21_24.PDF

Zamek elektroniczny na karty chipowe

P R O J E K T Y

Zamek elektroniczny na

karty chipowe

AVT−5054

Coraz czÍúciej jesteúmy

zmuszani do ochrony swojego

mienia. Stosowane s¹

przerÛøne urz¹dzenia: od

standardowych zamkÛw

mechanicznych po wymyúlne

konstrukcje elektroniczne.

Wraz z†dynamicznym

rozwojem elektroniki, do

zabezpieczeÒ coraz czÍúciej

stosuje siÍ w³aúnie uk³ady

elektroniczne.

Jedno z†nowoczesnych,

a†przy tym bardzo modnych

rozwi¹zaÒ przedstawiamy

w†artykule.

Coraz czÍúciej widzimy, øe

w†drzwiach zamiast typowych

wk³adek mechanicznych znajduje

siÍ klawiatura. Ma to wielk¹ zaletÍ,

gdyø nie trzeba nosiÊ przy sobie

kluczy i†nie ma ryzyka przypadko-

wego zatrzaúniÍcia drzwi, co siÍ

czÍsto zdarza akurat wtedy, gdy

zapomnimy zabraÊ ze sob¹ klucza.

Stosowane s¹ rÛwnieø zamki na

karty magnetyczne - to z†kolei

uwalnia nas od noszenia pÍku

kluczy dzwoni¹cych w†kieszeni.

Zabezieczenia tego rodzaju s¹

stosowane rÛwnieø w†samocho-

dach. ZarÛwno producenci samo-

chodÛw jak i†alarmÛw samocho-

dowych przeúcigaj¹ siÍ w†konstru-

owaniu coraz to bardziej skompli-

kowanych systemÛw. Od podsta-

wowego, sterowanego pilotem ra-

diowym ze sta³ym kodem, po-

przez piloty ze zmiennym kodem,

aø po komunikacjÍ dwukierunko-

w¹, w†ktÛrej wykorzystuje siÍ

skomplikowane algorytmy koduj¹-

ce. Jako dodatkowe zabezpiecze-

nie moøe byÊ stosowany dodatko-

wy uk³ad umieszczony w†kabinie

samochodu. WÛwczas stosowane

s¹ klawiatury, pastylki Dallas,

karty magnetyczne itp.

Kolejnym, chyba najwygodniej-

szym w†stosowaniu, sposobem za-

bezpieczenia jest wykorzystanie

komunikacji bezstykowej za po-

moc¹ fal elektromagnetycznych.

Uk³ad takiego zabezpieczenia sk³a-

da siÍ z†odbiornika, w†ktÛrym

znajduje siÍ antena nadawczo-

odbiorcza oraz uk³adu nadajnika.

Stosowane s¹ nadajniki o†rÛønych

wymiarach. Najmniejsze obecnie

stosowane maj¹ wymiary 12x6mm,

co pozwala na umieszczenie ich

na przyk³ad w†kluczyku. Uk³ad

odbiornika wytwarza pole elektro-

magnetyczne, ktÛre indukuje

w†cewce nadajnika napiÍcie zasi-

laj¹ce jego uk³ady wewnÍtrzne.

Komunikacja pomiÍdzy nadajni-

kiem i†odbiornikiem odbywa siÍ

wskutek† modulacji pola magne-

tycznego - wystarczy tylko zbliøyÊ

nadajnik do odbiornika.

W†zaleønoúci od rozmiarÛw an-

teny nadawczo-odbiorczej oraz na-

dajnika uzyskuje siÍ rÛøne odleg-

Elektronika Praktyczna 3/2002

Zamek elektroniczny na karty chipowe

Rys. 1. Wygląd oraz opis

wyprowadzeń karty X24026.

W†prezentowanym elektronicz-

nym urz¹dzeniu identyfikuj¹cym

zosta³a zastosowana ³atwo dostÍp-

na karta chipowa firmy Xicor

X24026. Nie jest to rozbudowana

karta mikroprocesorowa, bowiem

zawiera w†swojej strukturze tylko

256 bajtÛw nieulotnej pamiÍci

EEPROM, ale do pracy z†naszym

urz¹dzeniem jest w†zupe³noúci

wystarczaj¹ca.

