33_37.pdf

Uniwersalny zamek szyfrowy

P R O J E K T Y

Uniwersalny zamek

szyfrowy

kit AVT-311

Na ³amach EP (EP4/93)

opis zamka szyfrowego by³

ju¿ prezentowany. Oto jego

kolejna wersja, której

konstrukcja zosta³a oparta na

mikrokontrolerze PIC16C84.

Mikrokontroler PIC16C84 po-

s³u¿y³ do konstrukcji prostego

zamka cyfrowego. Cech¹ wyró¿-

niaj¹c¹ go w swej klasie jest re-

programowalnoæ w uk³adzie - pa-

miêæ programu i fragment pamiêci

danych s¹ typu EEPROM. Poza

tym ma on wszystkie cechy cha-

rakterystyczne dla procesorów

PIC16CXX:

-architektura harwardzka, czyli

pamiêæ programu i pamiêci da-

nych s¹ rozdzielone;

-wszystkie rozkazy s¹ wykonywa-

ne w czterotaktowym cyklu;

-uk³ad watchdoga ma niezale¿ny

od systemowego zegar;

-cztery rodzaje oscylatorów zega-

ra systemowego;

-jednopoziomowy uk³ad przerwañ

o priorytetach róde³ ustawia-

nych programowo;

-w pe³ni statyczna logika CMOS;

-szeroki zakres napiêæ zasilania:

2.0V do 6.0V;

-niewielki pobór mocy.

Dodatkowo, oprócz 36 8-bito-

wych rejestrów, dla programisty

dostêpna jest równie¿ nieulotna

64-bajtowa pamiêæ EEPROM.

Wprawdzie producent dostarcza

wersjê co najwy¿ej 10MHz, ale

trzeba pamiêtaæ, ¿e taki zegar

odpowiada zegarowi 30MHz w ar-

chitekturze procesora z rodziny

'51. Do naszych zastosowañ to a¿

nadto.

-prostotê uk³adow¹;

-mo¿liwie du¿¹ liczbê kombinacji

kodowych, a wcale nie musz¹ to

byæ ci¹gi liczbowe, wynosz¹c¹

11 63 ;

-odpornoæ na wy³¹czenie zasila-

nia, polegaj¹c¹ na tym, ¿e kod

otwarcia jest pamiêtany niezale¿-

nie od zasilania uk³adu.

Na rys.1 pokazano schemat

elektryczny zamka szyfrowego.

Sercem urz¹dzenia, i zarazem je-

dynym uk³adem scalonym, jest

mikroprocesor PIC16C84. Zapisa-

ny w nim program steruje ca³ym

urz¹dzeniem. Do linii portów pro-

cesora do³¹czono klawiaturê mat-

rycow¹ 3x4, tranzystor w³¹czaj¹cy

przekanik PK1, piszczyk oraz

dwie diody LED, s³u¿¹ce do syg-

nalizacji stanu zamka. Zasilanie

procesora, diod LED i klawiatury

zapewnia stabilizator typu

LM7805. Zegar procesora jest ty-

pu RC, nie ma bowiem potrzeby

stosowania kwarcu, jeli uk³ad

nie wykonuje precyzyjnych po-

miarów czasu. Na tym w zasadzie

mo¿na zakoñczyæ opis budowy

zamka. Bardziej interesuj¹cy jest

program zapisany w pamiêci mik-

rokontrolera.

Zanim omówimy program za-

mka, skupmy siê na chwilê na

klawiaturze. Jest to klawiatura

membranowa, wykonana w wersji

bez opisu klawiszy. Opis klawiszy

jest spraw¹ u¿ytkownika, czyli

zamiast standardowych napisów

u¿ytkownik mo¿e, w formie pod-

k³adu, przyj¹æ w³asny uk³ad kla-

Opis uk³adu

Nasz zamek posiada nastêpu-

j¹ce walory:

Elektronika Praktyczna 1/97

Uniwersalny zamek szyfrowy

Rys. 1. Schemat elektryczny zamka szyfrowego.

ADR jest modyfikowana oraz

sprawdzane jest, czy jest to kod

klawisza # (rys.2), gdy¿ naciniê-

cie klawisza # oznacza zakoñcze-

nie wprowadzania kodu otwarcia.

