Разработка архитектуры системы

3. Разработка архитектуры системы

Обеспечение безопасности и сохранность информации в СЗКДП обеспечивается прежде всего выполнением общих процедур защиты, которые являются составной частью большинства защитных мероприятий. Прежде, чем раскрыть архитектуру системы, отобразим общие процедуры безопасности (см. рис.3.1 ) для лучшего понимания проектируемой СЗКДП.

ОБЩИЕ ПРОЦЕДУРЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ

 Управление доступом Контроль угроз Управление надежностью

 Идентификация Прекращение Контроль

 работы работы аппаратуры

 Установление

подлиности Протоколирование Контроль за

 попыток работой персонала

 Регистрация проникновения

сообщений

Преобразования информации

и передача информации

Рис.3.1

В дальнейшем при описании архитектуры системы и ее структурной схемы будем исходить из показанной выше блок-схемы "Общей процедуры безопасности". Но в начале опишем основные блоки, устройства, узлы и элементы входящие в СЗКДП (см. чертеж “Структурная схема”)

Идентификаторы. В качестве основного средства распознавания пользователей служат электронные идентификаторы Touch Memory подгруппы DS1990A. В частном случае идентификатор имеет вид таблетки, размером с небольшую монету, хотя могут быть и другие варианты. В корпус "таблетки" встроена литиевая батарейка, срок службы которой не менее 10-ти лет и имеет встроенный микропроцессор с ПЗУ. В ПЗУ содержится резидентная программа обслуживающая идентификатор и кроме того там хранится неповторимый идентификационный номер объемом 64 бита. Выход ключа электрически совместим со схемами ТТЛ. Идентификатор имеет два контакта, через которые считывается 64-ый битный код. Или как его еще называют — идентификационный номер, который раз и навсегда заносится фирмой-производителем. Благодаря гарантированной производителем неповторяемости ключа (число уникальных 64-ех битовых комбинаций составляет более 280 триллионов) обеспечивается высокий уровень защиты. Коснувшись идентификатором считывателя, информация с него (т. е. его 64-битный код) считывается за микросекунды. Это делает его весьма удобным в обpащении, а его малые pазмеpы позволяют его использовать даже как бpелок. Код каждого идентификатора заносится в базу данных компьютера. Описание и назначение узлов (блоков) контроллера шлюза (см.чертеж “Структурная схема”):

1)Микроконтроллер (МК). Микроконтроллер предназначен для контроля и управления шлюзом. МК путем периодического опроса осведомительных слов генерирует в соответствии с алгоритмом управления последовательности управляющих слов []. Осведомительные слова это сигналы состояния шлюза, сформированные датчиками объекта управления. Выходные сигналы датчиков вследствие их различной физической природы могут потребовать промежуточного преобразования на аналого-цифровых преобразователях или на схемах формирователей сигналов, которые выполняют функции гальванической развязки и формирования уровней двоичных сигналов стандарта ТТЛ.

Микроконтроллер с требуемой периодичностью (см. раздел “Разработка алгоритма управляющей программы”) обновляет управляющие слова на своих выходных портах. Некоторая часть управляющего слова интерпретируется как совокупность прямых двоичных сигналов управления, которые через схемы формирователей сигналов (усилители мощности, реле, оптроны и т. п.) поступают на исполнительные механизмы и устройства индикации. МК постоянно снимает информацию с датчиков контроля дверей и датчика массы; выдает управляющие сигналы на схему управления, на индикаторы и на звуковой сигнализатор; управляет считывателем кода при считывании идентификационного номера с электронного идентификатора; обменивается информацией с компьютером.

2)Считыватель кода. Считыватель кода представляет из себя схему для считывания 64-ех битного кода с идентификатора и дальнейшей передачи этого кода микроконтроллеру. Его назначение состоит в том, чтобы согласовывать выходные импедансы и уровни напряжений между контроллером и идентификатором. Кроме того, считыватель защищает микроконтроллер от возможных коротких замыканий на входе считывателя. Конструктивно считыватель выполнен в виде корпуса с двумя выходными контактами к которым прикасается пользователь персональным идентификатором при доступе на объект защиты.

3)Схема управления. Схема предназначена для автоматического управления открытия и закрытия сдвижных дверей для входа на объект защиты. Выход схемы подключается к электрозащелке и к электромотору блокировки дверей, которые непосредственно управляют открыванием и закрыванием сдвижных дверей объекта защиты. При опознавании системой пользователя, схема управления включает электромотор на открывание дверей для входа пользователя в шлюз. Двери автоматически закрываются после выхода пользователя из шлюза, при условии что аутентификация прошла удачно. Если система не опознала пользователя или пользователь не аутентифицирован, двери шлюза остаются в блокирующем положении (то есть в закрытом).

4)Датчики контроля дверей. Они предназначены для контроля положения дверей. Датчики всегда находятся в двух положениях — включено или выключено. Конструктивно они могут быть выполнены в двух видах, это кнопка с самовозвратом или герконовый датчик, в зависимости от конструкции дверей. Датчики крепятся непосредственно на дверях или возле них и в зависимости от положения дверей находятся во включенном или выключенном состоянии. На одни сдвижные двери предусматривается по четыре датчика. Контроллер периодически опрашивает датчики и в зависимости от их положения переходит на соответствующую подпрограмму обслуживания, с тем чтобы принять решение открывания (закрывания) дверей.

5)Индикаторы. Индикаторы служат для сигнализации пользователю о приглашении или запрещении входа (выхода) на объект защиты. Они устанавливаются рядом со считывателем кода и сигнализируют пользователю: когда можно вставить идентификатор в считыватель кода; когда можно идти; когда вход запрещен. Конструктивно индикаторы представлены в виде обычных светодиодов, которые подсвечивают соответствующие надписи или знаки. Во включенном состоянии один из двух индикаторов будет сигнализировать:

красный светодиод — вход запрещен;

зеленый светодиод — можно идти.

Третье состояние, когда оба светодиода выключено, означает ждущий режим, то есть пользователь может прикоснутся идентификатором к считывателю кода.

6)Датчик массы. Служит для проверки подлинности пользователя, то есть его аутентификации. Конструктивно он представляет из себя электронные весы, для измерения массы человека. Аналоговый сигнал снимаемый с датчика обрабатывается аналого-цифровым преобразователем в цифровой код. Полученный код, содержащий информацию о весе пользователя передается на контроллер для последующей его обработки и передаче его на пульт управления. Вес каждого пользователя занесен в базу данных, в таблицу авторизации компьютера (пульта управления).

7)Звуковой сигнализатор. Его назначение следующее. Если пользователь не идентифицирован системой или он не прошел проверку на подлинность, или обнаружена попытка саботажа системы включается звуковая сигнализация. Сигнализатор устанавливается внутри шлюза или непосредственно рядом с ним.

8)Схема связи с пультом управления. Схема предназначена для связи микроконтроллера с пультом управления. Она устанавливает нужный размах сигнала при передачи его в линию связи и выделяет сигналы из линии связи когда микроконтроллер находится в режиме приема информации от компьютера. То есть схема связи выполняет необходимые преобразования напряжений и кроме того выполняет согласование интерфейса с линией связи.

Как уже упоминалось в технических требованиях, СЗКДП представляет из себя централизованную систему, работающую в реальном времени. На верхнем уровне — пульт управления; на нижнем — контролируемые пункты. Упомянутые выше узлы и элементы входят в контролируемый пункт, т. е. они находятся на нижнем уpовне системы. Число контpолиpуемых пунктов зависит от количества входов подлежащих контролю на охpаняемом объекте.

На веpхнем уpовне находится пульт упpавления выполненный на базе ПЭВМ, совместимой с IBM PC. Пульт управления и контролируемые пункты соеденены между собой в локальную сеть. На рис.3.2 изображена блок-схема локальной сети.

