> Реферат <
по теме выпускной работы
Разработка и исследование структуры мобильной системы на базе FPGA-технологии
Введение
На современном этапе развития общества безопасность материальных ценностей разных форм собственности невозможная без использования надежной и эффективной охраны. В свою очередь эффективная охрана сегодня немыслимая без использования разных технических средств, которые позволяют осуществлять круглосуточную охрану объектов, максимально исключив человеческий фактор, понизить затраты на ее содержание и существенным образом повысить ее надежность. Противоугонная система - это общий термин для обозначения автоматизированного комплекса, который составляется из совокупности разных устройств, оповещателей, контролеров, блоков основного и резервного питания, устройств приема и передачи информации, управление и контроля доступа, а также других дополнительных устройств. Надежность противоугонной системы зависит от качества, как самого оборудования, так и его надежного монтажа и подключения. Система, которая разрабатывается, является автономным модулем, который легко можно запрятать, например, под капотом автомобиля или в любом другом «уютном» месте. Единым условием является наличие питания, но в автомобилях это не является проблемой. Для реализации задуманного проекта используются разные цифровые компоненты, согласованность их работы и является главной целью данной разработки.
Актуальность
Мобильная Gsm-Система является функциональным и надежным устройством и имеет компактный вид. Такие достоинства дают возможность широкого применения. Основным назначением является обеспечения надежной охраны подвижных объектов (автомобиль, яхта, мопед, самолет и т.д.). Компактность и надежность блока усложняет поиск местонахождения системы, к тому же такие системы не являются частью базовой комплектации автомобиля или мопеда, поэтому вор может и не догадываться о существовании такой эффективной системы. Управление таким устройством не вызывает осложнений у пользователя, потому что мобильные телефоны и Internet в настоящее время является необходимой частью нашей жизни. Средства Gsm-связи и Gps-навигации являются очень эффективными и надежными, а Microblaze быстрым и мощным процессором, поэтому система надежная и функциональная. Таким образом, реализация мобильной GSM – системы очень разностороняя и может найти применение, в автомобильной промышленности.
Обзор исследований
В сети Internet есть несколько видов подобных устройств. Но многие из них используют микроконтроллеры в качестве управляющего устройства, в нашем случае сердцем устройства является ПЛИС. Ниже приведенные несколько страниц, на которых описываются несколько аналогов:
Различие, на наш взгляд, должны состоять в скорости передачи информации, размерах и цене. Эти три отличия позволяют устройству конкурировать на рынке с подобными устройствами.
Различие в скорости появляется благодаря ПЛИС. Fpga-технология благодаря вентильной архитектуре, более быстрее чем у микроконтроллеров, в которой все организовано на программном уровне.
Цели и задача разработки и исследований
Главной целью проекта является разработка и исследования новой структуры мобильной системы на базе FPGA-технологии, которая по своим технико-экономическим характеристикам лучше аналогов. Для достижения поставленной цели необходимо поставить задачи:
- рассмотреть существующие аналоги, выявить недостатки и достоинства;
- исследовать структуру существующих устройств;
- обоснованно выбрать необходимые Ат-команды для программирования GSM;
- исследовать рынок ПЛИС, обозначить недостатки и достоинства;
- выбрать САПР для программирования ПЛИС и исследовать интерфейс;
- разработать собственную структурную схему устройства;
- опираясь на структурную схему, разработать принципиальную схему;
- написание кода программы;
- отладка программы с помощью отладочной платы;
- загрузка кода на выбранную ПЛИС;
- спаять схему устройства, опираясь на принципиальную схему.
Запланированные практические результаты
На защиту планируется выносится новая структура мобильной GSM – системы на базе FPGA отличающаяся от аналогов по техническим и экономическим характеристикам, а также результаты исследования этой структуры.
В ходе работы над решением поставленных задач планируется получить устройство, которое по своей функциональности не уступал аналогам, а по критерию скорости и размерам даже превышал существующие устройства. Также ожидаемым результатом является минимальная цена. Основные части устройства подбираются таким образом, чтобы как можно больше снизить цену и при этом не потерять качества полнофункционального устройства.
Запланированная научная новизна
По плану в качестве ПЛИС была предложена аналого-цифровая ПЛИС фирмы Actel. Комбинированная аналого-цифровая ПЛИС Smartfusion содержит в однои микросхеме программируемую логическую матрицу, аппаратный процессор ARM Cortex-M3 и программируемый аналоговый блок. Обеспечивает полностью настраиваемую конфигурацию, защиту вашего проекта и легкость в использовании. ПЛИС Smartfusion, выполненная полностью по FLASH технологии, является идеальным решением для построения систем на кристалле (снк), обеспечивая значительно большую гибкость по сравнению с традиционными решениями на аппаратных микроконтроллерах с фиксированным набором функций и имеет значительно меньшую стоимость по сравнению с решениями с использованием дорогостоящих софт-процессоров в ПЛИС.