Dwukrotne b³yniêcie i ci¹g³e

wiecenie siê diody zielonej oraz

w³¹czenie przekanika jest sygna-

³em, ¿e zamek zosta³ otwarty.

W stanie otwarcia zamka ist-

nieje mo¿liwoæ zmiany kodu ot-

warcia. A¿eby utrudniæ osobom

niepowo³anym tego rodzaju mani-

pulacje, zakodowano równie¿ do-

stêp do procedury szyfruj¹cej.

Tym razem jest to kod sta³y : 1-

5-8-0-*. Podanie takiej sekwencji

znaków spowoduje przeniesienie

sterowania na pocz¹tek programu,

do procedury szyfruj¹cej. Pomy³ka

w jej wprowadzaniu oznacza, ¿e

trzeba bêdzie j¹ powtórzyæ od

pocz¹tku. Sam znak gwiazdki za-

myka zamek.

Je¿eli kod odczytanej komórki

i kod klawisza ró¿ni¹ siê od sie-

bie, program przechodzi do pêtli

obok i w niej oczekuje na naci-

niêcie klawisza #, ju¿ bez porów-

nywania wspomnianych wartoci.

Kiedy ju¿ ten klawisz zostanie

naciniêty, zielona dioda LED o-

miokrotnie zab³ynie i zapali siê

dioda czerwona D1. Taka jest

sygnalizacja podania b³êdnego ko-

du otwarcia. W tym stanie mik-

rokontroler pozostanie a¿ do na-

ciniêcia dowolnego klawisza.

Wtedy program powróci na pocz¹-

tek procedury otwierania zamka,

daj¹c kolejn¹ szansê na jego ot-

warcie.

Opiszemy teraz procedurê szyf-

rowania kodu otwarcia zamka. Jak

to widaæ na rys.4, wejcie do niej

jest sygnalizowane zapaleniem siê

obu diod, czerwonej i zielonej.

Ustawiany jest adres pocz¹tkowy

wiatury. Na rys.2 , dla potrzeb

tego artyku³u, przyjêto uk³ad kla-

wiatury telefonicznej. Dalej poka-

¿emy, jak stworzyæ inny uk³ad

klawiatury.

Zmienna EEADR widoczna na

rys.3 jest zmienn¹ systemow¹

oznaczaj¹c¹ bie¿¹cy adres pamiêci

EEPROM mikrokontrolera. Do niej

zapisuje siê wstêpnie wartoæ od-

powiadaj¹c¹ adresowi najstarszej

komórki pamiêci.

Odczyt klawiatury w tym urz¹-

dzeniu jest sekwencyjny. Klawia-

tura jest matryc¹ w³¹czników 3x4.

Co pewien czas, zale¿ny od we-

wnêtrznego uk³adu timera, spraw-

dzany jest stan klawiszy. Wykry-

cie naciniêcia klawisza powoduje

zapis jego kodu do bufora klawia-

tury. Przy zwolnionych przycis-

kach klawiatury w buforze jest

wpisywany kod 0FFH. Procedura

odczytu klawiatury najpierw ocze-

kuje na naciniêcie klawisza, a po-

tem na jego zwolnienie, zapisuj¹c

kod naciniêtego klawisza do

osobnej komórki pamiêci danych.

Po odczytaniu klawiatury,

w celu potwierdzenia jej naciniê-

cia, dioda koloru zielonego (na

schemacie z rys.1 jest to dioda

D2) b³ynie krótko, a piszczyk

równie krótko zapiszczy (przy-

jmijmy dla uproszczenia opisu, ¿e

jeli dioda D2 b³ynie, to równie¿

odzywa siê piszczyk). Nastêpuje

odczyt komórki pamiêci EEPROM

o adresie zawartym w EEADR. Je-

li kod odczytanej komórki i kod

klawisza s¹ zgodne, zmienna EE-

Algorytm pracy procesora

Algorytm programu pokazano

na rys.3 i 4 . Rys.3 dotyczy algo-

rytmu programu g³ównego, za

rys.4 przedstawia procedurê szyf-

ruj¹c¹ kod otwarcia.