Рис.3.2

Локальная сеть содержит пульт управления (ПУ) выполненный на базе ПЭВМ и ряд удаленных контроллеров (кш_n), каждый из которых соединен с одним шлюзом(Шn).

Передача информации между пультом управления и удаленным контроллером шлюза требует представления ее в виде последовательного потока бит, характеристики которого зависят от особенностей конкретной системы. Определим эти особенности локальной сети.

Прежде всего локальная сеть определяется топологией связей и режимом обмена по линиям связи. В проектируемой системе выбран магистральный тип интерфейса, с "шинной" топологией системы обмена. Режим обмена информацией — полудуплексный. В полудуплексном режиме любой из контроллеров может начать передачу, если на вход его последовательного интерфейса поступил запрос с пульта управления, то есть его сетевой адрес. Можно сказать, что по управлению передачи информации в каналах, локальная сеть является централизованной. Компьютер в протокольном режиме “широковещательной” передачи (всем ведомым контроллерам) выдает в моноканал байт-идентификатор абонента (код адреса контроллера-получателя), который отличается от байтов данных только тем, что в его девятом бите содержится 1. После того как компьютер выставил адрес, он в течение 2 милисекунд ожидает ответа от контроллера. Если ответ в течении этого времени не получен, компьютер выставляет в моноканал следующий адрес. Для уменьшения вероятности наложений контроллер перед выдачей сообщения прослушивает канал и начинают выдачу только при поступлении запроса от компьютера на его адрес. По режиму организации передачи, данная СЗКДП относится к сети с асинхронной передачей (момент считывания данных приемником определяется по сигналам оповещения или запуска от передатчика; по окончании пересылки приемник выдает передатчику сигнал об окончании цикла передачи). По способу представления сигналов выбран униполярный код.

В качестве физической среды распространения сигналов каналов межмодульного обмена используется витая пара, заключенная в оплетку. Применение витой пары повышает помехоустойчивость. Всякое внешнее воздействие влияет на оба провода, и поэтому искажение разности сигналов снижается. Более того, так как витая пара заключена в оплетку, то это еще более ослабляет воздействие, вызванное взаимными наводками.

Центральный пульт управления выполнен на базе IBM PC совместимого компьютера со следующей конфигурацией:

640 Кбайт ОЗУ.

EGA монитор.

20 МБ винчестер.

MS-DOS версия не ниже 3.30

2 последовательных порта.

Для связи компьютера с контроллерами используется стандартный интерфейс RS-232C (см. приложение). Основным преимуществом последовательной передачи является возможность пересылки данных на большие расстояния, как правило около 30 метров. Ипользуя дополнительный блок приема-передачи это расстояние можно увеличить до 200 метров. В этот блок входит такая же схема, которая рассчитана для контроллера шлюза (имеется в виду схема связи с ПУ). Данные передаются и принимаются с использованием аппаратного последовательного интерфейса, который работает в режиме прерывания. Система работает в фоновом режиме.

Так как передаваемые данные в контроллерах генерируются в случайные моменты времени, то предполагается использовать асинхронный режим обмена данных между пультом управления и контроллерами. Из-за отсутствия синхронизации, показывающей начало и конец каждого байта, байт данных приходится обрамлять стоповыми и стартовыми битами, чтобы приемные устройства могли распознать начало и конец передачи байта данных (см. чертеж “Форматы данных”). Как видно стартовый и стоп-биты имеют различные полярности. Это обеспечивает наличие, как минимум, одного перехода (1—0—1) между каждыми двумя последовательными символами, причем независимо от последовательности битов в передаваемых символах. Поэтому первый после периода бездействия переход 1—0 используется получающим устройством для определения начала каждого нового символа. Каждый символ состоит из 8-ми бит данных, стартового и стопового битов и бита паритета. В проектируемой системе бит паритета используется для идентификации символа как символа-идентификатора адреса контроллера шлюза. При передаче данных бит паритета принимает значение логического нуля. Система работает в полудуплексном режиме и инициатором связи всегда является пульт управления (то есть компьютер). Выставив адрес в моноканал компьютер, переходит в режим ожидания. Если в течение двух милисекунд (см. расчет ниже) компьютер не получает подтверждение запроса, он выставляет новый адрес в моноканал. Если же получено подтверждение запроса, компьютер переходит в режим приема данных от микроконтроллера. Данные могут содержать информацию:

код идентификатора (8 символов или 88 бит);

код физической массы пользователя, то есть код аутентификации(1 сим вол или 11 бит);

код содержащий информацию о саботаже системы (1 символ или 11 бит)

После получения данных и соответствующей обработки компьютер сообщает микроконтроллеру о том прошел или не прошел пользователь идентификацию и аутентификацию (2 символа или 22 бита).

Предполагается использовать стандартные скорости обмена данных по моноканалу, которые поддерживаются интерфейсом RS-232. Произведем расчет для скорости приема-передачи равной 9600 бит/с.

Один бит передается за время:

1/9600=0,104 мсек.

Тогда скорость передачи слова или 11 бит равна:

0,104*11=1,145 мсек.

Рассчитаем максимальное время обмена информацией между пультом управления и адресуемым микроконтроллером. Для этого подсчитаем максимальное количество битов в формате обмена. Оно будет максимальным при передаче в сообщении идентификационного номера и кода аутентификации. Туда войдут:

адрес контроллера (1 слово)=1,145 мсек;

подтверждение запроса контроллером (1 слово)=1,145 мсек;

подтверждение ответа компьютером (1слово)=1,145мсек;

передача данных — код идентификации (8 слов), подтверждение идентификации (1 слово)=8+1=9 слов. Тогда

9*1,145=10,305 мсек;

конец связи (1 слово)=1,145 мсек.

Кроме того в формат сообщения войдет время задержки, которое максимально равно 2 мсек. Время 2 мсек выбрано из следующих соображений. Так как время передачи одного слова по моноканалу составляет 1,145 мсек, то 2 мсек будет вполне достаточно для обнаружения компьютером сигнала от контроллера (имеется в виду подтверждение запроса контроллером). Следовательно, общее максимальное время связи между компьютером и микроконтроллером будет равно:

1,145+1,145+1,145+10,305+1,145+2= 14,885 мсек.

Сюда не вошло время обработки данных компьютером и микроконтроллером которое составляет единицы микросекунд.

Исходя из того, что количество обслуживаемых помещений или количество обслуживаемых шлюзов входящих в одну локальную должно быть не менее 200, определим максимальное время обслуживания всех контроллеров: 14,885*200=2,997 сек.

В следствии того что, СЗКДП представляет из себя средство управления доступом, коды идентификации пользователя и другая информация обеспечения безопасности должны хранится в таблице авторизации. Таблица авторизации находится в защищенной зоне основной памяти компьютера или хранится как файл данных на дополнительном устройстве. Каждый авторизованный пользователь имеет свою запись в таблице авторизации.

Код идентификации пользователя представляет индекс в таблице авторизации. Если кода идентификации пользователя нет в таблице авторизации, то доступ запрещается.

Кроме того, пульт управления автоматически тестирует состояние системы и ведет протокол функционирования всего комплекса защиты. Автоматически ведет жуpнал:

проходов пользователей с указанием даты, времени и направления прохода;

несанкционированных действий пользователей с указанием даты и времени нарушений;

работы операторов и администраторов системы.