Отличительные черты
Аппаратный 100 Мгц 32-битный процессор ARM Cortex-M3
АНВ шина, выполненная в виде многоуровневой матрицы соединений с пропускной способностью до 16 Гбит/с
10/100 Ethernet MAC
По два контроллера SPI, I2C и UART
Два каскадируемых 32-битных таймера
До 512 кбайт Flash ПЗУ и до 64 кбайт СОЗУ
Контроллер внешней памяти
8-канальный контроллер ПДП
Интегрированные ЦАП и АЦП
Интегрированные каналы измерения напряжения, тока и температуры
До 10 высокоскоростных 50 нс компараторов
Аналоговый вычислительный блок разгружает процессор вот предварительной обработки аналоговых сигналов
До 47 аналоговых и до 169 цифровых портов ввода-вывода
Рис.1 - Структура SmartFusion
Обзор исследований по теме в Украине
Торговая марка "ОКО" предлагает универсальную GSM-сигнализацию OKO-1W с поддержкой GPS-приёмника. Устройство OKO-1W имеет следующие основные аппаратные особенности: - поддержка двух SIM-карт; - внутренний аккумулятор; - возможность подключения GPS-приемника с разъёмом PS/2; - возможность подключения выносной GSM-антенны; - есть внутренний слаботочный обогреватель; - есть выносной микрофон; - разъём MF-20 с цветными проводами. Все эти и другие характеристики комплекта OKO-1W с GPS-приёмником позволят Вам: - за счёт резервирования работы в сети двух операторов вовремя отреагировать при посягательстве на Ваш автомобиль, связавшись с Устройством по GSM-сети; - узнать об обесточивании автомобиля (снятии аккумулятора) или о снижении ёмкости аккумулятора; - узнать о местонахождении Вашего автомобиля при угоне (после угона) или эвакуации (анализ наличия ненулевой скорости), использую комплект в качестве GPS-маячка (результат отображается в виде метки на карте WEB-сервера (http://94.45.37.22) или Вашего мобильного телефона); - узнать о недавнем местонахождении Вашего автомобиля, даже если GPS-приёмник не видит спутников (под землёй, в гараже, в лесу, повышенная облачность), с помощью алгоритма буферизации GPS-координат; - спрятав Устройство в труднодоступном месте, не бояться за низкий уровень GSM-сигнала; - включать дополнительный обогрев внутри Устройства для поддержания работоспособности внутреннего аккумулятора при отрицательных температурах; - осуществить аудио-контроль автомобиля; - заблокировать двигатель звонком с мобильного телефона; - сделать экстренное оповещение («Тревожная кнопка») в случае нападения на водителя; - экономить деньги на счету при использовании основных функций: постановке/снятии на охрану звонком с мобильного телефона БЕЗ СОЕДИНЕНИЯ. Комплект OKO-1W с GPS-приёмником сделает Вашу жизнь спокойней, где бы Вы не находились: дома, в гостях, на работе, в командировке, вдалеке на отдыхе Цена на комплект OKO-1W с GPS-приёмником с учётом 5%-й скидки для членов клуба: 160 у.е.
Обзор исследований по теме в мире
ОСОБЕННОСТИ: питерский производитель автомобильных охранных систем, компания Magic Systems, первой в России предложила совместно использовать возможности GSM/GPS-модуля и интернет-портала для мониторинга транспортных средств. Для этого был создан сайт, где пользователь системы смог контролировать свой автомобиль. Сердцем системы является GSM/GPS-модуль, который можно подключить к бортовой электрике тремя различными способами. Самый первый вариант — самый простой, он используется тогда, если на автомобиле не установлена сигнализация. Для корректной работы системы необходимо подключить три входа модуля к охраняемым зонам и один вход (постановки/снятия) — к штатному центральному замку или к специальному переключателю. Этот вход можно подключить и к установленной сигнализации, тогда GPS/GSM сигнализация MAGIC SYSTEMS MS-PGSM3 будет ставить на охрану и сниматься с нее по команде внешней «охранки». В третьем варианте GPS/GSM сигнализация MAGIC SYSTEMS MS-PGSM3 работает в паре с двухсторонними сигнализациями MS СТАЛКЕР 600, причем связь ведется по специальной цифровой шине MS-LAN, которая расширяет функциональные возможности комплекса. Например, только при таком подключении можно реализовать дистанционный запуск двигателя по телефону. Работает система следующим образом: при возникновении тревоги система «отзванивается» на телефон владельца и одновременно передает по GPRS-каналу на сайт информацию о том, какая зона сработала и где именно находился автомобиль в момент тревоги. Информация о местоположении автомобиля благодаря встроенному GPS-приемнику определяется с точностью до нескольких метров. Но самое главное, что информация о срабатываниях, маршруте автомобиля и системных событиях не удаляется, а хранится в специальном журнале событий, и при необходимости их можно сохранить в отдельной папке. У этого комплекса есть еще одна особенность, которая выделяет его среди «одноклассников»: к GSM/GPS-пейджеру можно подключить до 8 минифотокамер, которые в случае срабатывания сигнализации или по запросу владельца делают снимки и передает его на сайт. Конечно, угонщика-профессионала этим не напугаешь, но вот запечатлеть номер машины, которая, допустим, притерлась к вашей при парковке, или лицо своровавшего магнитолу — запросто. ДОСТОИНСТВА GPS/GSM сигнализации MAGIC SYSTEMS MS-PGSM3: запись и сохранение маршрутов передвижения на интернет-сервисе, возможность подключения минифотокамер. НЕДОСТАТКИ В последних версиях система старается держать постоянно открытым GPRS-канал, а это отрицательным образом сказывается на балансе.
Структура GSM
Сеть GSM составляется из множества функциональных объектов, которые условно можно разделить на три типа. Мобильные телефоны, которыми пользуются абоненты, подсистема базовых станций, осуществляющая и контролирующая радиосвязь с мобильными телефонами, и сетевая подсистема, главная часть которой - коммутирующий центр услуг мобильной связи (Mobile service Switching Center, MSC) - проводит коммутацию звонков между своими абонентами и пользователями других сетей, а также выполняет много других функций, такие как авторизация (подтверждение достоверности) и тому подобное. Мобильный телефон и базовая станция осуществляют взаимодействие с помощью радиосвязи ( Um-Интерфейс). Базовая станция взаимодействует с MSC через A-Интерфейс (кабельная связь). Подсистема базовых станций является соединительным звеном между мобильными телефонами и сетевой подсистемой и составляется из двух частей: приемника базовой станции (Base Transceiver Station, BTS) и контроллера базовой станции (Base Station Controller, BSC), которые и обеспечивают согласованную работу. В густонаселенных районах базовых станций должно быть больше. Требования к ним - стойкость сигнала, надежность, портативность и минимальная стоимость. Контроллер управляет процессом радиосвязи и обслуживает одну или несколько базовых станций. Основой всей системы GSM, конечно же, есть сетевая подсистема. Это мозг, который управляет всеми функциями сложного организма сети мобильной связи. Центральным компонентом сетевой подсистемы есть MSC - коммутирующий центр услуг мобильной связи. Он выполняет функции, необходимые для работы с абонентами мобильной связи, такие как регистрация, авторизация, обновление данных о местоположении, хэндоверы, маршрутизация звонков для абонентов, которые пользуются услугой роуминга. Эту работу выполняют несколько функциональных объектов, которые в совокупности и образовывают сетевую подсистему. MSC также обеспечивает связь с обычными телефонными сетями. Маршрутизацию звонков и роуминговые возможности GSM ( в частности интернациональный роуминг) обеспечивают базы данных HLR (Home Location Register) и VLR (Visitor Location Register), которые функционально не входят в состав MSC. База HLR содержит всю административную информацию по каждому абоненту, зарегистрированному в соответствующей сети GSM, вместе с текущим местоположением мобильного телефона. Регистратор VLR содержит выбранную административную информацию с HLR, необходимую для контроля звонков и предоставления сервисов, на которые подписаны абоненты, для каждого мобильного телефона, расположенного в данный момент в географической области, контролируемой данным регистратором VLR. Есть еще две базы данных, которые используются для целей авторизации и обеспечение безопасности. Первая из них - база данных EIR (Equipment Identity Register) - является базой данных, которая содержит перечень всех мобильных телефонов, которые действуют, в сети, причем каждый мобильный телефон идентифицирован с помощью IMEI. IMEI сказывается как недействительный, если о данном телефоне было сообщено, как о похищенном, или тип этого устройства не сертифицирован для работы в сети. Вторая - центр авторизации - является защищенной базой данных, в которой хранятся копии секретных кодов, сохраненных на Sim-Карте каждого абонента, которые используются для авторизации и шифровки радиоканалов.
Архитектура противоугонного устройства
Система безопасности составляется из следующих блоков:
• GPS – модуль
• GSM – модуль
• FPGA – модуль
• Блок преобразование напряжения В данном проекте как Gsm-Модуль за основу взята архитектура и набор Ат-Команд мобильного телефона Siemens CХ65. Выбор этой марки телефона обоснован следующими факторами: - поддержка стандартного набора Ат-Команд;
- поддержка стандарта GSM 900, GSM 1800, GSM 1900;
В качестве GPS - модуля используется высокочастотный GPS - ресивер на базе современного чипсета SIRF Star III. Этот чипсет применяется практически во всех современных навигаторах GPS. Основные достоинства:
- отличное качество приема в условиях " городских каньонов" и леса;
- низкое энергопотребление (30 ма);
- 20 независимых каналов приема;
- небольшие размеры (3 см х 3 см);
- нескладный ASCII протокол обмена данными
FPGA-модуль – процессор Microblaze встроен в наладочную плату Spartan 3E Development KIT фирмы Xilinx (рис 1.3). Благодаря этом блоке налаживается организация работы системы.
Блок преобразования напряжения – электрическая схема, которая питается от аккумулятора автомобиля и распределяет нужное напряжение на разные блоки мобильной системы. Питание вся система организована в блоке преобразования напряжения, который подсоединен непосредственно к аккумулятору автомобиля. Это обеспечивает роботу устройства в реальном времени.
Принцип работы
Основная идея состоит в следующем: при определенном сигнале пользователя (средствами мобильной связи), активируется Gsm-Модуль, который посылает запрос к устройству управления (микроконтроллер). Следующий этап – работа устройства управления (ПК). За установленным стандартом ІМЕА, ПК формирует протокол и присылает к Gps-Модуля, который определяет локальные координаты и возвращает результат и передает управление системой к Fpga-Микроконтроллера. Полученный результат передается через Сом-Порт в виде АТ- Команды, понятной для телефона, принуждая его отправить текстовое сообщение пользователю, в котором указанные локальные координаты объекта . Пользователь, получив локальные координаты объекта, благодаря глобальной сети Internet легко конвертирует полученный результат и получает точные координаты объекта.
Рис. 2 - Принцип работы системы
Области применения:
Диспетчеризация транспорта / логистика:
Оснащение трекерами автопарка, грузов, курьеров
Оснащение трекерами морского / речного флота
Охрана:
Сопровождение ценных грузов, дорогого оборудования
Противоугонные комплексы
Личная безопасность:
Дети и школьнике вне дома
Пожилые люди
Больные потерей памяти
Пешие прогулки или бег
В отпуске
Портфели и сумки для ноутбуков
Домашние животные (например, породистые собаки на охоте)
Дети и школьники вне дома
Литература
1. Тарасов И. Е. Разработка цифровых устройств на основе ПЛИС Xilinx с применением языка VHDL. - Горячая линия-Телеком, 2005, 252 c.
2.Таранков И.В. Книга Руководство по использованию АТ-команд для GSM/GPRS модемов .- ЗАО Компэл, 2005, 432 c.
3.Зотов В.Ю. Проектирование встраиваемых микропроцессорных систем на основе ПЛИС фирмы Xilinx в САПР WebPACK ISE .-Телеком, 2006, 520 c.
4.Кузелин М.О. Современные семейства ПЛИС фирмы Xilinx: справочное пособие. - Телеком, 2004, 440 c.
5.Поляков А.К. Языки VHDL и VERILOG в проектировании цифровой аппаратуры .- СОЛОН-Пресс, 2003, 320 c.
6.Грушвицкий Р.И. Проектирование систем на микросхемах программируемой логики .- БХВ-Петербург, 2002, 608 c.
7.Антонов А.П. Язык описания цифровых устройств AlteraHDL .- РадиоСофт, 2001, 421 c.
8.Мазов Е.С. Логическое проектирование цифровых систем на основе программируемых логических интегральных схем .- Горячая линия-Телеком, 2009, 224 c.
9.Родин А.В., Тюнин Н.А. Программный ремонт сотовых телефонов Samsung и Motorola .- Солон-Пресс, 2008, 464 c.
10.Дейв Криста, Тони Джонсон Методология высокоуровневого проектирования устройств на базе FPGA .- Electronic Design, 1999, 721 c.
11.Chu P. P. FPGA prototyping by VHDL examples .- Wiley-Interscience, 2008, 468 c.
12. ПЛИС семейства FLASH [Электронный ресурс].- www.actel.ru