В современные охранные системы входят, как правило, носимый брелок-генератор, излучающий особый сигнал-код, и специальный приемник, реагирующий лишь на этот сигнал-код. Мы уже знакомили наших читателей с такого рода устройствами, работающими на инфракрасных лучах. Но секретность была относительно невелика. Публикуемая ниже статья посвящена той же теме. ИК брелок-генератор и приемник к нему имеют такое же предназначение, но сигнал-код системы формируется в соответствии с принципом, значительно эффективнее использующим время передачи и тем самым многократно увеличивающим ее секретность.
ИК передатчик
Независимо от характера излучения, будь то радиоволна, ультразвук или свет, особое внимание в устройствах автоматического опознания уделяют самому сигналу. Вероятность появления точно такого же сигнала от постороннего источника должна быть пренебрежимо малой.
Кодовая посылка обычно имеет вид двоичной последовательности. Например, 1001101000111..., где единице соответствует наличие излучения, а нулю -пауза "чистого" эфира или какое-то иное излучение. Если число разрядов (знакомест) в таком сигнале обозначить латинской буквой n, то по разному расставляя единицы и нули, мы сможем получить 2" различных их комбинаций. Так при n=7 их может быть 128, при n=15 - 32768, а при n=23 - 8388608. Среди множества возможных какую-то одну последовательность выбирают в качестве кода, или, говоря иначе, электронного пароля.
Рис.1. Схема генератора
Принципиальная схема генератора, формирующего подобным образом последовательность инфракрасных вспышек, приведена на рис. 1. Элементы DD1.1, DD1.2, резистор R1 и кварцевый резонатор ZQ1 образуют задающий генератор, работающий на частоте 32 768 Гц. Микросхемы DD4 и DD5, каждая из которых представляет собой восьмивходовый мультиплексор-демультиплексор, работают как электронные коммутаторы. Их объединенный выход (выводы 3) оказывается соединен с одним из входов ХО-Х7 - в зависимости от адреса, поступающего на адресные входы 1, 2, 4 (выводы 11,10 и 9) и сигнала на входе S (вывод 6) DD4 и DD5. Адрес и S-сигнал формируют счетчик DD3. Нетрудно вычислить, что смена адреса происходит здесь каждые 0,976 мс (25 / 32768 с). Это tзн - длительность знакоместа в кодовой посылке.
В середине каждого знакоместа может быть сформирован короткий (длительностью около 10 мкс, tимп = R4C2) импульс на выходе элемента DD1.4. Но такое произойдет лишь в том случае, если данному знакоместу будет соответствовать сигнал 1 на выходе коммутатора. Этот импульс откроет транзисторы VT1 и VT2 усилителя, и ток, возникший в ИК диоде В11, преобразуется в ИК вспышку такой же длительности.
Генерация кодовой последовательности начинается (когда источник питания включен и кнопка SB1 нажата) с формирования короткого импульса на входе R счетчика DD3 (tr = R3C1), устанавливающего его в нулевое состояние, и заканчивается с появлением 1 на выходе 29 (вывод 14). Знакоместа - их 16 - следуют во времени в соответствии с их нумерацией от 1 до 15 по стрелкам входов Х1-Х7 в микросхемах DD4, DD5 -1,2, З... и т. д. (нулевому знакоместу всегда соответствует 1 - это стартовый импульс пакета, не входящий в число кодообразующих). Таким образом, общая продолжительность кодовой посылки составляет 0,976-15 = 14,6 мс.
Нужное число-код формируют, коммутируя Х-входы микросхем DD4, DD5, т. е. соединяя i-тую стрелку с плюсовым проводником источника питания, если в i-том разряде кода должна быть 1 (вход ХО микросхемы DD4, формирующий стартовый импульс пакета, уже соединен с плюсовым проводником) или с минусовым, если нужен 0. Так, например, для генерации кода 111011100111001 стрелки 1,2,3,5,6,7, 10,11,12,15 надо соединить с плюсовым, а стрелки 4,8,9,13,14 - с общим проводником источника питания. Поскольку п=15, то число различных сигналов, из которых любой может быть закоммутиро-ван в качестве кодового, составляет 215=32768.