Доступ к ПУ возможен только при помощи электронного идентификатора принадлежащего администратору безопасности. Администратор безопасности с помощи мастер-карты регистрирует и удаляет коды пользователей и проводит операции по изменению прав пользователей. Теперь покажем, что из себя представляет контролируемый пункт (КП) объекта защиты. Конструктивно КП представляет из себя шлюзовую систему, с двумя сдвижными дверями (см. рис.3.3 )

Рис.3.3 Шлюз(вид сверху)

Шлюз имеет следующие размеры (эти размеры выбраны произвольно, но я считаю их оптимальными):длинна=1,5 м; ширина=1 м; высота=2 м. Каждой сдвижной дверью управляет электромотор блокировки дверей. При подаче управляющего напряжения от устройства управления на электромотор двери соответственно открываются или закрываются. В закрытом положении двери блокированы.

Внутри шлюза устанавливаются три датчика массы, которые покрывают всю нижнюю площадь шлюза (см. рис.3.5). В системе применены именно три датчика массы для установления подлинности пользователя.

Рис.3.5 Шлюз с датчиками массы (вид сверху)

Кроме того на каждую сдвижную дверь закрепляются 4 датчика контроля открывания и закрывания дверей (см. рис.3.6). Датчики должны быть установлены внутpи шлюза таким обpазом, чтобы исключить всякую возможность доступа к ним лиц не имеющих права обслуживать систему. В случае саботажа pаботы шлюза, датчики устанавливаются в соответствующее положение. Контроллер обрабатывает информацию снимаемую с датчиков и на пульт управления идет соответствующий сигнал тpевоги.

	положение дверей
	закрыто	нейтрально	открыто
д1.1	1	0	1
д1.2	1	0	0
д1.3	1	0	0
д1.4	1	0	1

Рис.3.6 Шлюз с датчиками контроля положения дверей

 

При анализе структурной схемы (см. рис.3.7) будем исходить из общих процедур обеспечения безопасности (структура процедур отражена в начале раздела "Архитектура системы"). То есть описание структурной схемы будет происходить в соответствии со структурой общих процедур безопасности, сверху-вниз.

где Ш — шлюз;

АС— адаптер сети;

И — индикаторы;

эл/мот — электромотор блокировки дверей;

УУ — устройство управления электромотором;

ЭИ — электронный идентификатор;

МК — микроконтроллер;

СК — считыватель кода;

КП — контролируемый пункт;

ПУ — пульт управления (компьютер);

ЗС — звуковой сигнализатор;

АЦП — аналого-цифровой преобразователь.

1.1)Управление доступом. Идентификация.

Идентификация пользователя системой защиты происходит следующим образом. Пользователь прикасается личным идентификатором адаптера; микроконтроллер прерывает рабочую программу и считывает с идентификатора 64-ех битный код. Далее код передается на ПУ, где происходит сравнение кода с кодами хранящимися в таблице авторизации. В случае совпадения идет ответный сигнал на микроконтроллер приказывающий открыть 1-ые двери шлюза. МК "зажигает" зеленый индикатор и подает сигнал на устройство управления. УУ включает электромотор и открывает 1-ые двери приглашая тем самым пользователя войти. Пользователь входит в шлюз двери за ним закрываются и зеленый индикатор гаснет. Зажигается красный индикатор с обеих стоpон шлюза, тем самым запpещая вход и выход остальным пользователям, котоpые могут находится в этот момент с двух стоpон шлюза.

1.2) Упpавление доступом. Установление подлинности.

В шлюзе происходит установление подлинности пользователя, то есть его аутентификация. Подлинность определяется массой пользователя. Код соответствующий массе пользователя также как и код идентификатора хранится в памяти компьютера в таблице авторизации.

В шлюзе установлено три датчика массы. Пользователь становится на центральный датчик. Закодированный сигнал содержащий информацию о массе пользователя снимается микроконтроллером и передается на пульт управления, где он сверяется с кодом хранящимся в таблице авторизации. В случае совпадения кодов или есть небольшая погрешность не более 20 кг. (человек вошел с сумкой), МК подает сигнал на 2-ое УУ, которое включает электромотор. Вторые двери шлюза открываются и пользователю предлагается выйти. Пользователь выходит, 2-ая дверь закрывается и одновременно гаснут красные индикаторы. Система переходит в режим ожидания.

В шлюзе устанавливается три датчика массы: во первых для улучшения точностных характеристик датчика, во вторых для того чтобы гарантировать присутствие в шлюзе только одного человека. Если за пользователем в шлюз зайдет еще один человек, сработает один из дополнительных датчиков или информационный код с центрального датчика не совпадет с кодом из таблицы авторизации (если человек стал вместе с пользователем на центральный датчик). В обоих случаях с микроконтроллера идет сигнал тревоги на звуковой сигнализатор, а 1-ая дверь остается открытой и нарушителю предлагается выйти.

1.3)Управление доступом. Регистрация сообщений.

Когда пользователь проходит через шлюз, то на ПУ регистрируются: время, дата и направление прохода пользователя. Вся эта информация записывается и хранится в базе данных компьютера.

2.1)Контроль угроз. Прекращение работы.

В СЗКДП предусмотрен аварийный режим работы. В случае пожара, срабатывает пожарный датчик с которого поступает сигнал на МК. Микроконтроллер подает сигнал на оба устройства управления, которые включают электромоторы и все двери шлюза открываются. Одновременно сигнал тревоги поступает на ПУ. При создании на СЗКДП какой-либо экстремальной ситуации, оператор ПУ по своей инициативе может открыть шлюз. Кроме того предусматривается автономный режим работы контроллеров в следующих ситуациях: перерезан кабель локальной сети или нет ответа от компьютера; отключено электропитание. В обоих ситуациях двери шлюза блокируются и микроконтроллер переходит в режим ожидания до тех пор, пока не будет получен ответ от компьютера или восстановлено электропитание.

2.2)Контроль угроз. Протоколирование попыток проникновения.

СЗКДП работает таким образом, что при нарушении графика рабо-ты системы, происходит активизация процедур обнаружения. То есть при попытке открыть вручную двери или саботировать работу датчиков на микроконтроллере запускаются подпрограммы обнаружения, которые определяют класс нарушения и сообщают об этом на ПУ. Все попытки проникновения контролируются МК. Если все же нарушитель проник в шлюз, все двери системы блокируются, до прихода службы безопасности или администратора.

Любая попытка несанкционированого доступа на объект защиты через СЗКДП фиксируется на ПУ. В память компьютера записывается и заносится в архив базы данных: время, число и вид нарушения регламента работы системы. Если нарушение произошло по вине авторизованного пользователя, то информация о нарушении регистрируется на имя пользователя.

3)Преобразование и передача информации.

3.1.)Преобразование и передача информации электронного идентификатора.

Считывание информации с электронного идентификатора происходит следующим образом. После прикосновения идентификатором к считывателю, идентификатор формирует стартовый бит (логический ноль) длительностью не более 240 мксек, а микроконтроллер отвечает импульсом сброса длительностью не менее 480 мксек (см. рис.3.8 и чертеж “Форматы команд”).

Рис.3.8 Сброс и старт-бит.

В следствии чего в микроконтроллере происходит прерывание рабочей программы и переход на подпрограмму обслуживания идентификатора. Далее инициатором считывания каждого бита информации, является микроконтроллер. То есть: контроллер каждые мсек сбрасывает напряжение в логический ноль и переходит в режим ожидания ( мсек), в течение которого идентификатор формирует бит данных. Запись логического нуля и единицы показана на рис. Если идентификатор передает “0” , то он держит напряжение логического нуля в течении ожидания; если передает “1”, то он “отпускает” напряжение до прихода нового запроса от микроконтроллера. Общее время считывания составит:

После того, как код ключа считан в резидентную память данных микроконтроллера, он (контроллер) переходит в режим ожидания запроса от компьютера.

Рис.3.9 Чтение данных из идентификатора.

Произведем расчет времени считывания идентификационного кода микроконтроллером с электронного ключа.

Как видно из рисунков максимальное время записи и чтения одного бита равно 120мксек. Тогда зная общее количество бит (64 бита ПЗУ и 8 командных бит контроллера) общее время обмена информацией равно:

(64+8)*120=8,64 мсек.

