Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. Система сотовой связи стандарта GSM и особенности построения абонентских устройств

1.1 Общая структура сети GSM

1.2 Построение абонентского аппарата и основные режимы его использования

1.3 Подсистема передачи данных мобильного аппарата и её применение в рабочем и тестовых режимах

1.4 Система команд модема мобильного аппарата и организация формирования управляющих воздействий

2. Формирование подсистемы взаимодействия абонентского аппарата и персонального компьютера на основе программного комплекса PROTEUS

2.1 Инструментарий комплекса PROTEUS и последовательность реализации нового проекта

2.2 Пользовательский интерфейс PROTEUS и его библиотечная база

2.3 Применение отладочных режимов комплекса PROTEUS

2.4 Построение формирователя сигналов взаимодействия на основе микроконтроллера

3. Общая характеристика прибороориентированного алгоритмического языка BASCOM-AVR

3.1 Особенности пользовательского интерфейса и формирование программы

3.2Компиляция программы и подготовка файла для программирования микроконтроллера

4. Проведение натуральных испытаний в среде PROTEUS

4.1 Настройка оборудования

4.2 Проведение испытаний в PROTEUS

5. Обеспечение безопасности жизнедеятельности

5.1 Вредные факторы от ПК

5.2 Электромагнитная безопасность

5.3 Организация рабочего места с ПК

5.3.1 Эргономические требования к отображению информации

5.3.2 Оборудование и размещение рабочего стола

5.4 Санитарно-гигиенические параметры рабочего места

5.5 Профилактика зрительного утомления для работающих за ПК

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ



введение

Настоящее время характеризуется полным насыщением рынка мобильных телефонов сотовой связи индивидуального пользования. Эти телефоны имеют массу функциональных возможностей, зачастую превышающих реальные потребности пользователей (это и серьезное программное обеспечение, реализующее все множество функций, и мультимедийные сервисы, и специальные программные средства управления функционалом интеллектуального жилья, и системы криптографического управления доступом).

На более ранних этапах развития сотовых сетей это было практически невозможно. А кое-кто считал все это недопустимым, поскольку не было гарантированного времени доставки цифровых сообщений (это касалось службы доставки коротких сообщений).

Но серьезная конкуренция в области предоставления услуг сотовой связи привела к появлению альтернативных компаний и резкому улучшению качества обслуживания абонентов.

В этой связи ряд производителей традиционных мобильных телефонов стали обращать серьезное внимание на разработку радиотелефонных модулей GSM позволяющих организовывать адекватные радиоканалы связи для самых разнообразных применений (как мобильных так и стационарных). Признанным лидером этой тенденции стала фирма SIEMENS, прекратившая выпуск традиционных мобильных телефонов в пользу резкого увеличения объёмов модульной продукции с традиционными вариантами обмена цифровыми сообщениями на основе АТ-команд. И сделала их прозрачными для всех пользователей, опубликовав в свое время их полное и адекватное описание.

Для анализа работоспособности и тестирования мобильных телефонов на сегодняшний день существует много сервисных приборов (как специализированных, так и универсальных) самых разных производителей (Роде и Шварц, Маркони, Тектроникс, Хуавэй и др.). Для большинства профильных учебных заведений эта техника дорога и практически недоступна.

Поэтому целью моей выпускной работы является разработка программно-аппаратного варианта формирования управляющих сигналов для анализа работоспособности радиотелефонов GSM.

Для достижения цели в работе решаются следующие задачи:

- изучение командной системы взаимодействия мобильного телефона GSM и персонального компьютера;

- выбор адекватных программных средств для формирования необходимого набора управляющих сигналов для анализа правильности функционирования информационного обмена мобильного телефона с компьютером;

- формирование программно-аппаратного комплекса для проверки работоспособности мобильного телефона;

- обеспечение анализа битовой структуры последовательностей информационного обмена мобильного телефона и компьютера.

На первый взгляд функциональная схема обмена цифровыми данными компьютера и мобильного телефона GSM довольно проста.

Однако, драйверы взаимодействия, поставляемые вместе с мобильными телефонами носят весьма специализированный характер и привязаны к конкретным типам аппаратов. И при сбое этих программных средств у пользователя почти не остается возможностей самостоятельно повлиять на ситуацию.

Но можно организовать взаимодействие компьютера и телефона через основное устройство последнего для передачи данных, так называемый модем. Модуль, применяющийся для физического сопряжения цифрового нформационного сигнала со средой его распространения. И для работы с ним можно использовать набор специализированных команд, позволяющих активировать все стандартные функции модема: голосовое соединение, передача данных, отправка текстовых сообщений, ожидание вызова и т.д.

Такая универсальная система команд была разработана в 1977 г. фирмой Hayes. И они получили название AT-команд (от англ. ATtention).

А для их формирования весьма удачно подошли специализированные микроконтроллеры фирмы ATMEL вместе с развитым средством универсального программирования - языком Bascom-AVR.

Поскольку существует ряд трудностей для реализации формирователя из реальных компонентов (на микроконтроллере), то разрабатывать требуемое устройство и моделировать его работу удобнее всего оказалось в программном комплексе схемотехнического моделирования Proteus.

Использование микроэлектронных средств для работы с мобильными радиотелефонами приводит к поискам повышению технико-экономических показателей изделий (снижению стоимости, повышению надежности, уменьшению потребляемой мощности, уменьшению габаритных размеров устройства) и позволяет многократно сократить сроки разработки изделий, но и придает им принципиально новые потребительские качества.

В данной сфере бурное развитие получило направление, связанное с выпуском однокристальных микроконтроллеров, которые предназначены для управления мобильными телефонами. Эти устройства базируются на принципах работы, основанных на цифровых микросхемах.

Однокристальные микроконтроллеры представляют собой приборы, конструктивно выполненные в виде больших интегральных схем (БИС) и включающие в себя все составные части микро-ЭВМ: микропроцессор, память программ и память данных, а также программируемые интерфейсные схемы для связи с внешней средой. Использование микроконтроллеров в системах управления и диагностики телефонов обеспечивает достижение исключительно высоких показателей эффективности при столь низкой стоимости (во многих применениях система может состоять только из одной БИС микроконтроллера), что микроконтроллерам пока нет разумной альтернативной элементной базы для построения управляющих и регулирующих систем, и в будущем микроконтроллеры будут находить все большее применение в телекоммуникациях.