Po restarcie procesora nastêpu-

je sprawdzenie, czy pamiêæ EEP-

ROM nie zawiera kodu. Brak

kodu oznacza, ¿e we wszystkich

64 bajtach pamiêci jest zapisana

liczba 0FFH. Nale¿y wiêc wywo-

³aæ procedurê szyfruj¹c¹ kod ot-

warcia. O procedurze szyfruj¹cej

napiszemy dalej, teraz dokoñczy-

my omawianie programu g³ówne-

go. Po wykryciu zapisu danych

w pamiêci EEPROM procedura

szyfrowania jest omijana i zamek

jest zamykany. W ten sposób

uk³ad broni siê przed prób¹ roz-

kodowania poprzez wy³¹czenie za-

silania.

Po zakoñczeniu kodowania

zamka nastêpuje jego zamkniêcie.

Zrobiono to w celu natychmiasto-

wego sprawdzenia poprawnoci

kodu otwarcia. Przechodzimy za-

tem do w³aciwej procedury ot-

wierania zamka.

Rys. 2. Wygl¹d klawiatury

membranowej.

Elektronika Praktyczna 1/97

Uniwersalny zamek szyfrowy

Rys. 3. Algorytm procedury g³ównej zamka szyfrowego.

WR, RD, które s¹ bitami rejestru

EECON1. Zmienna EEADR, jak

ju¿ wy¿ej napisano, pamiêta adres

komórki pamiêci, w zmiennej EE-

DATA zawarto dan¹ przeznaczon¹

do zapisu albo bêdzie tam dana

odczytana z pamiêci EEPROM.

Wskanik RD, poprzez jego

ustawienie, inicjuje odczyt z ko-

mórki pamiêci o adresie zawar-

tym w EEADR. Ustawiony

wskanik WR, po zezwoleniu

przez ustawienie wskanika

WREN, inicjuje zapis do pamiêci

EEPROM. Zapis do niej jest ob-

warowany dodatkowymi warunka-

mi. Przed zapisem w³aciwego

bajtu nale¿y:

-do EEADR wpisaæ w³aciwy ad-

res komórki pamiêci EEPROM;

-do EEDATA wpisaæ dan¹ do

zapisu;

-ustawiæ bit WREN;

-wy³¹czyæ system przerwañ

w mikrokontrolerze;

-do rejestru EECON2 wpisaæ 55H;

-do rejestru EECON2 wpisaæ 0A-

AH;

-w³¹czyæ system przerwañ w mik-

rokontrolerze;

-ustawiæ bit WR inicjuj¹cy zapis.

Tak skomplikowany sposób za-

pisu jest podyktowany chêci¹ za-

pewnienia maksymalnej ochrony

danych przed ich utrat¹. W mo-

mencie zerowania mikrokontrolera

nie mo¿na przewidzieæ, czy przy-

padkiem nie nast¹pi inicjacja za-

pisu poprzez ustawienie bitu WR.

Ustawienie takiej bariery prak-

tycznie uniemo¿liwia taki przypa-

dek. Jeli za³o¿ymy, ¿e taka sek-

wencja rozkazów, jak wy¿ej wy-

mieniona jest mo¿liwa, to przy 14

bitach s³owa procesora i potrzeb-

nych do zapisu co najmniej 6 s³ów

programu, prawdopodobieñstwo

samorzutnego pojawienia siê w³a-

ciwej sekwencji zapisuj¹cej jest

równe 1/(2 14*6 ) = 5.17x10 -26 .

Nale¿y wiedzieæ, ¿e czas trwa-

nia zapisu wynosi ok. 10ms,

dlatego w przypadku próby zapi-

su sekwencji bajtów warto sko-

rzystaæ z systemu przerwañ, który

ma mo¿liwoæ obs³ugi przerwania

od zakoñczenia zapisu do pamiêci

EEPROM. W opisywanym urz¹dze-

niu taka potrzeba nie wystêpowa-

³a ze wzglêdu na d³ugie czasy

odczytu klawiatury, dochodz¹ce

do 1 sekundy. Bit WR jest auto-

matycznie zerowany po zakoñcze-

niu procesu zapisu.

pamiêci EEPROM, nastêpuje od-

czyt klawiatury z jednoczesnym

b³yniêciem diody zielonej.