Na rys. 1 przedstawiono widok

karty oraz opis jej wyprowadzeÒ.

Jest to karta o†wymiarach standar-

dowej karty p³atniczej.

Komunikacja pomiÍdzy pamiÍ-

ci¹ wbudowan¹ w†kartÍ i†otocze-

niem odbywa siÍ za pomoc¹ ma-

gistrali I 2 C. Dla procesora jest ona

zwyk³¹ pamiÍci¹ EEPROM o†roz-

miarze 256 bajtÛw i†adresie bazo-

wym B10100000. Moøna j¹ wiÍc

traktowaÊ jako pamiÍÊ umieszczo-

n¹ w†nieco nietypowej obudowie.

Karta nie ma øadnego kodu,

ktÛry by j¹ identyfikowa³, jak to

jest w†przypadku pastylek Dallas,

gdyø kaødy uk³ad ma swÛj uni-

kalny numer seryjny. Za pomoc¹

tego numeru moøna identyfikowaÊ

dany uk³ad, a†tym samym nada-

waÊ mu okreúlone uprawnienia.

Nowa karta jest zwyk³¹ pamiÍ-

ci¹ EEPROM, w†ktÛrej wszystkie

komÛrki maj¹ wartoúÊ FFh, a†za-

tem karty nie rÛøni¹ siÍ niczym

miÍdzy sob¹. Dlatego kaød¹ kartÍ

przed uøyciem naleøy zaprogra-

mowaÊ. Moøna to uczyniÊ za

pomoc¹ programatora kart, co wy-

maga³oby dobudowania do pre-

zentowanego w†artykule urz¹dze-

nia dodatkowego programatora.

Poniewaø identyfikator ma fun-

kcjonowaÊ jako niezaleøne urz¹-

dzenie, dlatego konieczne sta³o

siÍ wbudowanie w†niego progra-

matora, ktÛry w†czasie programo-

wania generuje ci¹g przypadko-

wych liczb s³uø¹cych pÛüniej jako

has³o dostÍpowe. Generowany kod

(has³o) moøe byÊ 10 lub 20-

bajtowy, w†zaleønoúci od wybra-

nej opcji. PrÛba ìz³amaniaî kodu

o†takiej liczbie bajtÛw jest raczej

niemoøliwa, a†przynajmniej bar-

dzo czasoch³onna. Dla porÛwna-

nia pastylki Dallas zawieraj¹ kod

8-bajtowy, ktÛry jest niemal nie-

moøliwy do z³amania. Oczywiú-

cie, moøna skopiowaÊ zawartoúÊ

pamiÍci karty, ale ten mankament

dotyczy wszystkich urz¹dzeÒ wy-

korzystuj¹cych kod sta³y. Dlatego

naleøy strzec karty, aby nie do-

sta³a siÍ w†niepowo³ane rÍce.

W†celu zaprogramowania karty

zastosowano metodÍ rÍcznego ge-

nerowania kodu dostÍpu. Moøna

zastosowaÊ programowy generator

liczb pseudolosowych, ale takie

generatory wykazuj¹ duø¹ powta-

rzalnoúÊ generowanych liczb. Mog-

³oby to spowodowaÊ wygenerowa-

nie takiego samego kodu przez

dwa rÛøne zamki elektroniczne,

a†co za tym idzie dostÍp do

chronionego urz¹dzenia osÛb nie-

powo³anych.

RÍczne generowanie kodu po-

lega na cyklicznym zatrzymywa-

niu licznika zawartego w†proceso-

rze, w†rÛønych odstÍpach czasu.