Источник питания кодового генератора - 6-вольтовая батарея GB1 диаметром 10,3 и длиной 16 мм (типоразмер источников питания зарубежного производства, например, батарей GP11A, Е11А). Пригодна также литиевая батарея 2БЛИК-1, если в конструкции предусмотреть для нее отсек соответствующих размеров. Зависимость тока, потребляемого генератором (Iпотр), и тока в ИК диоде В11 (Iимп) от напряжения источника питания приведена в таблице.
| U пит, В | I потр, мкА | I имп, А |
| 7 | 360 | 0,72 |
| 6 | 140 | 0,59 |
| 5 | 60 | 0,46 |
| 4,3 | 30 | 0,38 |
| 3,7 | 16 | 0,38 |
| 2,4 | 5 | 0,18 |
Детали генератора монтируют на печатной плате (рис. 2), изготовленной из двустороннего фольгированного стеклотексто-лита толщиной 1,2...1,5 мм. Фольгу со стороны деталей не удаляют - ее используют в качестве общего "заземленного" проводника цепей устройства. В местах пропуска монтажных проводников или выводов деталей через отверстия в плате в ней делают выборки-кружки диаметром 1,5...2 мм (на рис. 2 не показаны). Места пайки к фольге выводов резисторов, конденсаторов и других деталей обозначены зачерненными квадратиками: место соединения с ней фрагмента печатного монтажа (проволочной перемычкой) отмечено квадратиком со светлой точкой посередине. Для пропуска выводов ок-сидного конденсатора С4 в плате просверлено отверстие диаметром 2,5 мм; диаметр вытравленного в фольге защитного кружка здесь должен быть больше -3...3.5 мм.
Рис.2. Печатная плата генератора
Монтажную плату устанавливают на переднюю панель-обойму, склеенную из ударопрочного полистирола. Ее опорами служат приклеенные к панели три полистироловых столбика высотой по 8,5 мм с запрессованными в них металлическими вкладышами-гайками (резьбы М2). Батарея питания во избежание последствий возможной разгерметизации установлена в специальном отсеке.
Выключатель питания SA1 (ПД9-1) размещен на передней панели. Кнопка SB1 (ПКн-159 или близкая ей по габаритам) должна иметь привод длиной 6...8 мм - достаточный для его вывода сквозь отверстие в передней панели. Корпус в виде открытой коробки размерами 88х37х16 мм, в который устанавливают полностью смонтированную панель и батарею питания, склеивают из ударопрочного полистирола толщиной 1,5 мм. В стенке корпуса против ИК диода просверлено отверстие диаметром 5...6 мм, которое (во избежание попадания мусора) можно заклеить тонким пластиком. Однако стенку можно и не сверлить - мощность ИК вспышек генератора способна "пробить" 1,5...2 мм полистирола, но его "дальнобойность" в таком случае существенно уменьшится.
В кодовом излучателе можно использовать практически любые ИК диоды, ограничения -лишь габаритные: высота деталей, устанавливаемых на печатную плату, не должна превышать 8 мм. Все резисторы - МЛТ-0,125. Конденсатор С4 -оксидный К50-16. Конденсатор С6 (CE-DS Маrсоn) смонтирован параллельно плате, его номинальное напряжение должно соответствовать напряжению источника питания. Другие конденсаторы - КМ-5, КМ-6, К10-17Б.
Правильно собранный генератор налаживания не требует. Проконтролировать же его работу можно с помощью осциллографа, подключенного к коллектору транзистора VT1. После включения питания и нажатия кнопки SB1 на экране осциллографа (время ждущей развертки - 20.. .30 мс) должна возникнуть и исчезнуть последовательность импульсов, разнесенных во времени в соответствии с закоммути-рованным кодом. Так, например, коду 111011100111001 будет соответствовать осциллограмма, изображенная на рис. 3 ("лишний" импульс в начале пакета - стартовый). По амплитуде импульсов, измеренных на резисторе R9, можно судить о токе в ИК диоде (Iимп (А) = Uимп (В) / R9 (Ом)), а в быстрой развертке (20...50 мкс, тоже ждущей) - об их форме и длительности, которая должна быть в пределах 5...15 мкс.
Рис.3. Осцилограмма при коде 111011100111001
"Двухступенчатый" запуск кодового излучателя - сначала выключателем SA1, а затем кнопкой SB1, связан с особенностью самовозбуждения кварцованных генераторов: медленным вхождением в рабочий режим из-за высокой добротности кварцевого резонатора.
Рис.4. Схема питания генератора
Выключатель SA1 можно исключить, а питание генератора осуществлять по схеме, показанной на рис. 4. Но тогда кнопку SB1 придется нажимать дважды, так как первое нажатие может выдать неверную комбинацию. Без него можно обойтись и в том случае, если источником питания будет низковольтная батарея или литиевый элемент, способные обеспечить генератору длительную работу при постоянно включенных микросхемах. Например, литиевый элемент напряжением 3 В и электроемкостью 0,1 А-ч будет работать около года.
В случае питания генератора по схеме, приведенной на рис. 4, необходимо проконтролировать ток утечки конденсатора С6 - он должен быть значительно меньше Iпотр, указанного в таблице. При увеличении сопротивления резистора R7, ограничивающего ток в ИК диоде, емкость этого конденсатора может быть уменьшена -большая "дальнобойность" ИК излучателя (с R9 = 3,9 Ом, превышающая 10м) может оказаться просто ненужной.
В этой части статьи ее автор рассказывает о принципе работы и конструкции ИК приемника, составляющего вместе с брелоком-генератором систему автоматического опознания "своего". ИК ПРИЕМНИК Схема устройства, принимающего кодированный сигнал инфракрасного излучателя, показана на рис. 5. Микросхема DA1, представляющая собой фотоусилитель, преобразует импульсы тока в фотодиоде BL1, возбуждаемые ИК вспышками брелока-излучателя, в импульсы напряжения, пригодные для прямого их введения в цифровой анализатор. На рис. 6,а изображен график импульсной последовательности на выходе фотоусилителя, соответствующий коду 111011100111001,который мы здесь и ниже будем рассматривать в качестве примера.
Рис.5. Схема ИК приемника
В приемнике два формирователя. Один из них, выполненный на элементах DD1.1 и DD3.1, расширяет каждый из входных импульсов (напомним, длительность импульсов ИК передатчика - около 10 мкс) до tф1=RЗС5=0,6...0,8 мс (рис. 6,б). А второй, собранный на элементах DD1.2 и DD3.3, формирует импульс длительнос-тью tф2=R4С6=30...50 мс (рис. 6,г). По 1 фронту этого импульса на выходе элемента DD3.5 формируется короткий импульс (tr=R5C7=10 мкс), устанавливающий сдвигающий регистр DD4DD5 и счетчик DD6 в нулевое состояние (рис. 6,д). Элементы DD1.3, DD1.4, резистор R7 и кварцевый резонатор ZQ1 образуют задающий генератор, работающий на частоте 32 768 Гц (на такой же частоте, напомним, работает и задающий генератор ИК излучателя).
Puc.6. График импульсной последовательности на выходе фотоусилителя
В сдвигающем регистре принятый сигнал (или помеха) фиксируется следующим образом. По фронту импульса первой же ИК вспышки микросхемы DD4-DD6 устанавливаются в нулевое состояние (на их выходах возникают нули) и счетчик DD6 начинает счет импульсов с частотой 32 768 Гц. Примерно через 0,5 мс (tзн/2) ноль на выходе 24 (выв. 5) счетчика DD6 будет замещен единицей. В сдвигающем регистре К561ИР2 такой перепад напряжения на входе С приводит к перемещению хранящегося в нем числа на один разряд в сторону старших (по схеме на рис. 1 - вниз), а в младший разряд микросхемы DD4 будет вписано то значение, которое в этот момент окажется на его входе D (выв. 7). Это может быть и 1 - расширенный до tф1 "единичный" импульс, и 0 - если вспышка в этом знакоместе кодовой посылки отсутствовала. Следующий сдвиг числа произойдет через tзн=0,976 мс - "шаг", который сохранится в дальнейшем.
Система сделает лишь 16 поразрядных сдвигов (сдвигающие импульсы, генерируемые счетчиком DD6, иллюстрирует рис. 2,в) - с появлением сигнала высокого уровня (лог. 1) на выходе 29 счетчика DD6 и соответственно низкого (лог. 0) на входе DD2.2 (выв. 9), счетчик самозаблокируется и сохранит это состояние до очередного старта системы. Таким образом, принятая последовательность ИК вспышек преобразуется в число, хранящееся в регистре DD4DD5. Остается выяснить, является ли оно кодовым.
Осуществляется это диодно-резис-торным дешифратором Д1, схему которого (для того же кода 111011100111001) иллюстрирует рис. 7. Идея дешифрации проста. Все выходы регистра, на которых в соответствии с кодовой комбинацией должна быть 1, подключают к входам диодно-резисторного логического элемента И (VD1, VD4-VD6, VD9-VD11, VD13-VD15, R1), а выходы, на которых должен быть 0, - к входам диодно-резисторного логического элемента ИЛИ (VD2, VD3, VD7, VD8, VD12, R2). Если в регистре зафиксировано число-код, то на выходе элемента И дешифратора установится напряжение высокого уровня, а на выходе элемента ИЛИ - низкого. И только в этом случае на выходе ИК приемника возникнет сигнал 1. Это "единичное" его состояние продержится до тех пор, пока не будет нажата кнопка SB1 "Обнуление" (параллельно ей может быть включено несколько кнопок такого же назначения) или по каналу не пройдет какой-либо посторонний сигнал.
