Forprosjektrapport Gruppe 0704

Forprosjektrapport Gruppe 0704 av: Thang Le Nguyen, Johan L. Tresvig og Bjørn Liene Gundersen

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi Program for elektro- og datateknikk 7004 TRONDHEIM Forprosjekt Oppgavens tittel: Gitt dato: 9.01.07 USB Sniffer Innlevings dato: 23.01.07 Project title: USB Sniffer Gruppedeltakere: Thang Le Nguyen Johan L. Tresvig Bjørn Liene Gundersen Program/studieretning: Elektronikk og Datateknikk Elektronikk Oppdragsgiver: Atmel Norway AS Antall sider/bilag: 17 Veileder (navn/email/tlf.): Jon Digernes Jon.digernes@hist.no Tlf 73559586 Prosjektnummer: EE0704 Kontaktperson hos oppdragsgiver (navn/tlf.): Eirik Sletthjell 72897684 Fritt tilgjengelig Tilgjengelig etter avtale med oppdragsgiver Rapporten frigitt etter x

Innholdsfortegnelse: Sidetall Forord...: 1 Sammendrag...: 2 Innledning...: 3 Bakgrunn..: 3 Oppgavetekst....: 4 Definisjoner..: 5 Rapportens oppbygning...: 5 Teknisk del....: 6 Problemstilling.: 6 Prosjektmål...: 6 Prosjektbeskrivelse...: 7 Spesifikasjoner.: 8 Problemområder...: 9 Arbeidspakker...: 10 Prosjektorganisering...: 11 Prosjektdeltakere..: 11 Utstyr og ressurser...: 12 Prosjektleveranser...: 13 Tids- og kostnadsplan...: 13 Kvalitetssikring...: 15

Forord Hovedprosjekt er det største emnet i en ingeniørutdanning og dekker 18 av 30 studiepoeng i løpet av et semester. Hovedprosjekt utføres vanligvis i siste semester av tredje året. Vi er en gruppe på tre studenter som kjenner hverandre godt. Vi har gått i klasse sammen under hele løpet av ingeniørutdanningen og har hatt god kontakt i løpet av den tiden. Vi fant det derfor naturlig og danne gruppe til hovedprosjektet sammen. Vi var så heldige og fikk den hovedprosjektoppgaven som vi satte på førstevalg. Valget av oppgaven USB sniffer hadde sammenheng med et ønske om å lære mer om USB grensesnittet, mikrokontrollere og programmering, samt hardwarerealisering. Dette forprosjektet er en strategisk analyse oppgaven vår, derunder en innføring i den tekniske delen, arbeidspakker og prosjektorganisering. 1

Sammendrag Denne forprosjektrapporten er en innføring til hovedprosjektet vårt. Denne rapporten består av en innledning, en teknisk del, arbeidspakker og prosjektorganisering. I dette prosjektet skal vi lage et verktøy som kan brukes for utvikling av radiosendere i 2.4GHz området. Vi skal lage et system som tar imot en datapakke trådløst på 2.4GHz båndet som bruker IEEE 802.15.4 standarden og viser denne grafisk på en PCskjerm. Systemet består av en mottager, en mikrokontroller og et grafisk brukerprogram. Det vil også bli skrevet firmware til mikrokontrolleren. Hensikten med prosjektet er å designe en billig og liten enhet som kan brukes av ATMEL NORWAY for videre utvikling og at vi blir mer kjent med ATMEL produktene. Vi har laget et tidsskjema for prosjektet og delt prosjektet inn i arbeidspakker. 2