3.2)Передача информации на компьютер.

Информация на пульт управления передается в униполярном коде. Система обеспечивает двусторонний обмен данными между компьютером и выбранным контроллером. Выбор абонента производится посылкой из компьютера в магистраль адресного кода, который распознается этим абонентом. После передачи адресного кода производится обмен данными между компьютером и контроллером (см. стр. ). Скорость передачи данных в стандарте RS-232C составляет 9600 бит/сек. Такая скорость является наиболее приемлемой, так как увеличение скорости до 19200 бит/сек может привести к потере информации в микроконтроллере, так как при такой скорости возрастает погрешность до 49% [ ].

В качестве кабеля предлагается использовать экранированную витую пару по следующим соображениям: сравнительно маленькая скорость передачи данных, значительно лучшая защита от емкостных наводок. Кроме того витая пара обеспечивает защиту от низкочастотных магнитных полей. В этом случае ЭДС, наводимые внешним магнитным полем на составляющих витую пару проводах, полностью компенсируют друг друга как по знаку, так и по абсолютной величине.

В проектируемой системе предусматривается ситуация: к пользователю пришел гость у которого нет санкционированного доступа в систему. Для этого случая предусмотрена пейджинговая связь между ПУ и пользователем. На объекте защиты, в помещении у каждого авторизованного пользователя есть свой пейджер или один пейджер на несколько пользователей, но разными мелодиями вызова. Гость приходит на ПУ, где оператор по просьбе гостя на компьютере проверяет присутствие пользователя на объекте. Если пользователь присутствует, оператор с компьютера запускает передатчик и сообщение отправляется в эфир. Пользователь принимает сообщение на свой пейджер, в виде тонального вызова.

В качестве передатчика предполагается использовать готовый радиомодуль TXM433F работающий в новом европейском стандарте телекоммуникаций I-ETS 300 220 (см. приложение ). Он предназначен для передачи цифровой информации и представляет собой готовое изделие. Радиомодем подключается к последовательному порту компьютера и передает информацию в эфир в стандарте RS-232C со скоростью 4800 бит/сек. В передатчике используется ЧМ несущей частоты 433,9 Мгц. Генератор несущей стабилизирован фильтром на ПАВ. Этот радиомодем обладает размерами со спичечную коробку и излучает мощность не более 10 мВт (см. рис.3.10 )

Рис.3.10

Формат передаваемых данных такой же, как при передаче по моноканалу. Каждое передаваемое слово в себя включает старт-бит, 8 бит данных,

бит паритета, стоп-бит (см. рис.3.11)

Рис.3.11

В начале каждой передачи 1-ое передаваемое слово будет содержать сплошные единицы, за исключением стартового бита. Это делается для того, чтобы приемник-радиомодем мог надежно фиксировать прием несущей. Второе и третье слова содержат адрес пейджера. Итого в проектируемой системе можно адресовать 2¹⁶=65536 пейджеров. В целях экономии денежных затрат можно предложить другой вариант. Во втором слове и первых четырех битах третьего слова передается адрес пейджера. В оставшихся четырех битах передавать код определенной мелодии. Каждая мелодия “принадлежит” конкретному пользователю. То есть если в одном помещении часто находятся одни и те же люди (оптимально 5 человек), то за каждым из них “закрепляется” определенная мелодия вызова. В этом случае можно адресоваться к 2¹²=4096 пейджерам и на каждом из них вызвать 16 мелодий. Итого: формат передаваемых данных содержит три слова или 33 бита; скорость передачи данных 4800 бит/сек; используется прямая ЧМ несущей частоты 433,9 Мгц; выходная мощность не более 10 мВт (расчет см. ниже).

Пейджер представляет из себя устройство состоящее из радиомодема,

контроллера адреса и вызова, динамика со схемой согласования (рис.3.12)

Рис.3.12

Приемник-радиомодем представляет собой готовое изделие SILRX433A и предназначено для приема цифровой информации и работает в стандарте I-ETS 300 220. Радиомодем построен по типичной для всех модулей супергетеродинной схеме с двойным преобразованием частоты, что позволяет достигать чувствительности в 0,5 мкВ при отношении с/ш 20дБ (см. рис. ). Скважность включения (отношение выкл/вкл) может достигать 100. Радиомодем-приемник SILRX433A работает в паре с радиомодемом-передатчиком TXM433F на частоте 433,92 Мгц. Скорость приема данных в соответствии со скоростью передачи составляет 4800 бит/сек.

Рис.3.13

Краткие характеристики радиомодемов
		Uпит,В	Iпотр,мА	Скорость передачи	Типовая дальность,м	Размеры, мм
TXM433F	передатчик	3_4	10	10000	200	30х20х6
SILRX433A	приемник	4_9	14	5000	200	48х28х6

Функции контроллера адреса и вызова выполняет микроконтроллер AT89C51-20PI серии 80С51 (такой микроконтроллер предполагается использовать в контроллере шлюза). Каждый микроконтроллер имеет свой адрес, который зашит в резидентной памяти программ. Радиомодем обнаружив несущую, выделяет информацию из несущей и передает ее на микроконтроллер. Микроконтроллер “сверяет” полученный адрес со своим адресом и в случае совпадения переходит на подпрограмму вызова адресата.

4.1)Управление надежностью. Контpоль pаботы аппаpатуpы.

Работа системы защиты и контpоля доступа в помещения постpоена таким обpазом, что каждый микpоконтpоллеp полностью обслуживает свой контpоллиpуемый пункт. Постоянно ведется опpос всех датчиков, индикатоpов, переключателей не только с целью обнаружения и контроля доступа на объект, но и с целью обнаружения сбоя или какой-либо поломки в системе. И в случае сбоя в системе микроконтроллер посылает сообщение на ПУ: где, в каком месте и какого вида произошла поломка или сбой в системе. Эта информация фиксируется и идет в архив памяти компьютера.

4.2)Управление надежностью. Контроль за работой персонала.

Одной из важнейших функций СЗКДП является функция контроля. То есть контролируется не только регламент работы аппаратуры, но и работа обслуживающего персонала. В этот контроль входят ( с архивированием в памяти компьютера): время и дата просмотра оператором базы данных; вpемя и дата входа в ПО, таблицы аpхивов(пpи наличии соответствующих полномочий, т. е. идентификатоpа или мастеp-каpты); время и дата внесений изменений в систему. В проектируемой системе предусматривается, что доступ к компьютеру возможен только при наличии мастер-карты. Мастер-карта представляет из себя электронный идентификатор применяемый в качестве идентификации пользователя, с тем отличием в том, что мастер-карта имеет более высокий приоритет, чем обычный идентификатор. Идентификатор и мастер-карта могут иметь одинаковое корпусное исполнение. То есть доступ к базам данных возможен только при наличии мастер-карты.

Произведем системный расчет.

В начале произведем стойкость шифра электронного идентификатора. Стойкость шифра определяется по формуле:

W=V*T/2

где

W — время стойкости шифра

V — количество комбинаций, чтобы раскрыть код

Т — время одной операции или время набора одного кода

Шифр считается стойким если W>10 лет.

Пусть время одной операции будет равно максимальному времени передачи кода от идентификатора к микроконтроллеру, то есть 8,64 мсек. Количество комбинаций определим как 2⁶⁴=1,84*10¹⁹. Тогда

W=1,84*10¹⁹*0,00864/2=7,9*10¹⁶ лет.

Следовательно можно с уверенностью сказать, что шифр является вполне стойким.