Zasada jest podobna jak w†elek-

tronicznej kostce do gry. Taki

sposÛb wydaje siÍ byÊ najbardziej

przypadkowy, gdyø nie moøna

przewidzieÊ, w†ktÛrym momencie

obs³uguj¹cy zatrzyma licznik, a†nie

zna on stanu licznika w†danym

momencie, wiÍc nie moøe celowo

wybraÊ konkretnej wartoúci. Spo-

sÛb programowania zostanie opi-

sany w†dalszej czÍúci artyku³u.

Wyjúcie steruj¹ce zamka moøe

pracowaÊ w†jednym z†trzech try-

bÛw:

1. Po w³oøeniu karty z†prawid-

³owym kodem przekaünik jest za-

³¹czony przez czas, gdy karta jest

w†czytniku - po wyjÍciu karty

przekaünik zostaje zwolniony.

2. Po kaødorazowym w³oøeniu

w³aúciwej karty stan przekaünika

zmienia siÍ na przeciwny.

3. Po w³oøeniu karty przekaü-

nik zostaje za³¹czony na okreúlo-

ny czas, nastÍpnie powraca do

stanu spoczynkowego. Czas za³¹-

czenia moøe byÊ regulowany w†za-

kresie od 1†do 50 sekund.

WybÛr odpowiedniego trybu

jest zaleøny od indywidualnych

potrzeb uøytkownika.

³oúci, przy ktÛrych moøliwa jest

wymiana informacji (od kilku cen-

tymetrÛw nawet do kilku met-

rÛw). Komunikacja bezstykowa jest

dziedzin¹ stale rozwijaj¹c¹ siÍ.

W†przysz³oúci bÍdzie moøna na

przyk³ad zap³aciÊ za przejazd au-

tostrad¹ przejeødøaj¹c pomiÍdzy

specjalnymi bramkami bez ko-

niecznoúci zatrzymywania siÍ lub

kupiÊ bilet do kina przechodz¹c

przez drzwi. Ale do czasu kiedy

to nast¹pi musimy zadowoliÊ siÍ

rozwi¹zaniami konstrukcyjnymi

stosowanymi obecnie. Coraz czÍú-

ciej mamy przy sobie rÛøne karty,

czy to telefoniczne czy p³atnicze.

Nawet dowÛd osobisty czy obec-

nie stosowane prawo jazdy ma

wymiary karty p³atniczej. Jak wi-

daÊ karta p³atnicza zosta³a przy-

jÍta jako standard wszelkiego ro-

dzaju noúnikÛw danych.

Karty moøna podzieliÊ na dwie

grupy: karty magnetyczne i†karty

chipowe. W†kartach magnetycz-

nych noúnikiem informacji jest

pasek magnetyczny. Pomimo, øe

ten rodzaj karty jest obecnie naj-

bardziej rozpowszechniony, to po-

siada on wiele wad. Przede wszys-

tkim na karcie moøna zapisaÊ

niewiele informacji, ponadto s¹

one ma³o odporne na uszkodzenia

mechaniczne, a†takøe na dzia³anie

pola magnetycznego. KartÍ magne-

tyczn¹ moøna ³atwo uszkodziÊ.

Karty chipowe mog¹ mieÊ,

w†zaleønoúci od potrzeb, dowoln¹

pojemnoúÊ pamiÍci rÛønego rodza-

ju, np. EPROM, EEPROM, RAM

czy teø Flash, do ktÛrej dostÍp

moøe byÊ zabezpieczony has³em.

Mog¹ byÊ wyposaøone w†wewnÍ-

trzny procesor, dziÍki ktÛremu

wymiana informacji pomiÍdzy

czytnikiem moøe wymagaÊ specjal-

nych algorytmÛw. Zastosowanie

procesora znacznie utrudnia do-

stÍp osÛb niepowo³anych do da-

nych zawartych w†pamiÍci karty.