1 Innledning 1.1 Bakgrunn Prosjektoppgaven er gitt av Atmel Norway våren 2007. Atmel Norway har i løpet av 10 år utviklet seg til en sentral industribedrift på ca. 145 ansatte som holder til i Trondheim. Bedriften har hovedsakelig spesialisert seg på å utvikle mikrokontrollere og komplette embedded systems. Bedriften er i en sterkt voksende fase og har som mål å bli leverandør nummer en i verden på mikrokontrollere. Trådløse sensorer og kontrollnettverk er en blomstrende teknologi som vokser sterkt innen industri og automatisjon. I denne prosjektoppgaven skal gruppen arbeide med grensesnittet mellom trådbunden og trådløs kommunikasjon. IEEE 802.15.4 standarden egner seg for bruksområder som klimainnsamling, samhandling mellom medisinsk teknisk utstyr, trykksensorer og andre transdusere. Et slikt nettverk har videre fordelen at det kan samle informasjon fra flere hundre kilder samtidig i motsetning til for eksempel Bluetooth. Den trådløse teknologien IEEE 802.15.4 er relativt ny og hører under ISM-båndet med standard frekvens på 2.4 GHz som mest brukt. Dette er et billig, stabilt system, med spesielt lite effektforbruk. Ved hjelp av mikrokontrolleren AT90USB1287 til Atmel og radio transceiveren AT86RF230, skal det mottas datapakker fra trådløsteknologien IEEE 802.15.4 som skal visualiseres i et grafisk PC-program. Det skal også utvikles et kretskort som fanger opp trådløs trafikk og sender til PC gjennom USB grensesnitt. En liknende USB sniffer er tidligere utviklet hos Atmel Corporation i Tyskland, men Atmel Norway ønsker å utvikle en egen USB sniffer med egne rettigheter. 3

1.2 Oppgaveteksten 4

1.3 Definisjoner USB: Universal Serial Bus ISM: The industrial, scientific and medical radio bands IEEE: Institute of Electrical and Electronics Engineers IEEE 802.15.4: Definerer en standard for trådløs maskenettverk utgitt av IEEE i 2003, med lave datahastigheter, men med spesielt lavt effektforbruk. HID: Human Interface Device PCB: Printed Circuit Board 1.4 Rapportens oppbygning Denne rapporten inneholder en innledende del som beskriver bakgrunn for prosjektoppgaven. Deretter følger en teknisk del med problemstilling, mål for prosjektoppgaven og teknisk redegjøring. Videre følger en spesifisering av arbeidspakker. Rapporten avslutter med en oversikt over prosjektorganisering, derav prosjektdeltakere, tid og kostnadsplan. 5

2 Teknisk del 2.1 Problemstilling Vi skal i dette hovedprosjektet utvikle en USB sniffer som skal overvåke trådløs data fra forskjellige enheter. USB snifferen skal bestå av mikrokontrolleren AT90USB1287 og radiotransceiveren AT86RF230, begge løsninger fra Atmel. Radiotransceiveren opererer i 2.4 GHz ISM-båndet og er en trådløsteknologi definert av IEEE 802.15.4 standarden. AT86RF230 er en SPI-til-antenne løsning. Alle RF-kritiske komponenter utenom antenne, krystall og avkoblingskondensatorer er integrert i chipen. USB snifferen skal helst være utformet som en dongle og tilkoblingen til PC skal skje gjennom USB grensesnitt. Mikrokontroller AT90USB1287 har innebygd USB kontroller. To programmer skal lages. Et program skal lages der radioen skal settes opp som en lyttestasjon og videresende all trådløs trafikk over USB til PC. Et PC program skal lages for visualisering av datapakkene som har blitt mottatt fra radiotransceiveren. Dette programmet skal blant annet vise og gi sluttbrukeren oversikt over datapakkene, signalstyrke og signalkvalitet. Atmel har per i dag tilbehør og demonstrasjonskit som har samme funksjon som en USB sniffer. Disse verktøyene er store og dyre. Atmel ønsker å utvikle en billig og liten hardwareløsning. I dag finnes få og kostbare løsninger på markedet. Atmel ønsker derfor en USB sniffer i dongleformat med tilhørende programvare. Atmel Corporation i Tyskland har utviklet en USB sniffer i dongleformat, men Atmel Norway ønsker å utvikle sin egen USB sniffer som de har egne rettigheter til. 2.2 Mål 2.2.1 Effektmål Designe en billig USB sniffer. Få større forståelse for Atmel s produkter USB snifferen skal brukes som utviklingsverktøy for sendere i 2.4GHz ISM båndet. 2.2.2 Resultatmål Utvikle en fungerende USB Sniffer Brukervennlig grafisk brukergrensesnitt som visualisere mottatte datapakker fra radiomottakeren AT86RF230. Skrive en firmware for mikrokontrolleren Tilstrebe et lite design på det ferdige kretskortet Skrive god rapport Prosjektet skal være ferdig innen 11. Mai 2007 klokken 14.00. Hver prosjektdeltaker skal da ha arbeidet minst 450 timer. 6

2.2.4 Prosessmål Økt teknisk kompetanse, spesielt innenfor USB grensesnittet og LabView og PCB utvikling Samarbeidstrening Trening i administrative verv som prosjektleder og sekretær Skape en grunnleggende forståelse for hvordan et prosjekt gjennomføres Skape et fungerende produkt som resulterer i god karakter Skape bedriftsrelasjoner 2.3 Prosjektbeskrivelse Det skal konstrueres et system som kan detektere trådløs trafikk i området som sender data med protokollen IEEE 802.15.4. Systemet heter en USB sniffer. Systemet skal detektere datapakker sendt på frekvensen 2.4GHz og vise innholdet av disse datapakkene på en dataskjerm. Prosjektet har 3 delmål: Konstruere hardware kretsen av system Lage programmet til mikrokontrolleren som kontrollerer enheten Lage programmet som visualiserer dataene på PCen Hardwarekretsen vil bestå av en transceiver AT86RF230 som blir konfigurert til en mottager. Mikrokontrolleren AT90USB1287 vil styre dataen fra mottageren videre inn på PCen den er tilkoblet. Programmet som skal skrives for mikrokontrolleren AT90USB1287, skal skrives i C- kode. Dette programmet skal styre SPI kommunikasjonen og sørge for å sende datapakkene over USB. Visualiseringsprogrammet som skal ligge på PCen skal skrives i Labview. Programmet skal ta imot data som kommer inn fra USB grensesnittet og vise innholdet av datapakken, signalstyrken og signalkvaliteten. 7

2.4 Spesifikasjoner RF spesifikasjoner: Bruker Atmels egen AT86RF230. Radio transceiver for 2.4 GHz ISM-båndet. IEEE 802.15.4 SPI slave-interface. Følsomhet på -101 dbm mottaker. Programmerbar utgangseffekt mellom -17 dbm til 3 dbm. Datapakkene som mottaes inneholder: 1. Faktiske data (Payload) 2. Signalstyrke 3. Signalkvalitet IEEE standarden 802.15.4 definerer et trådløst maskenettverk med lave data hastigheter, men med et veldig lavt effektforbruk. Standarden definerer det fysiske nivået (PHY) og medium aksess nivået (MAC). Spesifikasjonene for det fysiske nivået, PHY, defineres av applikasjoner med lavt effektforbruk og med radiobølger som opererer på 2.4 GHz med datahastigheter på 250 kilobits per sekund. Spesifikasjonene for medium aksess nivået, definerer hvordan flere 802.15.4 radioer som opererer i samme området vil dele luftbølgene med hverandre. Det finnes flere typer topologi som kan velges her. Det kan ofte være støy på dette båndet, og mikrokontrolleren må derfor kontrollere om signalene fra RFmottakeren inneholder gyldig data i henhold til 802.15.4 protokollen. Mottageren konverterer dette til en digital datapakke som sendes ut på SPI grensesnittet til mikrokontrolleren. Når mottaker har mottatt en ny datapakke vil dette generere et interrupt i mikrokontrolleren. Dette interruptet lagrer datapakker i registre, og venter på at USB hostkontrolleren skal bli klar til å motta datapakken slik at den kan sendes serielt over USB til PC. Det grafiske PC-programmet skal da fange opp disse datapakkene og visualisere disse for sluttbrukeren. Spesifikasjoner for mikrokontrolleren AT90USB1287: 128 KB Flashminne 4 KB EEPROM 8 KB SRAM Systemklokke opp til 16MHz USB modul (Fast-mode) SPI serial grensesnitt JTAG grensesnitt 8