Теперь определим вероятность подбора кода, при заданной 10^-6. Вероятность подбора вычисляется по формуле

P=1/(n+1-i)

где

Р — вероятность подбора

n — количество комбинаций ( 2⁶⁴=1,84*10¹⁹)

i — число попыток раскрытия кода

Предполагается, что число пользователей обслуживаемых системой будет в среднем около 1000 человек. Но возьмем предполагаемый максимум 10000 пользователей (хотя может быть и больше). Тогда количество комбинаций соответственно уменьшается в 10000 раз. То есть n равно

n/10000=1,84*10¹⁵

Число попыток (i) будет равно 1. Так как после того как система считает идентификационный код и проверит его по базе данных и не найдет кода в таблице авторизации, сработает сигнализация. Тогда

Р=1/(1,84*10¹⁵+1-1)=5,42*10^-16

Следовательно в плане подбора кода проектируемая система достаточно устойчива.

Рассчитаем дальность радиосвязи при известной чувствительности радиомодема-приемника и максимальной мощности радиомодема-передатчика по следующей формуле [ ].

где R — дальность непосредственной радиосвязи;

P_u — мощность излучения радиомодема;

G_u — КНД излучающей антенны. Предполагается использовать штырьевую антенну с КНД=0,5;

G_прм — КНД приемной антенны;

l — длинна волны несущей;

P₀ — мощность сигнала на входе радиомодема-приемника.

0,01*0,5*0,5*0,692 R= = 1565 м 2,5-13*42*3,142

Тогда

При условии, что система будет эксплуатироваться в зданиях, что внесет затухание сигнала, радиосявзь будет надежной в радиусе 500 метров. Это вполне достаточно для проектируемой системы.

4.Разработка принципиальной схемы

При проектировании системы защиты и контроля доступа в помещения разрабатывалась принципиальная схема контроллера шлюза (см. чертеж “Принципиальная схема”). Она построена в соответствии со структурной схемой. Дальнейшее описание будет происходить с сылками на структурную схему.

Микроконтpоллеp. В качестве контpоллеpа выбpан однокpистальный микpопpоцессоp AT89C51-20PI серии 80С51 (наш аналог КМ1816ВЕ51). Этот микpоконтpоллеp обладает значительными функционально-логическими возможностями и пpедставляет собой эффективное сpедство автоматизации и контpоля доступа на объект. Так как для управления объектами часто применяются алгоритмы, содержащие операции над входными и выходными булевскими переменными (истина/ложь), реализация которых средствами обычных микропроцессоров сопряжена с определенными трудностями, то очень важной особенностью МК51 является его способность опеpиpовать не только байтами, но и битами. Отдельные пpогpаммно-доступные биты могут быть установлены, сброшены, инвертированы, переданы, проверены и использованы в логических операциях.

Основу структурной схемы микроконтроллера образует внутренняя двунаправленная 8-битная шина, которая связывает между собой все основные узлы и устройств: резидентную память, арифметико-логическое устройство, блок регистров специальных функций, устройство управления и порты ввода/вывода (см. приложение ).

Цоколёвка корпуса AT98C51–20PI и наименования выводов показаны на рис.4.1.

Р1.0	—	1		40	—	VCC
Р1.1	—	2		39	—	Р0.0
Р1.2	—	3		38	—	Р0.1
Р1.3	—	4		37	—	Р0.2
Р1.4	—	5		36	—	Р0.3
Р1.5	—	6		35	—	Р0.4
Р1.6	—	7		34	—	Р0.5
Р1.7	—	8		33	—	Р0.6
RST	—	9		32	—	Р0.7
RXD	—	10		31	—	ЕА/VPP
TXD	—	11		30	—	ALE
INT0	—	12		29	—	PSEN
INT1	—	13		28	—	Р2.7
T0	—	14		27	—	Р2.6
T1	—	15		26	—	Р2.5
WR	—	16		25	—	Р2.4
RD	—	17		24	—	Р2.3
XTAL2	—	18		23	—	Р2.2
XTAL1	—	19		22	—	Р2.1
VSS	—	20		21	—	Р2.0

Рис. 4.1. Цоколёвка корпуса AT98C51–20PI

AT98C51–20PI выполнен на основе высокоуровневой n–МОП технологии и выпускается в корпусе БИС, имеющим 40 внешних выводов. Для работы микроконтроллера требуется один источник электропитания +5 В. Через четыре программируемых порта ввода/вывода AT98C51–20PI взаимодействует со средой в стандарте ТТЛ–схем с тремя состояниями выхода.

Корпус микроконтроллера (МК) имеет два вывода для подключения кварцевого резонатора, четыре вывода для сигналов, управляющих режимом работы МК, и восемь линий порта 3, которые могут быть запрограмированны на выполнение специализированных функций обмена информацией со средой.

Синхронизация МК. 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, предназначенные для соединений пайкой, миниатюрный плоский корпус, хорошо компонуется в современной аппаратуре. Он подключается к выводам XTAL1 и XTAL2 (рис.4.2). По рекомендации изготовителей микроконтроллера конденсаторы C9 и С10: КД–1 ёмкостью 20пФ каждый.

Системный сброс AT98C51–20PI по рекомендации изготовителей осуществляется путём подачи на вход RST сигнала 1. Для уверенного сброса этот сигнал должен быть удержан на входе RST по меньшей мере в течение двух машинных циклов (24 периода резонатора). Время, необходимое для полного заряда ёмкости, обеспечивает уверенный запуск резонатора и его работу в течение более чем двух машинных циклов.

Связь микроконтроллера с датчиками и исполнительными механизмами обеспечивается через все имеющиеся выходные порты. Из-за низкой нагрузочной способности выходов МК для всех исполнительных механизмов и датчиков потребуются усилители мощности и согласователи уровней напряжений. Произведем их расчет.

Расчет индикаторов. В качестве светодиодов VD1, VD2 применим светоизлучающий диод АЛ336К красного цвета свечения с силой света не менее 40 мкд, а в качестве VD3, VD4 светоизлучающий диод АЛ336Г зеленого цвета свечения с силой света не менее 15 мкд. Для задания тока через светодиоды, последовательно с ними включим резисторы R1,R2,R3,R4. Для согласования микроконтроллера со светодиодами и его защиты будем подключать их через буферные формирователи. Выберем микросхему ТТЛ К155ЛП9 (DD1). Она содержит шесть буферных формирователей с открытым коллектором и повышенным коллекторным напряжением. Ее параметры:

U0вых, не более	U1вых, не менее	I0вх, не более	I1вх, не более	Iпот, не более
В	В	мА	мА	мА
0,4	2,4	-1,6	0,04	50

Определим номиналы резисторов.

При прямом падении напряжении на светодиоде 2 В и токе свечения 10 мА сопротивление каждого резистора:

R = [Uпит - Uпр]/Iпр =[5-2]/0,01=300 Ом. (4.1)

Рассеиваемая мощность резистора определяется исходя из тока, протекаемого через него по формуле

P = RI² = 300х0,01² = 0,03 Вт. (4.2)

Таким образом сопротивление резисторов R1,R2,R3,R4 равно по 300 Ом каждый. В качестве номиналов выберем C2-33H–0,125–300Ом–±10%.

Рассчитаем схему связи микроконтроллера с компьютером, которая включает в себя приемник и передатчик. Схема представляет из себя традиционную схему включения транзисторных ключей с буферными элементами [ ].Узел сопряжения с локальной сетью при передаче собран на DD4.2 и транзисторе VT₂ совместно с портом Р3.1 (выход TXD — используется как универсальный асинхронный приемопередатчик). Резистор R₉ выбирается исходя из тока в линии связи. Приемный узел сопряжения собран на DD4.1 и VT₁ с использованием порта Р3.0 (вход RXD — вход данных универсального асинхронного приемопередатчика). Конденсаторы С1,С2,С3,С4 используются для повышения помехоустойчивости. Резисторы R₆ и R₇ задают рабочую точку ключа , собранного на транзисторе VT₁. Нагрузкой каскада является резистор R₅.