В случае построения виртуального устройства на основе микроконтроллера в Proteus, которое будет подавать управляющие сигналы на модем телефона, могут быть получены псевдослучайные последовательности практически любой структуры и с любыми наперед заданными статистическими свойствами, которые могут еще и меняться в ходе проведения измерений и испытаний по заданной их программе.

Вопросы генерирования и формирования самых разнообразных по форме и структуре сигналов всегда будут в поле зрения связистов. В данном дипломном проекте требуется разработать программно-аппаратную поддержку для реализации режимов работы мобильного телефона стандарта GSM. В данном случае испытуемым телефоном будет Siemens C45, так как эта модель проста, надежна и имеет интуитивно понятный пользовательский интерфейс. В качестве имитационной модели реального устройства предполагается использовать вполне подходящий поставленной задаче микроконтроллер фирмы Atmel - Atmega88. Ради интереса эксперимента и для экономии средств, и времени, как было описано выше, будет использован виртуальный микроконтроллер, а его работа будет виртуально смоделирована в среде Proteus в форме реальных электрических сигналов взаимодействия сотового телефона и компьютера через последовательный порт последнего.



1. Система сотовой связи стандарта GSM и особенности построения абонентских радиотелефонных систем

1.1 Общая структура сети GSM

GSM (Groupe Spйcial Mobile) - глобальный цифровой стандарт для мобильной сотовой связи, с разделением частотного канала по принципу TDMA. GSM относится к сетям второго поколения (2 Generation).

Функциональное построение и интерфейсы, принятые в стандарте GSM, показаны на рисунке 1.1.

Сеть GSM состоит из трёх основных подсистем:

- подсистема базовых станций (BSS -- Base Station Subsystem),

- подсистема коммутации (NSS -- Network Switching Subsystem),

- центр технического обслуживания (OMC -- Operation and Maintenance Centre).

Рисунок 1.1 - Структурная схема и состав оборудования системы GSM

В отдельный класс оборудования GSM выделены терминальные устройства -- подвижные станции (MS -- Mobile Station), также известные как мобильные (сотовые) телефоны. Сотовые телефоны стандарта GSM выпускаются для 4 диапазонов частот: 850, 900, 1800, 1900 МГц.

Подсистема базовых станций BSS состоит из самих базовых станций (BTS -- Base Transceiver Station) и контроллеров базовых станций (BSC -- Base Station Controller). Область, покрываемая сетью GSM, разбита на соты шестиугольной формы. Диаметр каждой шестиугольной ячейки может быть разным -- от 400 м до 50 км. Максимальный теоретический радиус ячейки составляет 120 км, что обусловлено ограниченной возможностью системы синхронизации к компенсации времени задержки сигнала. Каждая ячейка покрывается одной BTS, при этом ячейки частично перекрывают друг друга, тем самым сохраняется возможность передачи обслуживания мобильного телефона при его перемещении из одной соты в другую без разрыва соединения.

Базовая станция (BTS) обеспечивает приём/передачу сигнала между телефоном и контроллером базовых станций. BTS является автономной и строится по модульному принципу. Направленные антенны базовых станций могут располагаться на вышках, крышах зданий и т. д.

Подсистема коммутации (NSS) построена из следующих компонентов:

Центр коммутации (MSC -- Mobile Switching Centre) контролирует определённую географическую зону с расположенными на ней BTS и BSC. Осуществляет установку соединения к абоненту и от него внутри сети GSM, обеспечивает интерфейс между GSM и ТфОП, другими сетями радиосвязи, сетями передачи данных. MSC также постоянно следит за положением MS, используя данные из HLR и VLR, что необходимо для быстрого нахождения и установления соединения с MS в случае её вызова.

Домашний реестр местоположения (HLR -- Home Location Registry) содержит базу данных абонентов, приписанных к нему. Здесь содержится информация о предоставляемых данному абоненту услугах, информация о состоянии каждого абонента, необходимая в случае его вызова, а также Международный Идентификатор Мобильного Абонента (IMSI -- International Mobile Subscriber Identity), который используется для аутентификации абонента.

Гостевой реестр местоположения (VLR -- Visitor Location Registry) обеспечивает мониторинг передвижения MS из одной зоны в другую и содержит базу данных о перемещающихся абонентах, находящихся в данный момент в этой зоне, в том числе абонентах других систем GSM -- так называемых роумерах. Данные об абоненте удаляются из VLR в том случае, если абонент переместился в другую зону. Такая схема позволяет сократить количество запросов на HLR данного абонента и, следовательно, время обслуживания вызова.

Реестр идентификации оборудования (EIR -- Equipment Identification Registry) содержит базу данных, необходимую для установления подлинности мобильного телефона по IMEI (International Mobile Equipment Identity). Формирует три списка: белый (допущен к использованию), серый (некоторые проблемы с идентификацией) и чёрный (телефоны, запрещённые к применению).

Центр аутентификации (AUC -- Authentification Centre) производит аутентификация абонента, а точнее -- SIM (Subscriber Identity Module). Доступ к сети разрешается только после прохождения SIM процедуры проверки подлинности, в процессе которой с AUC на MS приходит случайное число RAND, после чего на AUC и MS параллельно происходит шифрование числа RAND ключом Ki для данной SIM при помощи специального алгоритма. Затем с MS и AUC на MSC возвращаются «подписанные отклики» -- SRES (Signed Response), являющиеся результатом данного шифрования. На MSC отклики сравниваются, и в случае их совпадения аутентификация считается успешной.

Подсистема OMC (Operations and Maintenance Centre) соединена с остальными компонентами сети и обеспечивает контроль качества работы и управление всей сетью. Обрабатывает аварийные сигналы, при которых требуется вмешательство персонала. Обеспечивает проверку состояния сети, возможность прохождения вызова. Производит обновление программного обеспечения на всех элементах сети и ряд других функций.



1.2 Построение абонентского аппарата и основные режимы его использования

Абонентские аппараты представляют собой портативные беспроводные подвижные станции, называемые мобильными телефонами.

Структурная схема подвижной станции приведена на рисунке 1.2. В её состав входят: приёмопередающий блок, антенный блок, блок управления. Приёмопередающий блок включает передатчик, приёмник, синтезатор частот и логический блок. Наиболее прост по составу антенный блок: он включает собственно антенну - в простейшем случае четвертьволновый штырь - и коммутатор приём-передача. Последний для цифровой станции может представлять собой электронный коммутатор, подключающий антенну либо на выход передатчика, либо на вход приёмника, так как подвижная станция цифровой системы никогда не работает на приём и передачу одновременно.

Рисунок 1.2 - Устройство мобильного телефона

Блок управления включает микротелефонную трубку - микрофон и динамик, клавиатуру и дисплей. Клавиатура служит для набора номера телефона вызываемого абонента, а также команд, определяющих режим работы подвижной станции. Дисплей служит для отображения различной информации, предусматриваемой устройством и режимом работы станции.

Телефонный аппарат, помимо его стандартного назначения, можно так же использовать и как модем. Благодаря этому можно исследовать работу телефона в разных режимах его работы, а так же отлаживать программы и тестировать, взаимодействующие с модемом.

В данном дипломном проекте в качестве исследуемого телефона был выбран телефон Siemens C45. Эта модель проста, надежна и хорошо изучена.

Технические характеристики Siemens C45:

- Стандарт: GSM 900/1800

- Передача данных: WAP 1.2

- Поддержка RS232

- Встроенный модем

1.3 Подсистема передачи данных мобильного аппарата и её применение в рабочем и тестовых режимах

Основным устройством передачи данных в мобильном телефоне является модем. Модем -- устройство, применяющееся для физического сопряжения информационного сигнала со средой его распространения, где он не может существовать без адаптации, и выполняющее функцию модуляции и демодуляции этого сигнала (чаще всего в речевом диапазоне). Модулятор в модеме осуществляет модуляцию несущего сигнала, то есть изменяет его характеристики в соответствии с изменениями входного информационного сигнала, демодулятор -- осуществляет обратный процесс. Модем выполняет функцию оконечного оборудования в системах связи. Само формирование данных для передачи и обработки принимаемых данных осуществляет терминальное оборудование, то есть сам телефон.

Существует два режима для работы с модемом сотового телефона - рабочий и тестовый. В рабочем режиме выполняются все стандартные функции модема: голосовое соединение, передача данных, отправка текстовых сообщений, ожидание вызова. Тестовый режим подразумевает под собой использование модема в качестве испытуемого объекта, например для проверки его работоспособности, или для отладки какой либо программы, написанной на языке программирования. Что бы работать с модемом в тестовом режиме используется набор специализированных команд, понятных модему.

1.4 Система команд модема мобильного аппарата и организация формирования управляющих воздействий

Для управления функциями модема, такими как набор номера, установление соединения для передачи данных или факс-сообщений, ответ удаленному модему или разъединение, в 1977 году компанией Hayes были разработаны специальные команды, называемые AT-команды. Набор этих команд состоит из серий коротких текстовых строк, которые объединяют вместе, чтобы сформировать полные команды операций, таких как набор номера, начала соединения или изменения параметров подключения.

Для того чтобы модем распознал эти команды, они должны быть записаны в специфической форме. Каждая команда всегда начинается буквами AT (от англ. ATtention, за что и получили своё название), дополненных одной или более командами.

Пример:

АТЕ0, где Еn - команда управляющая включением или отключением местного эха. В данном случае Е0 - поэтому команда отключает эхо. Соответственно, команда Е1 включает эхо.

Команды воспринимаются модемом только тогда, когда он находится в «командном режиме» или в режиме «offline». AT-команды обычно отправляются модему посредством коммуникационного программного обеспечения, но также могут быть введены пользователем вручную, с компьютерной клавиатуры. Если команды вводятся с клавиатуры, то после ввода команды нужно нажать «Enter».

AT-команды оказались весьма удачным решением и в качестве задающих установки Hayes-совместимого модема, использующиеся для его оптимального функционирования для тех или иных целей, в различных условиях: при разном состоянии телефонной линии, частотной характеристики линии, зашумлённости, наличии частых искровых помех.

Набор команд стандартизирован, поэтому его поддерживают большинство моделей модемов. Однако каждая модель имеет и свой уникальный набор команд в зависимости от функциональных возможностей.

Для того что бы лучше понять как работают АТ-команды нужно провести испытания телефона с помощью программы Hyper Terminal.

Для организации управляющих сигналов для взаимодействия с модемом телефона существует много способов. Самые простые способы это ввод AT-команд с клавиатуры или применение программного обеспечения для работы с модемами, как было сказано выше. Но, пожалуй, самый интересный способ это собственная разработка устройства, способного взаимодействовать с телефоном при помощи управляющих электрических сигналов, подаваемых формирующим устройством. Поскольку существует ряд трудностей для реализации такого устройства из реальных компонентов, то разрабатывать требуемое устройство и моделировать его работу мы будем в программной среде Proteus.



2. Формирование подсистемы взаимодействия персонального компьютера абонентского радиотелефонного аппарата

2.1 Инструментальные возможности комплекса моделирования Proteus и последовательность формирования нового проекта

В последнее время появилось огромное количество программ-симуляторов, заменяющих реальные радиодетали и приборы, виртуальными моделями. Симуляторы позволяют, без сборки реального устройства, отладить работу схемы, найти ошибки, полученные на стадии проектирования, снять необходимые характеристики, сэкономить время на разработку и многое другое.

Программно-аппаратный комплекс Proteus, предлагаемый компанией Labcenter Electronics, представляет собой мощную систему схемотехнического моделирования, сделанной на основе виртуальных моделей электронных элементов и на сегодняшний день является, пожалуй, одной из самых популярных сред для моделирования. Специфической чертой данного программного пакета (Proteus) -- есть отличная возможность моделирования различной работы программируемых устройств: микропроцессоров, микроконтроллеров. Благодаря ней стало возможным виртуально собрать устройство на микроконтроллере без собственно самого микроконтроллера, а так же возможность синтезировать схему будущего электронного устройства и промоделировать его работу, выявить ошибки, которые были допущены либо в программе, либо в схеме, доработать устройство, добавить новые элементы и многое другое.

Программный комплекс Proteus имеет отличные возможности для подключения устройств:

COMPIM - этот компонент позволяет виртуальному устройству подключаться к реальному COM-порту компьютера.

USBCONN - этот инструмент позволяет подключиться к реальному USB порту компьютера.