USB modulen i AT90USB1287 kan operere med hastigheter på 1.5Mbit/s (low-speed) og 12Mbit/s (full-speed). Vi vil bruke USB modulen med fullspeed hastighet på 12Mbit/s. AT90USB1287 er fabrikkonfigurert med en USB bootloader som ligger på en innebygd flash boot section på kontrolleren. En USB bootloader gjør det mulig å utføre In-System Programming fra en PC. På den måten kan en enkelt utføre en Device Firmware Update (DFU) av mikrokontrolleren. Atmel har laget et ferdig program for å overføre modifisert firmware til mikrokontrolleren ved hjelp av USB bootloader. Dette programmet heter Flip, og til dette formålet kreves versjon 3 eller nyere. USB protokollen definere flere ulike USB klasser. I dette prosjektet vil HID klassen bli brukt. HID står for Human Interface Device. Denne klassen utvider USB spesifikasjonene for enheter som skal behandles av mennesker, som tastatur, mus og joystick. HID klassen kan også inkludere enheter som ikke krever menneskelig innblanding, slik som for eksempel termometer, og andre ustandardiserte USB klasser. Denne fleksibiliteten gjør det mulig å kommunisere mellom HID enheter og et hostsystem (PC), på en relativt enkel måte. Den innebygde HID class driveren i windows gjør at man ikke trenger å skrive en spesifikk driver for USB grensesnittet for windows. Dette ville i utgangspunktet tatt lang tid. Istedenfor skriver man en HID beskrivelse i Firmware som pakker ut data om hvordan den innebygde HID driveren kan kommunisere med USB enheten. Alternativ realisering av USB kommunikasjon kan skje gjennom Virtual Com Port. Dette er en løsning der en USB port på PCen opptrer som en virtual RS-232 port. Det er i utgangspunktet valgt å realisere USB kommunikasjonen med HID klassen da vi mener dette er en mer fremtidsrettet løsning. USB snifferen (kretskortet) skal forsynes med strøm gjennom USB porten. Både mikrokontrolleren og RF-mottaker kan kjøre på ca. 3 volt. Ved denne spenningen begrenser klokkefrekvensen til mikrokontrolleren seg til maks 8MHz. 2.5 Problemområder Prosjektet kan bli for stort, slik at de gitte tidsrammer ikke overholdes Ingen tidligere erfaring med realisering av USB kommunikasjon Manglende kunnskap i Labview programmering Lite erfaring med Eagle. Lite kunnskap om radiokommunikasjon 9

3 Arbeidspakker Hardware Velge ut hvilke komponenter som trengs - Få oversikt over beintilkoblingen på ICene - Velge komponenter for kretsen Lage PCB layout - Tegne krets i utleggsprogram, i utgangspunktet Eagle. Programmering for AT90USB (Firmware) Lage initialiseringsfunksjon; - som initialiserer mikrokontrolleren med registre, timere og datavariabler - som initialiserer transceiveren og konfigurerer den som en mottager - som initialiserer USBmodulen og svarer på forespørsel om identifikasjon, konfigurasjon og grensesnitt. Lage datainnsamlingsfunksjon - som kommuniserer med mottageren over SPIgrensesnittet og henter datapakkene fra mottageren - kontrollerer innholdet i datapakkene, om det er et signal og ikke støy med hensyn til protokollen IEEE 802.15.4 Lage USB kommunikasjonsfunksjon - Styrer USB modulen på mikrokontrolleren Lage programvare for USB bootloader - Må sette opp bootloaderen til mikrokontrolleren slik av vi kan programmere via USB porten Programmering av det grafiske grensesnittet Programmere et grensesnitt i LabVIEW som kan brukes mot AT90USBKEY - Skrive et ferdig fungerende program i LabVIEW som mottar data fra temperatursensoren på AT90USBKEY og viser denne verdien på skjermen Videreutvikle grensesnittet slik at det kan brukes mot USB snifferen - Lage et fungerende brukergrensesnitt som kan brukes for USB snifferen. Forberede presentasjon av hovedprosjektet Skrive hovedprosjektrapport 10