Budowa uk³adu

Na rys. 2 przedstawiono schemat

elektryczny zamka. G³Ûwnym ele-

mentem jest procesor PIC16F84A,

ktÛry zawiera w†swojej strukturze

wszystkie niezbÍdne elementy wy-

magane do sterowania funkcjami

zamka. WewnÍtrzna, nieulotna pa-

miÍÊ mikrokontrolera typu EEP-

ROM umoøliwia zapamiÍtanie ko-

du uprawnionej karty, rÛwnieø

w†przypadku braku zasilania. Do

zasilania ca³ego uk³adu wymagane

Elektronika Praktyczna 3/2002

Zamek elektroniczny na karty chipowe

Rys. 2. Schemat elektryczny zamka.

jest napiÍcie 5V, ktÛre uzyskuje

siÍ z†wyjúcia stabilizatora (uk³ad

US3). Do zabezpieczenia uk³adu

przed odwrotn¹ polaryzacj¹ na-

piÍcia zasilaj¹cego zastosowano

diodÍ prostownicz¹ D1.

Poniewaø identyfikator ma s³u-

øyÊ do zabezpieczania, musi wiÍc

byÊ niezawodny. W†tym celu mu-

si posiadaÊ niezawodne ürÛd³o

sygna³u zeruj¹cego, ktÛre unie-

moøliwi zawieszenie siÍ programu

przy spadku napiÍcia zasilaj¹cego.

Do tego celu zastosowano scalony

uk³ad zeruj¹cy US2 (DS1813).

Uk³ad ten zeruje mikrokontroler,

gdy napiÍcie zasilaj¹ce spadnie

poniøej napiÍcia progowego

i†umoøliwia ponown¹ pracÍ po

oko³o 150ms od chwili, gdy na-

piÍcie wzroúnie powyøej okreúlo-

nego progu.

Jako uk³ad wykonawczy zasto-

sowano miniaturowy przekaünik

z†dwoma parami stykÛw o†pr¹dzie

przewodzenia rÛwnym 1A. Do

z³¹cza CON2 s¹ do³¹czone wypro-

wadzenia stykÛw przekaünika.

Moøliwe jest wiÍc zarÛwno za³¹-

czenia, jak rÛwnieø przerwanie

obwodu wyjúciowego w†stanie ak-

tywnym zamka elektronicznego.

Dwukolorowa dioda LED sygnali-

zuje stan pracy zamka. W†zaleø-

noúci od stanu moøe úwieciÊ na

zielono, czerwono, pomaraÒczowo

lub b³yskaÊ.

DziÍki duøej wydajnoúci pr¹-

dowej portÛw procesora moøna

bezpoúrednio sterowaÊ diodami

úwiec¹cymi. Porty procesora mo-

g¹ byú obci¹øane pr¹dem 20mA,

zarÛwno przy poziomie niskim

jak i†wysokim. Takie w³aúciwoúci

portÛw s¹ rzadko spotykane

w†procesorach innych producen-

tÛw. Przewaønie wyjúcia portÛw

moøna obci¹øaÊ duøym pr¹dem

tylko, gdy na jego wyjúciu jest

niski poziom napiÍcia.

Jako ürÛd³o sygna³u zegarowe-

go procesora zastosowano genera-

tor RC, gdyø nie ma potrzeby

bardzo precyzyjnego odliczania

czasu. Poniewaø wewnÍtrzny

uk³ad generatora, po odpowied-

nim skonfigurowaniu, moøe

wspÛ³pracowaÊ z†generatorem RC,

zosta³ on zastosowany, co pozwo-

li³o zmniejszyÊ koszt uk³adu.

uk³ad US1 oraz przekaünik. Uk³ad

stabilizatora US3 oraz kondensa-

tory C1 i†C3 montujemy na leø¹-

co. Na koÒcu montujemy z³¹cza

CON1, CON2 i†CON3. Poniewaø

urz¹dzenie nie zawiera zbyt wielu

elementÛw, montaø nie powinien

byÊ k³opotliwy. Po zmontowaniu

ze sprawnych elementÛw, uk³ad

zamka jest gotowy do pracy, tzn.

do programowania, bo od tego

naleøy zacz¹Ê jego uøytkowanie.