В качестве буферных элементов используется интегральная микросхема К1533ЛН5, которая представляет из себя шесть буферных логических элементов НЕ. Причем выходы с открытыми коллекторами. Параметры микросхемы:

U0вых, не более	U1вых, не менее	I0вх, не более	I1вх, не более	Iпот, не более
В	В	мА	мА	мА
0,7	2,4	-1,6	0,04	77

Проведем расчет элементов узла.

Задаемся током линии в передающем каскаде I_л = 20 мА [ ] и E_п = 12В, находим R_к (R_к=R9).

R_к = E_п / I_л = 12/0,02=600 Ом ; ( )

Определим мощность выделяемую на резисторе.

Р=I²*R_к=0,02²*600=0,24 Вт; ( )

R_б = В х R_к =100х600=60 кОм ; ( )

где В = 100 - коэффициент усиления транзистора в ключевом режиме.

Задаемся током коллектора транзистора в приемном каскаде I_к = 1 мА и E_п = 5 В , определяем R_к(R_к=R5)в приемном каскаде.

R _к = E_п / I_к = 5/0,001=5 кОм ; ( )

Резистор R_б (R_б=R6) в базе находим через В.

R_б = В х R_к = 50 кОм. ( )

Резистор R7 задает рабочую точку транзистора в каскаде , так чтобы он не уходил в область глубокого насыщения и находился на границах активного режима . Он рассчитывается исходя из U_бэ = 0.7 В , U_пор = 6 В.

I_б = U_пор / R_б =6/50000= 0.12 мА ; (4.7)

R7 = U_бэ / I_б =0,7/0,00012= 5.8 кОм.

По цепям питания ставим помехоподавляющие конденсаторы. C1 и С3 выбираются 10n [ ]. Они служат для подавления ВЧ составляющих помех. Конденсаторы С2,С4 выбираются равными 100мк х 16В [ ]. Они служат для подавления НЧ-компонент по питанию. Тогда выберем из [ ] номиналы конденсаторов:

С1,С3 — К10-17 10n+20%

C2,C4 — К50-16 100мк ^х16В

Выберем номиналы резисторов. Так как при самом большем токе мощность выделяемая на резисторе R9 (R9=R_к) равна 0,24 Вт, тогда R9 выбираем МЛТ- 0,25-5,1кОм±10%. На остальных резисторах выделяется мощность меньше 0,125Вт. Тогда выберем [ ]:

R5 — C2-33H–0,125–5,1кОм–±10%;

R6 — C2-33H –0,125–51кОм–±10%;

R7 — C2-33H –0,125–5,6кОм–±10%;

R8 — C2-33H –0,125–56кОм–±10%;

В качестве транзисторов VT1,VT2 выберем мощный переключающий транзистор КТ972 [ ]. Кроме того в схеме предполагается применить импульсные диоды с малым временем переключения VD5,VD6 — КД521А. Диоды служат для защиты входных каскадов от высоких статических напряжений и импульсных выбросов.

Для питания схемы используются два стабилизированных источника напряжения : + 5 В , + 12 В.

Рассчитаем схему звукового сигнализатора.

На транзисторе VT₄ собран блок выдачи сигнала тревоги ,представляющий собой электронный транзисторный ключ , подключенный к порту Р.3.4. Элементы ключа рассчитываются исходя из следующих параметров :

U_бэ = 0.7 В , U₁= 3.5 В , I_б = 1 мА.

R₁₄ = U_бэ / I_б = 750 Ом ;

R₁₃ = U₁ - U_бэ / I_б = 2,7 кОм.

Нагрузкой каскада является динамическая головка В1 типа 2ГДШ - 4.

Опишем схему считывателя кода идентификатора. Эта схема включения рекомендуется предприятием-изготовителем электронного идентификатора.

На логических элементах DD4.3 и DD4.4 , а также транзисторе VT₃ собрано приемно - передающее устройство электронного ключа . Параметры каскада и элементов , рекомендуются изготовителем ключа фирмой “ Touch memory “. Приемная часть передает сигнал на порт Р.3.2 , а передаются управляющие команды с порта Р.3.5. Конденсаторы С₅ и С₆ служат фильтрами по питанию : С₆ - по низким частотам , а С₅ - по высоким частотам. Резистор R₁₁ предназначен для защиты схемы от короткого замыкания на входном гнезде. Диоды VD₇ и VD₈ предназначены для защиты входного каскада от электростатических разрядов. Будем использовать диоды КД521 , как диоды с большим быстродействием , основанным на эффекте Шотки.

Такая же схема применена во втором считывателе кода идентификатора, с тем отличием, что второй считыватель кода подключается к портам Р3.3 и Р3.7 соответственно.

Рассчитаем схему подключения датчиков контроля положения дверей. В схеме используется описанная выше микросхема К1533ЛП9 выполняющая роль буферных элементов (DD2, DD3.1, DD3.2). В качестве датчиков предлагается использовать кнопочные выключатели с самовозвратом. Рассчитаем резисторы R18_R25. Нагрузочный ток выберем равным 5 мА. Тогда

R=U/ I=5/ 0,005=1 кОм. ( )

Мощность рассеиваемая резистором будет равна:

Р=I²*R=0,005²*1000=0,025 Ом.

Из [ ] выберем для R18_R25 следующие номиналы: C2-33H - 0,125 - 1кОм +10%.

Теперь произведем расчет для схемы управления электродвигателем. Так как микроконтроллер должен быть связан с мощным потребителем энергии, нужно предусмотреть в схеме управления гальваническую развязку между микроконтроллером и электродвигателем. Электромотор включается подачей логической единицы на порт Р1.6.(выключается нулем). В связи с этим предлагается применить оптронную развязку со схемой рекомендуемой предприятием-изготовителем. Оптрон типа — твердотельное реле 5П19Т. Его параметры: I_вх=25мА; U_ком=+400В; t_cраб,max=0,01мс; I_{вх и}=10мА; I_вых=1 А; тип корпуса 37х24х11 мм. Оптрон связан с микроконтроллером через буферный элемент НЕ и резистор R26 сопротивлением 360 Ом. Такая же схема включения идет на второй электродвигатель(порт Р1.7).

Для задания направления вращения электродвигателя предлагается использовать электромагнит(“1”-- вращение по часовой стрелке; “0”--вращение против часовой стрелки).Электромагнитный замок собран на транзисторе VT₆ и подключен на порт Р.1.4. Резистор в базе рассчитывается исходя из тока коллектора транзистора. Диод VD₁₁ предназначен для защиты транзистора во время включения и выключения , так как катушка электромагнита является индуктивной нагрузкой. Из [ ] выбираем диод КД226.

Расчет схемы контроля датчика физической массы пользователя. Так как для контроля массы в шлюзе предполагается использовать в качестве датчика массы обычные весы с аналоговым сигналом на выходе, то необходимо применить аналого-цифровой преобразователь. Для оцифровки этого напряжения необходимо использовать АЦП, который должен удовлетворять следующим требованиям: легко сопрягаться с микроконтроллером и требовать минимум внешних элементов для сиоей работы. Таким требованиям удовлетворяет микросхема К1113ПВ1 [ ]. Это функционально-законченный АЦП, основные технические характеристики которого следующие:

диапазон изменения входных напряжений — от -5 до +5 вольт;

разрядность — 10 бит;

время преобразования — 30мксек;

логические выходные сигналы — ТТЛ.

Работает схема следующим образом. При поступлении на вход “Запуск” АЦП сигнала низкого уровня запускается его внутренний генератор, и начинается процесс преобразования величины напряжения, присутствующего на выводе 13, в цифровую форму. Через 30 мксек. этот процесс заканчивается и на выходы D1_D10 выдается цифровой код. О том, что данные поступили на выход, АЦП сообщает выдачей сигнала низкого уровня на выводе 17 (“Готовность”). Во время преобразования выходные линии данных находятся в Z-состоянии. Уровень логического нуля на выводе 15 определяет работу АЦП в режиме преобразования однополярного входного напряжения. Питается схема двуполярным напряжением +5В и -15В.

Так как высокой точности определения положения R₂₉ не требуется, то ограничимся разбиением всего диапазона положений на 128 уровней. Тогда для представления номера каждого уровня потребуется log₂128=7 двоичных разрядов. Поэтому задействованы будут выходы D1_D7 АЦП. Определим теперь диапазон входных напряжений, которые необходимо снимать с датчика для получения на выходе АЦП кодов от 0 до 128 (от 0000000 до 1111111 в двоичном представлении). При работе с однополярными входными сигналами диапазон входных напряжений составляет от 0 до 10 вольт. Им соответствует выходные двоичные коды от 0 до 1023 ( т. е. от 0000000000 до 1111111111). Таким образом, вес младшего разряда составляет 10/1023 В - т.е. приблизительно 10мВ. Тогда для получения кода “1111111” необходимо подать входное напряжение 10*128=1,28 В. При перемещении движка реостатного датчика R₂₉ в верхнее по схеме положение, напряжение на входе АЦП составит:

U=5*R₂₉/(R₂₉+R₂₈) ( )

Приравнивая его к 1,28 , находим требуемое сопротивление резистора шкалы R₂₈:

R₂₈=3,9*R₂₉

Резистор R₂₈ выбран переменным для возможности подстройки под конкретный тип датчика. Итак, для обработки сигналов от датчика массы потребуется девять линий связи с микроконтроллером: семь линий данных и две линии управления (запуска и готовности).

5.Разработка алгоритма управляющей программы

При проектировании системы в основу данной разработки блок-схемы алгоритма (БСА) была положена та же процедура модульного проектирования, которая традиционно используется разработчиками аппаратурных средств. Алгоритм управляющей программы составлен для контроллера шлюза и ориентирован на микроконтроллер AT89C51-20PI (см. чертеж “Блок схема алгоритма”).

Алгоритм имеет разветвленную структуру и дальнейшее его описание будет происходить в строгом соответствии с каждым символом-блоком действий.

Запрос прерывания. Алгоритм начинается с проверки условий запроса прерывания. Имеется в виду прерывание по портам P3.2 (INT0) и P3.3(INT1). Инициатором прерывания являются электронные идентификаторы. Регистор масок прерываний устанавливается в “разрешение внешних прерываний”. От внешних прерываний (если пользователь прикоснулся идентификатором считывателя кода) устанавливаются флаги IE0 или IE1 в регистре TCON, которые инициируют вызов соответствующей подпрограммы обслуживания прерывания. Флаги опрашиваются аппаратно в каждом машинном цикле. Внешние прерывания INT0 и INT1 вызываются переходом сигнала из 1 в 0 на входах МК51. То есть проверка запроса прерывания заключается в проверке условий: установлен флаг IE0 (или IE1) или нет. Если флаг установлен, значит есть запрос прерывания и программа переходит к обслуживанию ввода 64-ех битного кода идентификатора пользователя. Если флаг не установлен (то есть нет запроса прерывания), тогда программа переходит к блоку обработки — “Опрос датчиков”.

Ввод кода. После того как обнаружено прерывание, происходит переход к вводу идентификационного кода, который заключается в комбинациях минизадержек и опросов порта P3.2 (или P3.3). Задержка организуется запуском таймера (105 мксек), в течении которой опрашиваются входные порты. Инициатором запуска таймера выступает микроконтроллер, который выдает “стробирующие импульсы” на выход порта P3.5( или Р3.7) и переходит в режим ожидания ответа от идентификатора в течении задержки. Считывая код, микроконтроллер каждый бит заносит в резидентную память данных. Программа считывания кода с идентификатора приведена в приложении 3.

ИК1=1; ИК2=1. После того как код считан и занесен в РПД, программа переходит к следующему блоку. В данном случае блок индикации. Контроллер настраивает порты Р1.0 и Р1.1 на вывод логических нулей, для того чтобы “зажечь” красные светодиоды на обеих сторонах шлюза. Красные светодиоды сигнализируют пользователю, что код считан и система обрабатывает полученные данные, причем внешние прерывания от идентификаторов игнорируются. Затем программа переходит к блоку передачи кода в моноканал.

4) Вывод кода. Вывод кода в моноканал для передачи его на пульт управления происходит следующим образом. МК51 переходит в режим ожидания запроса от пульта управления. Имеется в виду следующее.

В регистре специальных функций SCON микроконтроллера имеется управляющий бит SM2, который в режиме 3 УАПП позволяет относительно простыми средствами реализовать обмен информацией в локальной сети между контроллерами и пультом управления (компьютером). Механизм обмена информацией через последовательный порт МК51 построен на том, что в режиме 3 программируемый девятый бит данных при приеме фиксируется в бите RB8. УАПП программируется таким образом, что при получении стоп-бита прерывание от приемника будет возможно только при условии RB8=1. Это выполняется установкой управляющего бита SM2 в регистре SCON. Компьютер в протокольном режиме “широковещательной” передачи (всем ведомым контроллерам) выдает в моноканал слово-адрес микроконтроллера, которое отличается от слов-данных только тем, что в его девятом бите содержится 1. Программа реализации протокола сетевого обмена информацией построена таким образом, что при получении слова-адреса, МК51 сверяет полученный адрес со своим адресом и в случае совпадения выдает в моноканал слово подтверждающее запрос адреса. Затем сбрасывает свой управляющий бит SM2 и готовится к подтверждению ответа от компьютера. После подтверждения микроконтроллер переходит к передаче кода-идентификатора в моноканал и заканчивает передачей кода “конец связи”. Передача ведется в режиме 3 УАПП.

Ожидание1. “Ожидание1” является подпрограммой обслуживающей обмен данными между компьютером и контроллером. Когда МК51 передает данные в моноканал он затем переходит в режим ожидания от компьютера. Это реализуется аппаратурной реализацией временного интервала на основе таймера задержки длительностью 2мсек.

В задачу ожидания также входит определение момента прихода ответа от компьютера. Для этого каждые два цикла микроконтроллера опрашивается регистор SCON.0( или бит RI). Бит RI устанавливается аппаратно в единичное состояние для фиксации приема байта в регистре SBUF. (Флаг прерывания приемника RI устанавливается аппаратурно в середине периода стоп-бита в режиме 3. Подпрограмма обслуживания прерывания должна сбрасывать бит RI). То есть если обнаружено, что в течении ожидания RI=1, значит пришел ответ от компьютера.

Ввод ответа. В течении ожидания приходит ответ от компьютера, который заносится в РПД. А в резидентной памяти программ (РПП) хранятся коды правильных и неправильных кодов-ответов (см. Таблицу5.1)

Таблица 5.1

адрес РПП	информационный код	назначение
0CH	00001111	пользователь идентифицирован
0DH	11110000	пользователь неидентифицирован
0EH	00011111	подлиность подтверждена
0FH	11100000	подлиность неподтверждена

Сверяя полученные ответы с хранящимися кодами, МК51 принимает соответствующее решение о переходе на ту или иную подпрограмму.