Zmienna EEADR mo¿e byæ tak

d³ugo dekrementowana (jej war-

toæ jest zmniejszana o 1), a¿

osi¹gnie wartoæ 0, wtedy proce-

dura jest automatycznie zakoñczo-

na. Procedurê szyfrowania mo¿na

zakoñczyæ wczeniej poprzez na-

ciniêcie klawisza # i ten przypa-

dek bêdzie w praktyce czêciej

spotykany, poniewa¿ trudno wy-

obraziæ sobie pracowite

wklepywanie tak wielkiej liczby

znaków. W razie pomy³ki proces

wprowadzania kodu otwarcia na-

le¿y zacz¹æ od pocz¹tku.

Kilku s³ów wyjanienia wyma-

ga zapis i odczyt pamiêci EEP-

ROM. Dostêp do pamiêci EEP-

ROM jest mo¿liwy poprzez jed-

nobajtowe okno, obs³ugiwane

przez trzy rejestry - EECON2,

EEADR i EEDATA - oraz przez

trzy zmienne jednobitowe: WREN,

Elektronika Praktyczna 1/97

Uniwersalny zamek szyfrowy

szy. Ka¿dy pin ta-

my po³¹czeniowej

klawiatury zosta³

opisany jako ci¹g

znaków pod³¹czo-

nych do danego pi-

nu. A¿eby uzyskaæ

zwarcie po naci-

niêciu konkretnego

klawisza, nale¿y na

rys.6 znaleæ go na

dwóch ró¿nych

nó¿kach opisu z³¹-

cza JP1.

W czasie uru-

chomienia zasilamy

uk³ad ze ród³a na-

piêcia 12V. Przed

w³o¿eniem proce-

sora PIC nale¿y na nó¿kach 14

i 5 podstawki sprawdziæ obecnoæ

napiêcia zasilaj¹cego procesor, wy-

nosz¹cego 5V.

Teraz nale¿y bardzo uwa¿nie

postêpowaæ, aby nie doprowadziæ

do sytuacji, w której nie bêdzie

znany kod otwarcia zamka. Wk³a-

damy procesor w podstawkê, w³¹-

czamy zasilanie. Po pierwszym

w³¹czeniu jest uruchamiana pro-

cedura szyfrowania kodu otwar-

cia, czyli obie diody siê wiec¹.

Za pierwszym razem nale¿y wpro-

wadziæ szyfr jednoznakowy, koñ-

cz¹c go znakiem #. Potem trzeba

go sprawdziæ, próbuj¹c wpisaæ

ten sam szyfr. Zamek powinien

siê otworzyæ, co bêdzie sygnali-

zowane sta³ym wieceniem diody

zielonej.

W stanie otwarcia zamka mo-

¿emy zmieniæ kod na obrany

przez nas. Musimy nacisn¹æ po

kolei klawisze 1-5-8-0-*. Naciniê-

cie ka¿dego z tych klawiszy jest

sygnalizowane jednym piniêciem

piszczyka i jednym b³yniêciem

diody zielonej. Wybranie innego

klawisza lub zmiana kolejnoci

spowoduje dwukrotne piniêcie

piszczyka i dwukrotne b³yniêcie

diody zielonej. Wtedy, chc¹c prze-

kodowaæ zamek, musimy wprowa-

dzaæ od pocz¹tku tê sekwencjê

znaków. Zamkniêcie zamka pole-

ga na przyciniêciu klawisza *.

Wybranie b³êdnego kodu za-

koñczy siê omiokrotnym b³yniê-

ciem diody zielonej i ci¹g³ym

wieceniem diody czerwonej.

Diodê czerwon¹ mo¿na zgasiæ

dowolnym klawiszem i zacz¹æ

wprowadzanie kodu od pocz¹t-

ku.

Rys. 4. Algorytm procedury

szyfruj¹cej.

Inne oznakowanie

klawiatury

Autor celowo przewidzia³ sto-

sowanie klawiatury membranowej

bez opisu. Wprowadzanie kilku-

nastocyfrowych ci¹gów liczb nie

jest wygodne, a tylko takie ci¹gi

zapewni¹ znaczn¹ trudnoæ otwo-

rzenia zamka. Autor proponuje

dwie zasady kodowania. Kiedy,

w nie tak odleg³ych czasach, gdy

komputery by³y marzeniem fan-

tastów, do pamiêtania np. cyfr

liczby pi u¿ywano ³atwych do

zapamiêtania sentencji. Liczba li-

ter poszczególnych s³ów okrela³a

kolejn¹ cyfrê. Np. Daj, o pani,

o boska Mnemozyno, pi liczbê...