сотовый связь абонентский программный

2.2 Пользовательский интерфейс Proteus и его библиотечная база виртуальных приборов и элементов

Как видно из рисунка 2.1 все рабочее пространство программы разделено на несколько областей. В левом верхнем углу основного окна программы располагается окно обзора, позволяющее оперативно перемещаться по схеме проекта. В левом нижнем углу находится панель управления симуляцией.

Основной рабочей зоной является окно редактора схем. Синтез схемы из отдельных компонентов производится именно здесь. При перемещении курсора по окну редактора текущие координаты курсора отображаются для удобства в правом нижнем углу.

Рисунок 2.1 - Основное окно программы

В окне выбора объектов доступны различные элементы, в зависимости от выбранного режима (рисунок 2.2). В режиме «Virtual Instruments Mode» доступны следующие виртуальные приборы:



Рисунок 2.2 - Приборы в режиме «Virtual Instruments Mode»

А в режиме «Generator Mode» (рисунок 2.3) доступны различные функциональные генераторы:

Рисунок 2.3 - Функциональные генераторы в режиме «Generator Mode»

Для того чтобы собрать схему любого устройства в Proteus, необходимо подготовить набор элементов, из которых эта схема состоит. Для этого нужно перейти в режим компонентов и нажать на клавишу «Р», которая находится под окном обзора

Перед нами появляется менеджер компонентов (рисунок 2.4), предоставляющий на наш выбор все элементы которые содержатся в библиотеке программы.

Рисунок 2.4 - Менеджер компонентов



Можно (и нужно) пользоваться строкой поиска, расположенной в верхнем левом углу (рисунок 2.5).

Рисунок 2.5 - Выбор компонента для добавления его в перечень используемых компонентов

В данной базе существует множество различных устройств и обширная информация о них.

Когда нужный компонент найден, нужно добавить его в перечень используемых компонентов (рисунок 2.6).

Рисунок 2.6 - Перечень используемых компонентов

Для установки компонента в окне редактора схемы его необходимо выбрать в списке и двойным щелчком левой кнопки мыши установить в желаемом месте. До установки компонента на схему его можно предварительно развернуть в желаемое положение, которое можно проконтролировать в окне обзора (рисунок 2.7).



Рисунок 2.7 - Положение компонента

Если компонент уже установлен на схеме, то изменить его параметры, удалить или развернуть его можно через контекстное меню, нажав по объекту правой клавишей мыши.

Через контекстное меню можно также устанавливать и любые компоненты, щелкнув правой клавишей мыши на пустом месте в окне редактора схем (рисунок 2.8).

Рисунок 2.8 - Добавление компонента через контекстное меню

Выбранный таким образом компонент автоматически попадет в перечень используемых компонентов.

2.3 Применение рабочих режимов комплекса Proteus

В Proteus реализовано четыре отладочных режима для управления симуляцией (рисунок 2.9):



Рисунок 2.9 - Отладочные режимы в Proteus

"Пуск" - запуск симуляции или продолжение приостановленной симуляции.

"Шаг" - выполнить минимальный шаг по программе МК, обычно это одна инструкция на ассемблере. Этой кнопкой тоже можно начать симуляцию.

"Пауза" - пауза симуляции. Можно продолжить кнопками "Пуск" или "Шаг"

"Стоп" - остановка симуляции. После этого симуляция начнется сначала кнопками "Пуск" или "Шаг"

Так же можно настроить время выполнение одного такта. Оно включает симуляцию на время Single Step Time, которое устанавливается в разделе главного меню System>Set Animation Options. Здесь же устанавливаются и другие параметры анимации (рисунок 2.10).

Рисунок 2.10 - Настройка времени выполнения одного такта

2.4 Построение формирователя сигналов взаимодействия на основе микроконтроллера

Формирователь сигналов взаимодействия, как и любое другое цифровое логическое устройство, может быть реализован и на дискретной цифровой элементной базе, и с применением ПЗУ и ПЛМ. А также и на специализированном устройстве управления - микроконтроллере. Они сегодня широко используются для управления различными электронными устройствами.

Микроконтроллерами называются специализированные микропроцессоры, оснащённые приборными интерфейсами, предназначенные для использования в промышленном оборудовании и бытовых приборах. Обычно микропроцессорная система выпускается в однокристальном исполнении - с установленным на кристалле перепрограммируемым ПЗУ, ОЗУ, вплоть до того, что для функционирования системы необходимо лишь подведения питания к соответствующим клеммам микросхемы.

На сегодняшний день, пожалуй, самый популярными и универсальными являются микроконтроллеры фирмы Atmel, серии AVR. AVR подразделяется на 3 подсемейства:

Структурная схема AVR изображена на рисунке 2.11.

Рисунок 2.11 - Структурная схема микроконтроллера AVR

AVR микроконтроллеры поддерживают спящий режим и режим микропотребления. В спящем режиме останавливается центральное процессорное ядро, в то время как регистры, таймеры-счетчики, сторожевой таймер и система прерываний продолжают функционировать. В режиме микропотребления сохраняется содержимое всех регистров, останавливается тактовый генератор, запрещаются все функции микроконтроллера, пока не поступит сигнал внешнего прерывания или аппаратного сброса. В зависимости от модели AVR микроконтроллеры работают в диапазоне напряжений 2,7-6 В либо 4-6 В.

На настоящий момент по соотношению "цена - производительность - энергопотребление" AVR является одним из лучших 8-разрядных микроконтроллеров. Можно считать, что AVR постепенно становится еще одним индустриальным стандартом среди 8-разрядных микроконтроллеров общего назначения.

Микроконтроллеры AVR имеют в своем составе от 1 до 4 таймеров/счетчиков общего назначения с разрядностью 8 или 16 бит, которые могут работать и как таймеры от внутреннего источника опорной частоты, и как счетчики внешних событий с внешним тактированием.

Система реального времени (RTC) реализована во всех микроконтроллерах семейства "mega". Таймер/счетчик RTC имеет свой собственный пред делитель, который может быть программным способом подключен или к основному внутреннему источнику тактовой частоты микроконтроллера, или к дополнительному асинхронному источнику опорной частоты (кварцевый резонатор или внешний синхросигнал). Для этой цели зарезервированы два внешних вывода микроконтроллера.

Порты ввода/вывода AVR имеют число независимых линий "Вход/Выход" от 3 до 53. Каждый разряд порта может быть запрограммирован на ввод или на вывод информации. Мощные выходные драйверы обеспечивают токовую нагрузочную способность 20 мА на линию порта (втекающий ток) при максимальном значении 40 мА, что позволяет, например, непосредственно подключать к микроконтроллеру светодиоды и биполярные транзисторы.

Технические данные Atmega88:

RISC архитектура;

- 130 команд, большинство которых могут выполняться за один такт

- 32 восьми битных рабочих регистра;

- статическая архитектура;

- производительность до 16 MIPS при частоте 16 МГц;

- интегрированный, двух цикловой множитель;

- независимая память программ и данных;

- 4/8/16 КБ внутрисистемная программируемая Flash память, рассчитанная на 10 000 циклов записи и стирания;

- вспомогательная секция загрузочной программы с независимым битом;

- внутрисистемное программирование собственной программой-загрузчиком;

- функция считывания;

- 256/521/512 байта EEPROM, способной выдержать 100 000 циклов записи/стирания;

- 512/1К/1К байта встроенной SRAM памяти (статическое ОЗУ);

- программируемая защита от считывания;

- два восьмиразрядных таймера/счетчика с отдельным определителем и встроенным режимом сравнения;

- один 16-разрядный таймер/счетчик с отдельным определителем и режимом сравнения, и режимом захвата;

- счетчик реального времени с отдельным генератором;

- пять каналов ШИМ;

- 8-ми канальный АЦП у приборов в TQFP и MFL корпусах;

- шесть 10-битных каналов;

- два 8-битных канала;

- 6 канальный АЦП преобразователь у приборов в PDIP корпусе;

- четыре 10-битных канала;

- два 8-битных канала;

- программируемый последовательный USART;

- SPI интерфейс;

- байт-ориентированный последовательный двухпроводной интерфейс;

- программируемый сторожевой таймер со встроенным генератором;

- интегрированный аналоговый компаратор;

- прерывание и пробуждение при изменении состояния выводов;

- сброс при включении питания и детектор кратковременных пропаданий питания;

- встроенный откалиброванный генератор - Внешние и внутренние источники прерывания;

- пять режимов пониженного потребления: Idle, ADC Noise Reduction, Power-Save, Power-down и Standby.

После того как мы рассмотрели устройство микроконтроллера, необходимо создать модель формирователя управляющих сигналов в среде Proteus на основе микроконтроллера. Данное виртуальное устройство будет общаться с реальным мобильным телефоном через виртуальный com-порт - COMPIM. Телефон же подключается к реальному COM-порту компьютера. Как и все устройства формирователя, микроконтроллер Atmega88 тоже будет виртуальным.

Для построения формирователя управляющих сигналов потребуются следующие электронные компоненты:

Atmega88 - микроконтроллер;

COMPIM - виртуальная модель последовательного COM-порта. При помощи него модель устройства, построенного в Proteus, способна взаимодействовать и обмениваться информацией с реальным устройством, подключенном к физическому СОМ-порту, в данном случае с мобильным телефоном. COMPIM имеет 9 выводов: наличие несущей (DCD), порт приёма данных (RXD), порт передачи данных (TXD), готовность приёма данных (DTR), заземление (GND), готовность источника данных (DSR), порт запроса данных на передачу (RTS), порт запроса данных на приём (CTS), сигнал вызова (RI);

LM016L - монохромный LCD дисплей разрешением 16х2. Предназначен для отображения информации, которую сообщает микроконтроллер при взаимодействии с другими устройствами. В нашем эксперименте будет отображать информацию о режимах работы телефона во время симуляции. Интерфейс дисплея имеет 14 выводов: вывод для подключения питания 0В (VSS), вывод для подключения напряжения схемы (VDD), вывод для подключения отрицательного напряжения питания (VEE), вывод выбора регистра (RS), вывод чтения/записи данных (RW), вывод включения сигнала (Е), информационные выводы (D0-D7);

Virtual Terminal - Виртуальный моделирующий терминал ПК, обменивающийся данными с приёмопередатчиком микроконтроллера и получающий сигналы от модема мобильного телефона. Терминал поддерживает служебные символы ASCII - управления выводом текста. В нашем эксперименте будут использоваться два виртуальных терминала, один из которых будет считывать сигналы на входе (TXD), а другой на выходе (RXD) приёмопередатчика (UART) микроконтроллера. Сигналы будут отображаться в виде АТ-команд на экране обоих терминалов. Интерфейс виртуального терминала имеет 4 вывода: вывод приёма данных (RXD), вывод передачи данных (TXD), порт запроса данных на передачу (RTS), порт запроса данных на приём (CTS);

POT - резистор с переменным сопротивлением. Резистор нужен для регулировки яркости дисплея;

GROUND - заземление устройства;

POWER - питание устройства.

Итак, приступаем к работе. Открываем Proteus, во вкладке «Файл» выбираем новый проект. Появится окно, которое предложит выбрать рамку для будущего проекта. Из предложенных вариантов нужно выбрать рамку Portrait A4 (рисунок 2.12).



Рисунок 2.12 - Окно редактора схем с рамкой

Теперь нужно добавить в рамку необходимые для построения формирователя компоненты. Они будут выбираться из базовых библиотек Proteus. Для этого сначала удобней добавить компоненты в селектор.

В появившемся окне пользуемся автопоиском, что бы выбрать требуемые компоненты (рисунок 2.13).

Рисунок 2.13 - Поиск нужных компонентов

С помощью автопоиска находим и добавляем микроконтроллер (ATMEGA88), COM-порт (COMPIM), ЖК-дисплей (LM016L)

После того как требуемые компоненты добавлены в селектор, можно начинать размещать их в окне редактора схем. В селектор можно добавить не все требуемые компоненты. Некоторые из них можно добавить только на самой схеме через контекстное меню.

Поочередно помещаем все компоненты из селектора на схему (рисунок 2.14).

Рисунок 2.14 - Добавление компонентов в редактор схем

Теперь из селектора на схему добавлены: микроконтроллер, COM-порт и дисплей (рисунок 2.15).

Рисунок 2.15 - Требуемые компоненты в окне редактора схем

Итак, поместив компоненты из селектора на схему, нужно добавить компоненты, которых нет в селекторе (рисунок 2.16).



Рисунок 2.16 - Добавление компонентов через контекстное меню

После размещения виртуальных терминалов, двух заземлений и двух питаний (рисунок 2.17) необходимо подключить все компоненты, что бы они могли взаимодействовать между собой.

Рисунок 2.17 - Требуемые компоненты в окне редактора схем

Для того что бы установить соединение между компонентами достаточно подвести курсор мышки к подключаемой части компонента и провести связь между компонентами (рисунок 2.18).

Рисунок 2.18 - Подключение компонентов

Проводить связь следует в соответствии с назначением выводов устройств. Соединение проводится обычными проводами (Wire).

COMPIM подключается к RXD Atmega и ко второму пину (RXD) микроконтроллера. Точно так же COMPIM подключается к TXD Atmega и к микроконтроллеру. К DTR входу COMPIM подключается питание.

Для того что бы соединить контакты дисплея с выводами микроконтроллера нужно использовать шину данных, выбрав из типов линий линию Bus Wire (рисунок 2.19).

Рисунок 2.19 - Выбор шины данных

Проложить шину нужно, так что бы удобно было подключить к ней пины микроконтроллера и контакты дисплея. Далее нужно провести связь от шины к контактам дисплея и к пинам микроконтроллера. Пины 23, 24, 25, 26, 27, 28 со значениями EN, RS, d4, d5, d6, d7 соответственно обмениваются данными по шине с соответствующими контактами дисплея. Контакты дисплея 1(VSS) и 5(RW) одновременно подключаются к заземлению, контакт 2(VDD) одновременно подключается к питанию, а контакт 3(VEE) подключается к резистору. Проделав вышеописанную работу, получаем устройство для формирования управляющих сигналов (рисунок 2.20).



Рисунок 2.20 - Соединение выводов микроконтроллера и выводов дисплея с шиной данных

Сохраняем разработанное устройство и переходим в Bascom для разработки программы управления микроконтроллера



3. Общая функциональная характеристика языкового программного комплекса Bascom-AVR

3.1 Особенности пользовательского интерфейса и формирование программы

Для того что бы упростить работу с языками программирования при работе с микроконтроллерами была создана программная среда Bascom-AVR. Она предлагает разработку программ для микроконтроллеров фирмы Atmel, основанную на языке программирования высокого уровня, близкому к стандартному Basic или Visual Basic. Достаточно простой интерфейс, несложная настройка, встроенный компилятор и программатор, построчный отладчик-симулятор (с программными эмуляторами терминала, символьного ЖКИ, матрица клавиатуры, EERPOM и SRAM, светодиодами - пинами портов, ADC и компаратором). В общем, Bascom пожалуй самая универсальная и удобная программа для написания программы и её отладки.

Итак, Bascom позволяет:

1. Писать программы на Бейсике;

2. Переводить эти программы в машинные коды (формат, понятный МК);

3. Симулировать скомпилированный код;

4. Программировать микроконтроллер с помощью внешних утилит или непосредственно из среды разработки.

Иными словами Bascom переводит программу, написанную на языке программирования Basic на язык, понятный микроконтроллеру.

В общем, разработку программ для микроконтроллерных устройств можно условно разделить на 4 этапа:

1. Логический - с постановкой требуемой задачи и анализом возможных путей её решения;

2. Физический - с определением конкретной модели микроконтроллера исходя из необходимого количества линий ввода-вывода и других специфических условий, а так же составлению принципиальной схемы;

3. Программный - с написанием программы, компиляцией и проверкой на симуляторе;

4. Практический - со сборкой, программированием микроконтроллера, наладкой и проверкой в работе самых неожиданных для прибора условиях, как со стороны окружающей среды, так и со стороны непредсказуемых действий пользователя.

Bascom помогает осуществить третий, программный этап.

В Bascom имеются операторы для работы с устройствами, расположенными на кристалле микроконтроллера, и внешними устройствами, наиболее часто используемые в микропроцессорных системах. Наиболее мощная поддержка предлагается для работы с последовательным портом и символьным индикатором. Операторы Bascom-AVR рассчитаны на работу с внутренней так и с внешней памятью данных (ОЗУ).

Так же, программа обеспечивает существенное сокращение затрат времени программирования. Кроме того, встроенная мощная поддержка многих стандартных физических устройств обеспечивает дополнительные удобства. По сравнению с компиляторами языка Си, Bascom дает намного более компактный код.

Компилятор позволяет создавать программы для всех моделей микроконтроллеров AVR. Предусмотрены средства настройки компилятора под любую модель микроконтроллера. Все имена регистров, используемые в программе, определяются внешним файлом, описывающим их адреса. В результате компиляции могут быть получены файлы исполняемого кода в бинарном виде или HEX-формате.

Программный комплекс Bascom поставляется в трех вариантах:

1. Bascom-LT для МК серии AT89Cx051 фирмы Atmel;

2. Bascom-8051 для микроконтроллеров серии 8051;

3. Bascom-AVR для микроконтроллеров серии AVR фирмы Atmel.

Так как в данном дипломном проекте используется микроконтроллер Atmega88 из серии Atmel AVR, следовательно, программа будет разрабатываться в Bascom-AVR.

Итак, переходим к работе. Запускаем Bascom и создаем новый проект. Теперь можно перейти к написанию текста программы.

Текст программы:

выбор модели контроллера Atmega88:

$regfile = "M88DEF.DAT"

частота генератора 8МГц

$crystal = 8000000

скорость порта 19200

Hardware UART 19200 8N1 FlowControl=NO

$baud = 19200

контакты интерфейса мобильного телефона (МТ):

1 - общий

5 - выход МТ (подключить на вход RX контроллера)

6 - вход МТ (подключить к выходу TX контроллера)

LCD 16*2 - настройки:

PORTC.0 - EN

PORTC.1 - RS

PORTC.2 - DB4

PORTC.3 - DB5

PORTC.4 - DB6

PORTC.5 - DB7

для отладки подпрограммы:

$sim

SMS центр прописан на сим-карте

Const Gsm_center = "+79037011111"

Номера абонентов

Const User1 = "+79231216453" абонент 1

Const User2 = "+79134843610" абонент 2

буфер для приема сообщений мобильного телефона

Dim C45_message As String * 40

временная строковая переменная

Dim Z As String * 16

Dim C45 As Byte

Dim Newdata_c45 As Byte

Config Input = Crlf , Echo = Crlf

используем буферизированный последовательный порт

Config Serialin = Buffered , Size = 40 , Bytematch = 10 прерывание от <CR>

для этого необходимо разрешить прерывания

Enable Interrupts

включить PULL-UP резисторы на RX и TX входы (PORTD.0 PORTD.1 соответственно)

Ddrd = 0

Portd = &B00000011

калибровка внутреннего RC генератора - только для реального устройства

в PROTEUS - не используется

Osccal = 165 VCC=3,3v; 8mhz

Osccal = 157 VCC=3,3v; 4mhz

Osccal = 150 VCC=5,0v; 4mhz

приветствие при включении питания:

Home

Lcd "Siemens C45 SPY"

Wait 1

Home

Cls

Cursor Off

Newdata_c45 = 0

подача команды АТ, чтобы телефон проснулся:

Print "AT"

Waitms 100

Newdata_c45 = 0

Do

Do

Print "AT"

Wait 2

Loop Until Newdata_c45 = 1

Newdata_c45 = 0

Lcd C45_message

Loop Until C45_message = "OK"

на нижней строке пишем:

Lowerline

Lcd "C45 working!"

телефон включен, поэтому можно выключить сторожевой таймер:

Stop Watchdog

Reset Watchdog

телефон включен, поэтому можно начинать его инициализацию перед работой

отключить эхо:

Print "ATE0"

Wait 1

Newdata_c45 = 0

отключить подтверждения:

Print "ATQ1"

Wait 1

Newdata_c45 = 0

включить "тихий" режим:

Print "AT+CALM=1"

Wait 1

Newdata_c45 = 0

выключить виброзвонок:

Print "AT+CVIB=0"

Wait 1

Newdata_c45 = 0

разрешить телефону сообщать номер звонящего абонента:

Print "AT+CLIP=1"

Wait 1

Newdata_c45 = 0

очистить буфер памяти:

Clear Serialin

инициализация телефона закончена, ждем звонка:

Looploop

ждем звонка: т.е. сообщение "RING"

Upperline

Cls

Lcd "wait RING"

узнаем, кто звонит:

Do

Loop Until Newdata_c45 = 1

Newdata_c45 = 0

получим c45_message похожее на +CLIP: "+79231216453",145,,,,0

Z = Mid(c45_message , 9 , 12)

Lowerline

Lcd Z

проверим, что звонит "свой":

If Z = User1 Then Goto Valid_user

If Z = User2 Then Goto Valid_user

звонит чужой, ничего происходит, цикл повторяется:

Goto Looploop

позвонил "свой" человек (user1 или user2), можно поднять трубку

Valid_user:

поднять трубку

Print "ATA"

Wait 1

Newdata_c45 = 0

Clear Serialin

ждем когда "свой" человек положит трубку, т.е. ждем сообщения "NO CARRIER"

Do

Do

Loop Until Newdata_c45 = 1

Newdata_c45 = 0

Home

Upperline

Lcd C45_message

Loop Until C45_message = "NO CARRIER"

получено сообщение «NO CARRIER»

конец связи, положить трубку:

Print "ATH0"

Wait 1

Newdata_c45 = 0

переход к ожиданию очередного звонка:

Goto Looploop

подпрограмма обработки прерывания при приема <CR> в конце строки от телефона

принятая строка - в C45_message, флаг Newdata_c45=1

Serial0charmatch:

Input C45_message Noecho

Newdata_c45 = 1

Return

End.

Разработка программы завершена (рисунок 3.1).

Рисунок 3.1 - Окно Bascom-AVR с текстом разработанной программы

2.5 Компиляция программы и подготовка файла для программирования микроконтроллера

Далее, после того как программа готова, необходимо выполнить процесс компиляции, то есть перевести написанную программу в шестнадцатеричный машинный код, понятный микроконтроллеру. Из рисунка 3.2 видно, что скомпилированная программа занимает 17% энергозависимой (Flash) памяти микроконтроллера.



Рисунок 3.2 - Компиляция программы

После того, как программа скомпилирована, нужно запустить программатор и, если нет ошибок, он автоматически определит модель контроллера и выдаст в рабочее окно скомпилированный машинный код в шестнадцатеричной системе счисления, готовый для загрузки в микроконтроллер.

Далее запустив, Proteus выбрать разработанный формирователь сигналов и загрузить данный HEX-файл в программный файл микроконтроллера, открыв для этого свойства микроконтроллера, и в разделе Program File выбираем сохраненный HEX-файл MEGA88_SPY_021209.HEX и нажимаем «ОК». Таким образом, программа управления загружена в микроконтроллер.

На это работа в Bascom завершена. Можно проверить работу разработанного устройства, запустив симуляцию. Если все работает, то программа будет пытаться опросить телефон, а на экране TXD-терминала будут одно за другим появляться сообщения «АТ».

Это означает что, устройство пытается опросить модем телефона. Теперь можно подключить телефон и приступать к испытаниям с телефоном.

Таким образом, окончательная структура аппаратной части формирователя сигналов анализа работоспособности мобильного телефона включает в себя следующие компоненты: Компьютер, мобильный телефон, USB-адаптер для их сопряжения (рисунок 3.3).



Рисунок 3.3 - Общая структура формирования сигналов анализа

Причем, параллельно проводникам USB-адаптера представилось целесообразным подключить универсальный логический анализатор Saleae Logic Analyzer (рисунок 3.4) для обеспечения наблюдения битовой структуры физических сигналов взаимодействия мобильного телефона с компьютером черех USB интерфейс.

Рисунок 3.4 - Подключение USB-UART конвертера на микросхеме FTD1232 к логическому анализатору

Логический анализатор - это инструмент для временного анализа цифровых сигналов и может быть очень полезен при разработке и настройке всевозможных электронных устройств, при написании программного обеспечения, работающего в связке с железом, при работе с микроконтроллерами, ПЛИС и микропроцессорами, для анализа работы различных устройств и протоколов обмена данными, и для многих других применений. Кроме того, он портативен и не нуждается в отдельном питании. В таблице 3.1. перечислены основные параметры логического анализатора фирмы Saleae.



Таблица 3.1 - Основные параметры логического анализатора фирмы Saleae

Параметр	Значение
число цифровых каналов	8
частота оцифровки на канал	до 24 МГц
Параметр	Значение
количество сэмплов в выборке	до 1G (зависит от количества памяти ПК)
входное сопротивление	100 кОм
диапазон рабочих напряжений	-0,5…5,25 В
напряжение логического «0»	-0,5…0,8 В
напряжение логической «1»	2,0…5,25 В
защита от статики
защита по превышению напряжения	+/?15 В



4. Проведение натурных испытаний формирователя команд анализа

4.1 Настройка оборудования

После того как программа разработана и загружена в микроконтроллер и мы убедились что устройство функционирует, можно приступить к испытаниям. Для этого потребуется ПК, на котором будет установлен Proteus и подключенный посредством COM-кабеля с интерфейсом RS-232 мобильный телефон Siemens C45. Для COM-кабеля нужно установить соответствующее программное обеспечение - драйверы. После этого подключаем телефон к компьютеру, запускаем Proteus и выбираем созданный формирователь сигналов взаимодействия. Для того что бы устройство взаимодействовало с телефоном нужно согласовать номер виртуального COM-порта с реальным. Для этого открыть свойства COMPIM и выставить там соответствующее значение (рисунок 4.1). Скорость так же должна быть выставлена 19200 Бод. Именно такая скорость у модема Siemens C45.

Рисунок 4.1 - Настройка COMPIM

Соответствующее значение скорости и аппаратное управление потоком должны быть выставлены в диспетчере устройств Windows (рисунок 4.2). Если всё верно нажимаем «ОК». Всё готово для проведения опыта.



Рисунок 4.2 - Настройка параметров порта в диспетчере устройств

4.2 Проведение испытаний в Proteus

После того, как всё настроено, можно приступать к испытаниям. Для запуска процесса симуляции нажимаем «ПУСК». На дисплее формирователя должно появиться сообщение «Siemens C45 SPY». На экранах виртуальных терминалов должны появляться сообщения в формате АТ-команд. Это означает, что телефон найден и программа начала его опрос (рисунок 4.3).

Рисунок 4.3 - Начало инициализации телефона

Из рисунков можно увидеть, как на выводах устройств горят разноцветные пиктограммы в виде квадратиков. Proteus ифнормирует на каком логическом уровне в данный момент находятся выводы устройств:

- Красный - "Горячий" логическая "1"

- Синий - "Холодный" логическая "0"

Далее после того как инициализация телефона завершена на ЖК-дисплее формирователя сигналов должно появиться сообщение «С45 Working» (рисунок 4.4).

Рисунок 4.4 - Завершение инициализации телефона

После завершения инициализации телефон переводится в режим ожидания вызова - «wait RING».

На экране TXD терминала видим сообщения на выходе микроконтроллера:

AT - опрос модема

ATE0 - местное эхо выключено

ATQ1 - подтверждения модема включены

AT+CALM=1 - включен бесшумный режим

AT+CVIB=0 - виброзвонок выключен

AT+CLIP=1 - отображать номер звонящего разрешено

RXD терминал отображает сообщения идущие на вход микроконтроллера от телефона:

AT

OK

AT

OK

ATE0

OK - это сообщение означает что модем успешно обработал команды.

Телефон готов к работе (рисунок 4.5). Теперь можно сделать входящий вызов на испытуемый телефон с номеров, заданных при написании программы в Bascom.



Рисунок 4.5 - Телефон в режиме ожидания вызова

При поступлении входящего вызова с одно из заданных в программе номеров телефон автоматически переводится в режим «разговор». Если совершить вызов с «чужого» номера, то телефон не будет автоматически принимать этот вызов, и он будет продолжаться, пока вызывающий абонент не отменит его сам.

Во время входящего вызова на дисплее формирователя и на экране RXD-терминала появится сообщение с номером вызывающего абонента, а экран TXD-терминала добавляет сообщение ATA, что означает автоматический перевод модема телефона в режим разговор (рисунок 4.6).

Рисунок 4.6 - Поступление вызова на телефон от абонента 1



Если прекратить вызов, то на обоих дисплеях появится сообщение «NO CARRIER». Это команда означает что модем не получил ответа от удаленного модема (рисунок 4.7).

Рисунок 4.7 - Сброс вызова

Далее при помощи логического анализатора исследуется битовая структура сигнальных последовательностей взаимодействия мобильного телефона и компьютера через USB - интерфейс (рисунок 4.8).

Рисунок 4.8 - Представление битовой структуры информационного обмена мобильного телефона и компьютера

.

На основе проведенных испытаний и полученных результатов следует отметить, что программа и устройство разработаны правильно, испытания прошли успешно, а поставленные задачи реализованы.

Проведенные натурные испытания формирователя сигналов показали удовлетворительную возможность управления модемом мобильного телефона через USB интерфейс и особенности сигнального обеспечения этого взаимодействия.

Здесь явно просматривается сигнальная структура с малоизвестным вариантом кодирования при параллельной передаче по обоим сигнальным проводам USB интерфейса с большим количеством информации для сигхронизации.



5. Безопасность жизнедеятельности

5.1 Вредные факторы от ПК

Сегодня персональные компьютеры (ПК) или персональные электронно-вычислительные машины (ПЭВМ), или видеодисплейные терминалы (ВДТ) используются в самых разных областях деятельности человека. Во многих профессиях они являются либо объектом труда, либо рабочим инструментом. Работа, обучение, общение, быт, игры - далеко не полный перечень сфер использования компьютеров.

К сожалению, многочисленные пользователи персональных компьютеров часто забывают, а порой и просто не знают о том, что компьютеры вместе с пользой несут в себе и ряд факторов, отрицательно сказывающихся на здоровье.

Проблемы безопасности при работе с ПК актуальны для России. Понимание необходимости уменьшения рисков для здоровья пользователей ПК пришло к нам значительно позже приобретения компьютеров и их бурного внедрения во все сферы жизни и деятельности. В настоящее время практически каждый имеет возможность купить персональный компьютер и работать с ним, не подозревая о том вреде, который он может нанести собственному здоровью при неумелом обращении.

В производственных условиях компьютер становится определяющим фактором влияния на здоровье и работоспособность работника.

Инструкции по безопасности, руководства по применению и другая сопровождающая компьютеры техническая документация не содержит в настоящее время практически никакой информации по рассматриваемой проблеме. Не всегда корректно, полно и четко написаны нормативные документы, допускающие неоднозначное толкование.

...