Опрос датчиков. Контроллер обрабатывает информацию снимаемую с датчиков. Эта задача реализуется обращением к порту P.0 и сравнении снятого кода с таблицей кодов положения дверей хранящихся в РПП (см. таблицу 5.2)

Таблица 5.2

	положение дверей
	закрыто	нейтрально	открыто
д1.1	1	0	1
д1.2	1	0	0
д1.3	1	0	0
д1.4	1	0	1
д2.1	1	0	1
д2.2	1	0	0
д2.3	1	0	0
д2.4	1	0	1

Таблица 5.3

адрес РПП	информационный код	назначение
05H	00001001	двери1 открыты
06H	00001111	двери1 закрыты
07H	10010000	двери2 открыты
08H	11110000	двери2 закрыты

В таблице 5.3 хранятся коды соответствующие возможным положениям дверей шлюза. В нейтральном положении на входе порта Р.0 присутствуют все нули (т. е. 00000000). В зависимости от считанного кода порта Р.0 принимается соответствующее решение о переходе на соответствующую подпрограмму.

Кроме того опрашивается порт Р.2 , который предназначен для считывания кода с АЦП, в котором содержится информация о физической массе. Если масса равна нулю и двери закрыты происходит переход на начало программы. В случае не выполнения этих условий запускается подпрограмма инициализации запуска тревоги, которая заключается в передаче соответствующего кода на пульт управления.

Микроконтроллер переходит в режим ожидания запроса адреса от компьютера (См. блок “Вывод кода”). Установив связь с компьютером МК сбрасывает в регистр SBUF байт соответствующей определенному виду тревоги. Т.е. если масса не равна нулю то в SBUF записывается 01011000 (что говорит о присутствии в шлюзе нарушителя), если двери открыты, то в SBUF записывается 00001001 или 10010000 (что говорит о саботаже работы дверей). Запись в SBUF означает автоматическую передачу кода в моноканал.

Звуковая сигнализация. После выдачи в моноканал кода-тревоги, МК инициирует подпрограмму включения звуковой сигнализации, которая предупреждает нарушителя о саботаже работы системы. Длительность звуковой сигнализации — 5 секунд. После чего программа снова возвращается к опросу датчиков. Еще раз опросив датчики и если условие m=0, d=0 (т.е. масса =0, двери закрыты) программа возвращается в начало.

ИК1=0, ИЗ1=1. Если пользователь идентифицирован программа переходит к следующей операции: погасить красный светодиод на входе в шлюз (на выходе красный остается включенный), включить зеленый. Для этого на порт P.1.0. подается 1, на порт Р.1.2 подается 0. Если пользователь не идентифицирован происходит переход на подпрограмму запуска звуковой сигнализации, а затем в начало программы.

После того как пользователь идентифицировался запускается подпрограмма открывания сдвижных дверей (см. приложение 3) и переход в режим ожидания. Ожидание заключается в аппаратно-программной задержке на 10 секунд для того, чтобы дать пользователю время войти в шлюз. Если по истечении этого времени он не войдет, двери автоматически закрываются. В течении задержки программа постоянно (каждые 10 циклов) опрашивает датчик массы. Как только не выполняется условие m=0, происходит переход к следующему блоку программы. А именно — закрытие дверей1. Закрытие дверей заключается не только в подаче кода-закрытия на Р.1.6. и Р.1.4. Попутно с запуском подпрограммы задержки (на время закрытия двери) происходит опрос датчиков для обнаружения возможного факта нарушения регламента работы сдвижных дверей. Т.е. если во время задержки двери не будут закрыты, поступит команда на их повторное открывание (ситуация — пользователь не спел войти в шлюз). Если по истечении одной минуты конфликтная ситуация не разрешится с компьютера поступит код-сигнал блокировки дверей до прихода службы безопасности. Если пользователь находится в шлюзе (m не равна 0, т.е. код на порте Р.2.1-Р2.7 не равен 0) программа переходит к ожиданию кода своего сетевого адреса на входе УАПП (см. ввод кода). После установки связи контроллер выдает в моноканал код соответствующий массе пользователя после чего переходит в режим ожидания1 (см. приложение 3) ответа от компьютера. Полученный код сверяется с адресом 0СН в случае совпадения — переход к подпрограме “открытия двери”.

Основные подпрограммы приведены в приложении 3

6.Разработка конструкции печатной платы

Под конструктивным расчетом печатной платы понимается расчет геометрических размеров платы, компоновка радиодеталей на плате, выбор материала платы и др.

В данном дипломном проекте необходимо произвести расчет платы контроллера шлюза. В начале произведем расчет предполагаемой площади и геометрических размеров, затем выберем материал печатной платы, и произведем трассировку. Для расчета площади платы необходимо подсчитать количество компонентов каждого класса, определить геометрические размеры этой платы.

По размещению проводящего рисунка печатные платы делятся на односторонние, двусторонние и многослойные.

Односторонняя печатная плата проста по конструкции и несложна в изготовлении, но при существующих системах трассировки на ней практически невозможно выполнить сложные схемы. Поэтому была произведена автоматическая трассировка платы в системе PCCARDS на две стороны. Высокая плотность проводников, полученная при трассировке, позволяет выполнить монтаж платы с высокой плотностью, что экономит материал платы.

В качестве основного материала для печатных плат используется фольгированные и нефольгированные листовые диэлектрики. Исходными для изготовления фольгированных диэлектриков могут быть бумага или стеклоткань, пропитанные синтетическими смолами или полимерные пленки из лавсана, фторопласта. На поверхность этих материалов приклеивается металлическая фольга.

В качестве материала для печатной платы выберем стеклотекстолит фольгированный СТФ - 2 со следующими параметрами: толщина фольги 35 мкм, толщина материала с фольгой 2 мм, прочность сцепления 450 гс/3 мм.

Размещение элементов конструкции печатной платы регламентируется условной координатной сеткой из двух взаимно перпендикулярных систем параллельных линий, расположенных на одинаковом ( 2.5 мм или 1.25 мм) расстоянии друг от друга. Центры монтажных отверстий и контактных площадок под выводы навесных радиоэлементов располагают в узлах координатной сетки.

Расчет размеров печатной платы произведем по формуле:

Sэ = k*(S1 + S2) (6.1)

где Sэ-суммарная площадь элементов;

S1-площадь малых элементов;

S2-площадь больших элементов; k - коэффициент плотности.

Для определения суммарной площади определим количество элементов.

Таблица 6.1.

НАИМЕНОВАНИЕ	КОЛ-ВО ЭЛЕМЕНТОВ	ПЛОЩАДЬ ЭЛЕМЕНТА
РЕЗИСТОРЫ	31	0.7
КОНДЕНСАТОРЫ	10	0.3
ДИОДЫ	8	0.4
КВАРЦ	1	5.5
ТРАНЗИСТОРЫ	5 4	0.8 0.6
ОПТРОНЫ	2	3.8
МИКРОСХЕМЫ	5 1 1	1.5 4.6 2.1

S1 = Sк + Sд = 10*0,3 + 8*0,4 = 6,2 см²

S2= Sр + Sмс + Sкв + Sтр + Sоп = 0,7*31+5,5*1+0,8*5+0,6*4+3,8*2+1,5*5+4,6*1+2,1*1 = 58.7 см²

К=8 , (Монтаж двухсторонний при средней плотности)

Sэ = 8*(6,2 + 58,7) = 519,2 см²

Печатная плата разведена автоматически, элементы размещались на площади 150:150 мм. Соотношение сторон выбрано 1:1. После разводки элементы удалось разместить более компактно получили 140х140 мм соответственно.

В результате конструктивного расчета получили, что контроллер шлюза будет располагаться на двухсторонней стеклотекстолитовой фольгированной плате размерами 130х140 мм.

Вид печатной платы со стороны деталей изображен на чертеже “Конструкция печатной платы”.

Печатная плата разведена при помощи пакета PCAD (Personal CAD System) версии 4.50. Расстановка элементов на печатной плате и трассировка электрических связей производилась автоматически при помощи интеллектуального графического редактора PCCARDS. Использовались также программы автоматического размещения элементов (PCPLACE) и трассировки электрических связей (PCROUTE) в виду относительной сложности схемы и, соответственно, печатной платы.