W naszym zamku, zamiast pa-

miêtaæ d³ugie ci¹gi cyfr, zapamiê-

tajmy znany nam zwrot, którego

liczba liter poszczególnych s³ów

Proces odczytu nie wymaga tak

skomplikowanej obs³ugi. Wystar-

czy ustawiæ bit RD bajtu kontrol-

nego EECON1. Po zakoñczeniu

transmisji danej do EEDATA, bit

RD zostanie automatycznie wyze-

rowany.

Monta¿ i uruchomienie

Rys.5 przedstawia rozmieszcze-

nie elementów na p³ytce. Projekt

p³ytki drukowanej przedstawiono

na wk³adce wewn¹trz numeru.

Monta¿ p³ytki zaczynamy od wlu-

towania podzespo³ów na swoje

miejsce na p³ytce. Pod mikrokon-

troler proponujemy zastosowaæ

podstawkê. Nie zapomnijmy

o w³aciwym wlutowaniu diod

o odpowiednich kolorach na

swoich miejscach. Pod³¹czamy

klawiaturê do z³¹cza JP1. Uk³ad

po³¹czeñ wewnêtrznych klawiatu-

ry przedstawiono na rys.6 . Tama

wychodz¹ca z klawiatury ma sie-

dem cie¿ek, taka jest bowiem

sumaryczna liczba kolumn i wier-

Rys. 6. Uk³ad po³¹czeñ klawiatury

membranowej 3x4.

Elektronika Praktyczna 1/97

Rys. 5. P³ytka drukowana zamka szyfrowego.

Uniwersalny zamek szyfrowy

WYKAZ ELEMENTÓW

Rezystory

R1, R2, R3, R5: 10k

(5,6k

÷20k

)

R4, R8: 200

(180

÷300

)

Kondensatory

C1, C2, C6: 100nF (47nF÷150nF)

C3, C4: 100

F/25V

C5: 240pF

Pó³przewodniki

D1: Dioda LED

5 koloru

czerwonego

D2: Dioda LED

5 koloru

zielonego

Q1: BD643, BD645, BD647, BD649

U1: PIC16C84-04/P, PIC16C84-10/P

- zaprogramowany

U2: LM7805, LM78M05

Ró¿ne

JP1: rz¹d siedmiu z³oconych

pinów

JP2, JP3: Z³¹cze ARK2

PK1: przekanik RA2, RA2P, RA2Z,

na napiêcie 12V

Klawiatura membranowa 3x4 bez

opisu albo z opisem klawiatury

telefonicznej

podstawka DIL18

Rys. 7. Wk³adki kodowe dla zwrotów CHRZÊSKRZYBOCZEK i APELAJDA

SÊKLIWA.

bêdzie oznaczaæ cyfry kodu.

Drugim sposobem ³atwiejszego

kodowania jest zakodowanie zwro-

tu, przez zast¹pienie uk³adu do-

tychczas omówionej klawiatury te-

lefonicznej uk³adem liter. Budowa

klawiatury zapewnia ³atw¹ wymianê

wk³adki opisuj¹cej klawisze.

Zakodowany zwrot powinien

byæ na tyle egzotyczny, aby nie

zosta³ ³atwo rozpoznany. Autor

jest mi³onikiem twórczoci Sta-

nis³awa Lema, a jego ksi¹¿ki s¹

pe³ne neologizmów oraz wyrazów

zupe³nie niezrozumia³ych i nie

posiadaj¹cych znaczenia. Poni¿ej

podano dwa przyk³ady takich

zwrotów. S¹ to:

CHRZÊSKRZYBOCZEK

APELAJDA SÊKLIWA

Na rys.7 pokazano uk³ady kla-

wiatury dla obu tych zwrotów.

Przyjemnego kodowania!

Miros³aw Lach, AVT

Elektronika Praktyczna 1/97

R6, R7: 100k

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: