Проектирование принципиальной схемы системы автомобиля

Ни рисунке 4.8 видно, что в отличии от принципиальной схемы автомобильного радиоключа, принципиальная схема системы автомобиля имеет в своём составе схему понижения и стабилизации напряжения LM7805, что обусловлено тем, что схема автомобиля получает питание от бортовой системы автомобиля, которое имеет напряжение в 12 вольт, а цифровые элементы схемы требуют напряжения питания в 5 вольт.

Так же в системе присутствует модуль генерации случайных чисел. Он необходим системе для генерации случайного параметра протокола аутентификации. Устройство данного модуля рассмотрено в соответствующем разделе данной работы. Данный модуль подключен к главному микроконтроллеру посредством интерфейса USART, помимо этого он получает сигнал питания из главной схемы и сигнал с источников энтропии. В данной работе случайные данные представляют собой колебания напряжения питания, получаемого из бортовой сети автомобиля. Возможно подключение других источников случайных данных, при наличии таковых.

В отличие от микроконтроллера радиоключа, микроконтроллер системы автомобиля имеет подключенный к нему кварцевый генератор, это сделано для увеличения скорости работы системы. Так же это оправданно возможностью несколько большего энергопотребления системы автомобиля за счёт наличия аккумулятора большей ёмкости.

Рисунок 4.8 – Упрощённая принципиальная схема системы автомобиля

Схема приёмопередатчика обладает выводом под внешнюю антенну. Разработанная схема устройства подразумевает возможность подключения внешней антенны с целью увеличения дальности работы системы приёмопередатчика. Документация на приёмопередатчик указывает, что дальность работы устройства на открытой местности составляет порядка 85 метров, что достаточно для удобства пользователя, однако внешняя антенна позволит несколько увеличить дальность, что имеет некоторый смысл, так как некоторые автостоянки имеют больший размер, чем 85 метров по наибольшей стороне, возможно пользователь захочет иметь возможность управления своим транспортным средством с большего расстояния, нежеди, чем 85 метров.

В отличие от схемы радиоключа, схема автомобиля не имеет каких либо элементов коммутации, так как в них отсутствует необходимость. Однако в ходе инженерно-конструкторского проектирования схемы было принято решения разместить на устройстве один элемент сигнализации – светодиод. Светодиод производит оповещение во время корректной работы системы и может быть выведен на любое заметное пользователю место в транспортном средстве.

Так как состояние системы всегда детерминировано, выход сброса системы (RESET) подключен на землю, что означает отсутствие возможности сброса состояния системы. Это оправданно за счёт специфики работы системы.

Схема имеет один вход, через который она получает питание из бортовой сети автомобиля, данный вход представляет собой гнездо, в которое подключается штырь контакта питания. Так же в системе присутствует два выхода на систему блокировки транспортного средства. На них подаётся сигнал в 5 вольт при успешном осуществлении протокола аутентификации. Ожидается, что работу системы под конкретное транспортное средство необходимо будет специально адаптировать.

Итоговая принципиальная схема устройства радиоключа и системы автомобиля представлена в приложении. На полной схеме изображён приёмопередаточный тракт, а так же развёрнуты такие подсхемы, как модуль генератора случайных чисел.

Вывод

Спроектированная принципиальная схема системы соответствует разработанному программному коду в соответствующей главе данной работы. Каждый модуль конечного устройства содержит решающее устройство в виде микроконтроллера Atmega 8. В данном разделе обоснован выбор этого микроконтроллера. Возможно данное микропроцессорное устройство является в какой-то мере избыточным для решаемых задач, однако оно позволяет хорошо проанализировать работу проектируемого устройства и упрощает задачу написания достаточно высокоуровневых алгоритмов протокола аутентификации за счёт поддержки языка программирования си, который позволяет потратить большие ресурсы на продумывание, разрабатываемых алгоритмов, нежели, чем на написание кода программ.

Так же выбрано и спроектировано устройство схемы радиосвязи, что является важной составляющей проектируемой системы. Устройством приёмопередатчика обладает, как радиоключ, так и запирающая система автомобиля. Выбранная микросхема приёмопередатчика осуществляет множество важных необходимых процедур во время связи по радиоканалу, таких, как проверка сообщения на целостность, модуляция передаваемого сообщения, а так же повторная отправка в случае неуспешной проверки сообщения на целостность.

Так же для запирающей системы была выбрана микросхема, осуществляющая понижение и стабилизацию питания. Данная часть схемы является важным элементом, так как запирающая система осуществляет питание от достаточно нестабильного напряжения бортовой системы транспортного средства. Так же нестабильное напряжение бортовое системы автомобиля используется, как источник энтропии для генератора случайных чисел.

Спроектированный генератор случайных чисел содержит входы для дополнительных источников энтропии, таким образом позволяет уменьшить риски отказа генератора случайных чисел путём подключения каких-либо других источников случайности. Генератор случайных чисел снабжён микросхемой часов реального времени, которая так же хранит информацию о текущей дате, что так же выгодно использовать при инициализации состояния генератора.

5 Энергосбережение при проектировании систем радиоэлектронной связи

В данной работе проектируется система аутентификации пользователя транспортного средства. Данный проект призван заменить сторонние системы с закрытой спецификацией, разработанным протоколом, предоставляющими надёжную защиту транспортного средства. Разработанное устройство позволит защитить транспортное средство от большинства атак по стороннему каналу.

Проектируемая в данной работе система представляет устройство из двух частей, каждая на базе микроконтроллеров. Первая часть, более сложная – это система работающая со стороны транспортного средства. Данная система состоит из модуля аутентификации пользователя и модуля генератора случайных чисел. Оба модуля имеют своим главным компонентом микроконтроллер семейства Atmega.

Питание системы осуществляется за счёт автомобильного аккумулятора. Напряжение с него уменьшается до допустимого с помощью DC-DC преобразователя. Автомобиль является устройством автономным и расход заряда аккумулятора должен быть строго ограничен. Неверно спроектированная система может допустить преждевременный расход аккумулятора, что недопустимо для транспортного средства.

Вторая часть – это радиоключ, часть системы физически отделённая от схемы транспортного средства. Данное устройство так же имеет в своей основе микроконтроллер с ограниченным минимальным током потребления, что необходимо брать в расчёт при анализе энергопотребления и энергосбережения устройства. Радиоключ – так же автономная система, однако в отличие от системы автомобиля питание которой осуществляется от аккумулятора, имеющего достаточно большую ёмкость, питание радиоключа осуществлется от небольшой батареи. Этот фактор обуславливает необходимость внимательного изучения возможностей энергосбережения данного устройства, так как небольшая батарея имеет весьма ограниченный ресурс.

Наиболее уязвимое место в системе в плане ограниченности энергетических ресурсов – это радиоключ. Исходя из этого, а так же того факта, что инженерные и технологические решения для улучшения энергосбережения микроконтроллера радиоключа в том числе будут актуальны для микроконтроллера, работающего на системе автомобиля, можно ограничиться рассмотрением только оптимизации энергосбережения микроконтроллера радиоключа, однако применить найденные решения и для системы автомобиля.

Система автомобиля, хоть и является автономным объектом, имеющим питание от аккумулятора с ограниченным ресурсом, всё-таки обладает гораздо большим запасом энергии, чем небольшой радиоключ, однако при проектировании запирающей системы автомобиля так же необходимо уделить немало внимания энергопотребления, так как расход автомобильного аккумулятора является достаточно важным параметром любой автомобильной системы.

Проектируемая система работает от источника питания в 5 вольт, что исключает возможности поражения пользователя током. Так же система не содержит взрывчатых либо пожароопасных веществ. Передача сообщений по радиоканалу осуществляется на частоте 2, 4 ГГц и мощностью передатчика в -85 дБм, что безопасно для человека и домашних животных.