Do zasilania moøna wykorzystaÊ

dowolny zasilacz o†napiÍciu wyj-

úciowym rÛwnym oko³o 9V i†pr¹-

dzie oko³o 100mA.

Obs³uga zamka

Przed rozpoczÍciem pracy

uk³ad naleøy odpowiednio skon-

figurowaÊ, w†zaleønoúci od zamka

z†jakim ma wspÛ³pracowaÊ. Za-

czynamy od zaprogramowania ko-

du karty. W†tym celu zwieramy

zworkÍ JP3. Jeøeli kod zabezpie-

czaj¹cy ma byÊ 20-bajtowy, zwie-

ramy rÛwnieø zworkÍ JP1 (w†prze-

ciwnym przypadku kod bÍdzie

10-bajtowy). NastÍpnie w³¹czamy

zasilanie - dioda úwieci pomaraÒ-

czowo - i†wk³adamy kartÍ do

z³¹cza CON3. Jeøeli wybraliúmy

kod 10-bajtowy, to b³yska dioda

Montaø i†uruchomienie

Schemat montaøowy p³ytki za-

mka pokazano na rys. 3 . Montaø

zaczynamy od rezystorÛw, nastÍp-

nie montujemy podstawkÍ pod

Elektronika Praktyczna 3/2002

Zamek elektroniczny na karty chipowe

staj¹ przepisane do pa-

miÍci karty. Gdy wy-

ci¹gniemy kartÍ, to za-

pali siÍ dioda czerwo-

na. Jeúli chcemy uøy-

waÊ tylko jednej karty,

to proces programowa-

nia zosta³ zakoÒczony.

Jeøeli zaú chcemy, aby

uprawnienia mia³o wiÍ-

cej uøytkownikÛw, to

wk³adamy do czytnika

kolejn¹ kartÍ. Procesor

ponownie skopiuje za-

wartoúÊ kodu z†we-

wnÍtrznej pamiÍci EEP-

ROM do pamiÍci karty.

W†czasie programowa-

nia dioda bÍdzie b³ys-

ka³a w†kolorze poma-

raÒczowym. Proces pro-

gramowania dodatko-

wych kart moøna po-

wtarzaÊ wielokrotnie,

a†zatem liczba uprawnionych osÛb

do otwierania zamka nie jest

ograniczona.

Wszystkie karty maj¹ zapisany

ten sam kod, nie ma wiÍc moø-

liwoúci ìcofniÍciaî uprawnieÒ jed-

nej karty, jeøeli chcemy zmieniÊ

liczbÍ uprawnionych kart, to mu-

simy ponownie wykonaÊ procedu-

rÍ programowania.

Po zaprogramowaniu kart wy³¹-

czamy zasilanie i†wyci¹gamy wszys-

tkie zworki. Do zakoÒczenia usta-

wiania parametrÛw pocz¹tkowych

pozostaje nam jeszcze okreúlenie

sposobu reakcji zamka na w³oøenie

uprawnionej karty. Przekaünik mo-

øe byÊ za³¹czany na jeden z†trzech

sposobÛw, w†zaleønoúci od

ustawienia zworek JP1 i†JP2.

Jeøeli zworki JP1 i†JP2 s¹ zwar-

te, to po kaødorazowym w³oøeniu

uprawnionej karty stan przekaüni-

ka jest zmieniany na przeciwny.

Jeøeli JP1 jest zwarta, a†JP2

rozwarta, to po w³oøeniu karty

przekaünik jest za³¹czony, gdy

karta znajduje siÍ w†czytniku - po

wyci¹gniÍciu karty przekaünik po-

wraca do stanu spoczynkowego.

Jeøeli zworki JP1 i†JP2 s¹ roz-

warte, to w³oøenie karty powoduje

za³¹czenia przekaünika na okreúlo-

ny czas, po czym przekaünik zo-

staje zwolniony. Domyúlny czas

za³¹czenia jest ustawiony w†zapro-

gramowanym procesorze na oko³o

10s, ale moøe byÊ zmieniany w†za-

kresie od 1†do 50 sekund z†roz-

dzielczoúci¹ 100ms. Aby zmieniÊ

WYKAZ ELEMENTÓW

Rezystory

R1, R2: 4,7k

R3, R4: 330

Ω

Kondensatory

C1, C3: 100

F/16V

C2, C4: 100nF

C5: 33pF

Półprzewodniki

D1: 1N4007

D2: dioda LED 5mm dwukolorowa

T: BC547

US1: PIC16F84A zaprogramowany

US2: DS1813

US3: 7805

Różne

CON1: ARK2 (3,5mm)

CON2: ARK3 (3,5mm)

CON3: złącze kart np. LM08

JP1...JP3: goldpin 1x2 + jumper

PK: przekaźnik OMRON 5V typ G6H

Karta X24026

Rys. 3. Rozmieszczenie elementów na płytce

drukowanej zamka.

zielona, jeøeli zaú kod 20-bajtowy,

to b³yska dioda czerwona. Teraz

musimy 10 lub 20 razy, w†zaleø-

noúci od wybranego rozmiaru ko-

du, rozwieraÊ i†zwieraÊ zworkÍ

JP3 w†rÛønych odstÍpach czasu.

W†czasie gdy zworka jest zwarta,

wewnÍtrzny licznik procesora nie-

ustannie zwiÍksza swoj¹ zawar-

toúÊ, a†w†momencie rozwarcia stan

licznika zapisywany jest do we-

wnÍtrznej pamiÍci EEPROM jako

kolejna cyfra kodu.

Poniewaø nie znamy zawartoú-

ci licznika w†chwili zatrzymania

zliczania, generowane liczby s¹

zupe³nie przypadkowe. Po 10 lub

20 krotnym wykonaniu tej opera-

cji zapala siÍ dioda zielona, syg-

nalizuj¹c koniec zapisywania ko-

du. Wszystkie liczby kodu z†we-

wnÍtrznej pamiÍci procesora zo-

czas za³¹czenia przekaünika naleøy,

przy wy³¹czonym zasilaniu, ze-

wrzeÊ zworki JP1, JP2 i†JP3, a†na-

stÍpnie w³¹czyÊ zasilanie. Po w³¹-

czeniu zasilania procesor przecho-

dzi do procedury zmiany czasu

za³¹czenia przekaünika i†zapala siÍ

dioda czerwona. NastÍpnie od³¹-

czamy zworkÍ JP3 i†rozpoczyna siÍ

proces mierzenia czasu, po kaødej

odmierzonej sekundzie b³yska dio-

da czerwona sygnalizuj¹c up³ywa-

j¹cy czas. Po up³yniÍciu wymaga-

nego czasu zwieramy ponownie

zworkÍ JP3. Czas pomiÍdzy rozwar-

ciem, a†ponownym zwarciem zwor-

ki JP3 zostaje zapisany w†pamiÍci

procesora. Od tej pory (w trybie

trzecim) po w³oøeniu karty prze-

kaünik bÍdzie za³¹czany na zapro-

gramowany przez nas czas. Zapro-

gramowany czas bÍdzie ìpamiÍ-

tanyî rÛwnieø po wy³¹czeniu za-

silania. Zmiana czasu za³¹czenia

przekaünika bÍdzie szczegÛlnie

przydatna przy zastosowaniu za-

mka do uruchamiania rygla elek-

tromagnetycznego, na przyk³ad

w†drzwiach. Moøemy wÛwczas do-

braÊ czas zwolnienia blokady drzwi.

Krzysztof P³awsiuk, AVT

krzysztof.plawsiuk@ep.com.pl

Wzory p³ytek drukowanych w for-

macie PDF s¹ dostÍpne w Internecie

pod adresem: http://www.ep.com.pl/

?pdf/marzec02.htm oraz na p³ycie

CD-EP03/2002B w katalogu PCB .

Elektronika Praktyczna 3/2002

RP: 8*10k

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: