Реферат
на тему випускної роботи
Розробка та дослідження структури мобільної системи на базі FPGA-технології
Введення
На сучасному етапі розвитку суспільства безпека матеріальних цінностей різних форм власності неможлива без використання надійної і ефективної охорони. У свою чергу ефективна охорона сьогодні немислима без використання різних технічних засобів, які дозволяють здійснювати цілодобову охорону об'єктів, максимально виключивши людський чинник, понизити витрати на її зміст і істотно підвищити її надійність. Протиугінна система - це загальний термін для позначення автоматизованого комплексу, що складається з сукупності різних пристроїв, оповісників, контролерів, блоків основного і резервного живлення, пристроїв прийому і передачі інформації, управління і контролю доступу, а також інших додаткових пристроїв. Надійність протиугінної системи залежить від якості як самого устаткування, так і його надійного монтажу і підключення. Система, що розробляється, є автономним модулем, який легко можна заховати, наприклад, під капотом автомобіля або в будь-якому іншому «затишному» місці. Єдиною умовою є наявність проводів живлення. Для реалізації задуманого проекту використовуються різні цифрові компоненти, узгодженість їх роботи і є головною метою даної розробки.
Актуальність
Мобільна GSM-система є функціональним та надійним пристроєм та має компактний вигляд. Такі достоїнства дають можливість широкого застосування. Основним призначенням є забезпечення надійної охорони рухомих об’єктів (автомобіль, яхта, мопед, літак і т.д.). Компактність і надійність блоку ускладнює пошук місцезнаходження системи, до того ж такі системи не є в базовій комплектації автомобіля або мопеда тому крадій може і не здогадуватись про існування такої ефективної системи. Керування таким пристроєм не викликає ускладнень у користувача, тому що мобільні телефони і Internet в теперішній час є необхідною частиною нашого життя. Засоби GSM-зв’язку та GPS-навігації є дуже ефективними і надійними, а MicroBlaze швидким і потужним процесором, тому система є надійна та функціональна. Таким чином реалізація мобільної GSM – системи дуже різнобічна і може знайти застосування, можливо, у всіх галузях промисловості.
Огляд досліджень
В мережі Internet є декілька видів подібних пристроїв. Але багато з них використовують мікроконтроллери у якості керуючого пристрою, у нашому випадку серцем пристрою є ПЛІС. Нижче наведені декілька сторінок на яких описуються декілька аналогів:
Різниця, на наш погляд, має полягати у швидкості передачі інформації, розмірах та ціні. Ці три відмінності дозволяють пристрою конкурувати на ринку з подібними пристроями.
Різниця у швидкості з'являється завдяки ПЛІС. FPGA-технологія завдяки вентильній архітектурі, набагато швидша ніж у мікроконтролерів, в яких все організовано на програмному рівні.
Цілі та завдання розробки й досліджень
Головною ціллю проекта є розробка і дослідження функціонального надійного дешевого пристрою, який міг би конкурувати на ринку. Для досягнення поставленної ціллі необхідно:
- розглянути існуючі аналоги, виявити недоліки і достоїнства;
- дослідити структуру існуючих пристроїв;
- обгрунтовано вибрати необхідні АТ-команди для программування GSM;
- дослідити ринок ПЛІС, виявити недоліки та достоїнства;
- вибрати САПР для программування ПЛІС і дослідити інтерфейс;
- розробити власну структурну схему пристрою;
- зпираючись на структурну схему, розробити принципову схему;
- написання коду програми;
- відладка програми з допомогою відладочної плати;
- загруження коду на вибрану ПЛІС;
- спаяти схему пристроя, опираючись на принципову схему.
Заплановані практичні результати
У ході роботи над вирішенням поставленних задач планується отримати пристрій, який по своїй функціональності не поступався аналогам, а по крітерію швидкості і розмірам навіть перевищував існуючі пристрої. Також очікуємим результатом є мінімальна ціна. Основні частини пристрою добираються таким чином, щоб як можна більше знизити ціну і при цьому не втратити якості повнофункціонального пристрою.
Запланована наукова новизна
За планом у якості ПЛІС була запропонована аналого-цифрова ПЛІС фірми Actel. Комбінована аналого-цифрова ПЛИС Smartfusion містить в одной мікросхемі програмувальну логічну матрицю, апаратний процесор ARM Cortex-M3 і програмувальний аналоговий блок. Забезпечує конфігурацію, що повністю настроюється, захист вашого проекту й легкість у використанні. ПЛИС Smartfusion, виконана повністю по FLASH технології, є ідеальним розв'язком для побудови систем на кристалі (снк), забезпечуючи значно більшу гнучкість у порівнянні із традиційними розв'язками на апаратних мікроконтролерах з фіксованим набором функцій і має значно меншу вартість у порівнянні з розв'язками з використанням дорогих софт-процесорів у ПЛИС.
Відмітні риси
Апаратний 100 Мгц 32-бітний процесор ARM Cortex-M3
АНВ шина, виконана у вигляді багаторівневої матриці з'єднань із пропускною здатністю до 16 Гбіт/с
10/100 Ethernet MAC
По два контролери SPI, I2C і UART
Два каскадуємих 32-бітних таймера
До 512 кбайт Flash ПЗУ й до 64 кбайт СОЗУ
Контролер зовнішньої пам'яті
8-канальний контролер ПДП
Інтегровані ЦАП і АЦП
Інтегровані канали виміру напруги, струму й температури
До 10 високошвидкісних 50 нс компараторів
Аналоговий обчислювальний блок розвантажує процесор от попередньої обробки аналогових сигналів
До 47 аналогових і до 169 цифрових портів уведення-висновку
Рис. 1 - Структура SmartFusion
Структура GSM
Мережа GSM складається з безлічі функціональних об'єктів, які умовно можна розділити на три типи. Мобільні телефони, якими користуються абоненти, підсистема базових станцій, здійснюючий і контролюючий радіозв'язок з мобільними телефонами, і мережева підсистема, головна частина якої - комутуючий центр послуг мобільного зв'язку (Mobile service Switching Center, MSC) - проводить комутування дзвінків між своїми абонентами і користувачами інших мереж, а також виконує багато інших функцій, такі як авторизація (підтвердження достовірності) і тому подібне Мобільний телефон і базова станція здійснюють взаємодію за допомогою радіозв'язку (Um-интерфейс). Базова станція взаємодіє з MSC через A-интерфейс (кабельний зв'язок). Підсистема базових станцій є сполучною ланкою між мобільними телефонами і мережевою підсистемою і складається з двох частин: приймача базової станції (Base Transceiver Station, BTS) і контроллера базової станції (Base Station Controller, BSC), які і забезпечують узгоджену роботу. У густонаселених районах базових станцій повинно бути більше. Вимоги до них - стійкість сигналу, надійність, портативність і мінімальна вартість. Контроллер управляє процесом радіозв'язку і обслуговує одну або декілька базових станцій. Основою всієї системи GSM, звичайно ж, є мережева підсистема. Це мозок, який управляє всіма функціями складного організму мережі мобільного зв'язку. Центральним компонентом мережевої підсистеми є MSC - комутуючий центр послуг мобільного зв'язку. Він виконує функції, необхідні для роботи з абонентами мобільного зв'язку, такі як реєстрація, авторизація, оновлення даних про місцеположення, хэндоверы, маршрутизація дзвінків для абонентів, що користуються послугою роумінгу і багато що інше. Цю роботу виконують декілька функціональних об'єктів, які в сукупності і утворюють мережеву підсистему. MSC також забезпечує зв'язок із звичайними телефонними мережами. Маршрутизацію дзвінків і роуминговые можливості GSM (зокрема інтернаціональний роумінг) забезпечують бази даних HLR (Home Location Register) і VLR (Visitor Location Register), які функціонально не входять до складу MSC. База HLR містить всю адміністративну інформацію по кожному абонентові, зареєстрованому у відповідній мережі GSM, разом з поточним місцеположенням мобільного телефону. Реєстратор VLR містить вибрану адміністративну інформацію з HLR, необхідну для контролю дзвінків і надання сервісів, на які підписані абоненти, для кожного мобільного телефону, розташованого в даний момент в географічній області, контрольованій даним реєстратором VLR. Є ще дві бази даних, які використовуються для цілей авторизації і забезпечення безпеки. Перша з них - база даних EIR (Equipment Identity Register) - є базою даних, що містить перелік всіх мобільних телефонів, що діють, в мережі, причому кожен мобільний телефон ідентифікований за допомогою IMEI. IMEI позначається як недійсний, якщо про даний телефон було повідомлено, як про викрадений, або тип цього пристрою не сертифікований для роботи в мережі. Друга - центр авторизації - є захищеною базою даних, в якій зберігаються копії секретних код, збережених на SIM-карте кожного абонента, які використовуються для авторизації і шифровки радіоканалів.
Архітектура протиугінного пристрою
Система безпеки складається з наступних блоків:
• GPS – модуль
• GSM – модуль
• FPGA – модуль
• Блок перетворення напруги У даному проекті як GSM-модуль за основу взята архітектура і набір АТ-команд мобільного телефону Siemens CХ65. Вибір цієї марки телефону обґрунтований наступними чинниками: - невисока вартість телефону;
- просте меню;
- підтримка стандартного набору АТ-команд;
- підтримка стандарту GSM 900, GSM 1800, GSM 1900;
- компактність телефону (довжина 108мм, ширина 46мм, товщина 18мм вага 90 р.).
У якості GPS - модуля використовується високочастотний GPS - ресивер на базі сучасного чіпсета SIRF Star III. Цей чіпсет застосовується практично у всіх сучасних навігаторах GPS. Основні достоїнства:
- відмінна якість прийому в умовах "міських каньйонів" і лісу;
- низьке енергоспоживання (30 ма);
- 20 незалежних каналів прийому;
- невеликі розміри (3 см х 3 см);
- нескладний ASCII протокол обміну даними.
FPGA–модуль – процесор MicroBlaze вбудований у налагоджувальну плату Spartan 3E Development KIT фірми Xilinx (рис 1.3). Плата оснащена двома СОМ-портами для зв’язку з іншими блоками. Завдяки цьому блоку налагоджується організація роботи системи.
Блок перетворення напруги – електрична схема, що живиться від акумулятора автомобіля і розподіляє потрібну напругу на різні блоки мобільної системи. Живлення всієї системи організовано у блоку перетворення напруги, який під’єднаний безпосередньо до акумулятора автомобіля. Це забезпечує роботу пристрою у реальному часі.
Принцип роботи
Основна ідея полягає в наступному: при певному сигналі користувача (засобами мобільного зв'язку), активується GSM-модуль, який надсилає запит до пристрою керування (мікроконтролер) через СОМ-порт. Наступний етап – робота пристрою керування (ПК). За встановленим стандартом ІМЕА, ПК формує протокол і надсилає до GPS-модуля, який визначає локальні координати та повертає результат і передає керування системою до FPGA-мікроконтролера. Отриманий результат передається через СОМ-порт у вигляді АТ-команди, зрозумілої для телефону, примушуючи його відправити текстове повідомлення користувачу, у якому вказані локальні координати об’єкта . Користувач, отримавши локальні координати об’єкта, завдяки глобальної мережі Internet легко конвертує отриманий результат і отримує точні координати об’єкту.
Рис.2 - Принцип роботи системи
Області застосування:
Диспетчеризація транспорту / логістика:
Оснащення трекерами автопарку, вантажів, кур'єрів
Оснащення трекерами морського / річкового флоту
Охорона:
Супровід цінних вантажів, дорогого обладнання
Протиугінні комплекси
Особиста безпека:
Діти та школярі поза домом
Літні люди
Хворі втратою пам'яті
Піші прогулянки або біг
У відпустці
Портфелі та сумки для ноутбуків
Домашні тварини (наприклад, породисті собаки на полюванні)
Діти та школярі поза домом
Література
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 аппаратурыw .- 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] .-