам RB5, RB6, RB7 соответственно. Датчики открывания дверей подключим непосредственно к порту RB5 через резистор R1 сопротивлением 10 кОм, который защитит порт от сгорания при случайном попадании на него напряжения 12В. Высокий потенциал наведем источником +5В через резистор R2 сопротивлением 3 кОм. При срабатывании датчиков открывания дверей на порт будет подаваться логический ноль. Если дверные выключатели соединены с лампой плафона, их следует отделить от входа диодами VD1-VD6. Диоды необходимы для того, чтобы напряжение питания через лампу плафона не проходило на вход порта — это недопустимо. Для этих целей выберем импульсные диоды КД 522Б [38]. Импульсный прямой ток диода составляет 1,5А, средний прямой ток —100 мА, постоянное прямое напряжение — 1,1В. Рассеиваемая мощность резистора R1 определяется исходя из падения напряжения на нем по формуле: Р1 = U2/R = (12-5) 2/10000 = 0,0007 Вт (4.1) В качестве резистора R1 выберем С2-33–0,125–10кОм–±10%. Рассеиваемая мощность резистора R2 определяется исходя из протекающего по нему току по формуле: P2 = U2/R = 52/3000 = 0,008 Вт (4.2) В качестве резистора R2 выберем С2-33–0,125–3кОм–±10%. Ультразвуковой датчик движения и датчик ударов можно подключать к PIC-контроллеру непосредственно, так как они имеют соответствующие логические уровни. Для работы микроконтроллера и других устройств требуется источник электропитания +5В. Питание бортовой системы будем производить непосредственно от бортовой сети автомобиля + 12 В через спрятанный в салоне автомобиля потайной тумблер–переключатель ПКН41–1–2 и предохранитель плавкий 10А. Напряжение бортовой сети автомобиля понизим с помощью интегрального стабилизатора КР142ЕН5. Так как в разрабатываемой системе будет использоваться технология кодирования с динамическим кодом, то в состав бортовой подсистемы будет входить дешифратор динамического кода HCS500 фирмы Microchip. Структурная схема HCS500 показана на рис.4.4. Цоколевка корпуса и назначение выводов показаны на рис.4.5.  Рис.4.4. Структурная схема HCS500. Данная микросхема осуществляет прием кодовой посылки непосредственно с цифрового приемного радиомодуля, декодирует ее, осуществляет проверку подлинности и выдает управляющую информацию на микроконтроллер по последовательному порту с интерфейсом I2C. HCS500 имеет следующие электрические характеристики: напряжение питания - 3,0…5,5В, максимальный выходной ток – 25 мА. Для работы дешифратора требуется микросхема внешней энергонезависимой памяти 24LC02, объемом 2К и с последовательным интерфейсом I2C. |