Рис. 7.Схема диодно-резисторного дешифратора
Все его детали ИК приемника смонтированы на печатной плате размерами 83х54 мм (рис. 8), выполненной из двустороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм. Технология изготовления самой печатной платы и приемы монтажа деталей на ней - те же, что и при конструировании брелока-генератора.
Рис.8. Печатна плата ИК приемника
Особое внимание при монтаже приемника следует обратить на экранирование фотоголовки (BL1, DA1 и др.): обладая высокой чувствительностью и значительной широкополосностью, она подвержена воздействию электрических сигналов различного происхождения. Экран в виде открытой плоской коробки размерами 30х15х11 мм (на рис. 5 он обозначен штриховыми линиями) изготавливают из жести по чертежу, показанному на рис. 6, и припаивают в двух-трех точках к фольге общего провода. При необходимости чувствительность фотоголовки можно уменьшить, зашунтировав вход микросхемы DA1 резистором R1 сопротивлением 0,2...3 МОм.
Все резисторы - МЛТ-0,125. Конденсатор С2 - К53-30, С4 и С10 - импортные 0 8 мм, остальные - КМ-6, К10-176, КД. Кварцевый резонатор ZQ1 - малогабаритный часовой. На плате предусмотрено место (на рис. 5 обведено штрихпунктир-ной линией) для размещения и монтажа деталей звукового генератора, описанного в "Радио", 1997, № 8, с. 44, 45.
Для ослабления засветки фотодиода посторонними источниками света, способными существенно уменьшить чувствительность приемника, его помещают в "колодец", склеенный из черного полистирола. Это защитит фотодиод от воздействия источников, расположенных в стороне от оптической оси. К тому же образующийся невидимый "коридор", в пределах которого только и будет возможен оптический контакт приемника с излучателем, умножит и без того немалые трудности информационного "взлома" системы.
Окно фотодиода полезно заклеить пленкой, ослабляющей по преимуществу видимый свет. В роли такого своеобразного инфракрасного фильтра неплохо показали себя темные пластиковые обои. Тем более, что расстояние, на котором приемник способен обнаружить и дешифровать ИК вспышки брелока-излучателя, в среднем превышает 10 м.
Приемник сохраняет работоспособность при снижении напряжения питания до 4 В, потребляемый им ток не превышает 1,4 мА.
К выходу приемника (вывод 12 элемента DD3.6) могут быть подключены самые разные сигнальные устройства. Например, светодиод HL1 с токоограни-чительным резистором R9, показанный на рис. 5 штриховыми линиями, или упомянутый выше звуковой генератор, оповещающий о появлении "своего". Но если по сигналу приемника охранная система должна включить, скажем, привод дверного электрозамка, в сигнал, управляющий исполнительным механизмом (ИМ), нужно ввести временную задержку. Схема возможного ее варианта показана на рис. 9. Запаздывание срабатывания ИМ зависит от постоянной времени R2C1 и может составить несколько десятых долей секунды.
Puc.9. Схема задержки
Длительность задержки увеличится, если в эмиттерную цепь транзистора VT1 включить диод VD3. Напряжение питания ИМ с учетом возникающих при его выключении экстранапряжений (диод VD2 при индуктивных нагрузках обязателен), не должна превышать максимально допустимого для транзистора VT1 (для КТ972А Uкэmax=60 В, для КТ972Б - 45 В). Рабочий ток ИМ - не более 2 А.
Задержка срабатывания ИМ - эффективное средство в борьбе с попытками подобрать задействованный в системе код. В принятой нами системе кодирования даже секундная задержка заставит злоумышленника простоять у чужих дверей не один час. И это - при наличии у него соответствующей аппаратуры, знания принципов кодирования и времяимпульсных характеристик ИК излучения. "Подсмотреть" же работу ИК брелока-генератора, не войдя в визуальный контакт с его владельцем, несравнимо сложнее, нежели это допускают кодовые генераторы, работающие в радиодиапазоне.
Страница статьи: http://www.radioland.net.ua/sxemaid-111.html
URL сайта: http://www.radioland.net.ua
© Radioland