4 Prosjektorganisering 4.1 Prosjektdeltagere Johan L. Tresvig Adresse: Gautesgt. 1, 7030 Trondheim Født: 16.08.82 Utdanning: 2006- Høyskolen i Sør-Trøndelag, Ingeniørutdanning i Elektronikk 2004-2006 Høyskolen i Nord-Trøndelag, Ingeniørutdanning i Elektronikk 2002-2004 Lærling, Medisinsk teknisk avdeling, Radiumhospitalet 2001-2002 Førstegangstjeneste, Vernepliktsverket avd. Oslo 1998-2001 Serviceelektronikk, Sogn VGS Thang Nguyen Le Adresse: Gautesgt. 1, 7030 Trondheim Født: 26.06.84 Utdanning: 2006- Høyskolen i Sør-Trøndelag, Ingeniørutdanning i Elektronikk 2004-2006 Høyskolen i Nord-Trøndelag, Ingeniørutdanning i Elektronikk 2003-2004 Førstegangstjeneste ved Sessvollmoen som idrettsassistent 2000-2003 Allmenne fag ved Ringsaker VGS Bjørn Liene Gundersen Adresse: Gautes Gt. 1, 7030 Trondheim Født: 06.01.1983 2006- Høyskolen i Sør-Trøndelag, Ingeniørutdanning i Elektronikk 2004-2006 Høyskolen i Nord-Trøndelag, Ingeniørutdanning i Elektronikk 2005-2006 Pianolærer ved Levanger Kommunale Kulturskole. 2002-2004 Pianolærer/korleder ved Arendal Kommunale Kulturskole. 2002-2003 14 mnd. Førstegangstjeneste/Siviltjeneste ved Rykende Bedehus og Barnehage. 1999-2002 Allmenne fag ved Dahlske VGS, studieretning musikk, dans og drama. Alle i gruppen gikk tidligere i samme klasse ved Høyskolen i Nord-Trøndelag, og har jobbet sammen i flere prosjekter. 11

Ansvarsfordeling: Programmering: Firmware: Johan Ludvig Tresvig, Thang Le Nguyen LabView: Bjørn Liene Gundersen Hjemmeside: Thang Le Nguyen Hardware Utvikling av PCB: Thang Le Nguyen Administrativt Prosjektleder: Møteinnkalling Ordstyrer under møtene Ansvarlig for å drive prosjektarbeider fremover Sekretær: Møtereferat (samt notere under møte) Skrive 2-ukers rapporten Ansvarlig for utstyr og kvitteringsliste for utstyr Vervene Prosjektleder og Sekretær går på omgang med 2 ukers mellomrom. Journalskriving og Rapportskriving: Alle 4.2 Utstyr og ressurser 1 stk Atmel AT90USBKey 1 stk Atmel ATSTK500 1 stk Atmel ATSTK525 1 stk Atmel ATAVRRZ502 WinAVR AVR Studio I tillegg har vi tilgang på skolens PC utstyr og ressurser. 12

4.3 Prosjektleveranser - Innlevering forprosjekt 23.01.07 - Toukersrapporten leveres på møte med veileder og oppdragsgiver annenhver tirsdag. - Møteinnkallinger minst 3 virkedager før møte med veileder og oppdragsgiver. - Møtereferat sendes ut senest 2 dager etter møtedato. - Presentasjon av hovedprosjektet 11.04.07-13.04.07. - Innlevering av hovedprosjektrapport 11.05.07. - Kretskortutlegg til produsent. - Sluttprodukt - Eksaminasjon i løpet av de to siste ukene i mai måned. 4.4 Tids- og kostnadsplan Fremdriften vil nok variere og øke mot slutten av prosjektet. Gruppen tar sikte på å ta en liten påskeferie i slutten av uke 14. Videre er det satt av tid til eksamenslesing i uke 11. Akkumulert timeforbruk (S-diagram) 1600 1400 1200 Timeforbruk 1000 800 600 400 200 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Uke Kommentar til S-diagram: Tallet på ukeaksen indikerer starten av uken 13

GANTT DIAGRAM 14

Kostnadsoversikt Komponenter Type Enhetspris Antall Pris AT90USB1287-16AU Mikrokontroller 162 kr 1 162 kr AT80RF230 Radio tranceiver 200 kr 1 200 kr LP3982IMM Spenningsregulator 7 kr 1 15 kr USB kontakt Type A 5 kr 1 5 kr Krystall 8MHz 11 kr 2 22 kr Diode 3 kr 6 18 kr Motstander Overflate 1,5 kr 14 21 kr Kondensator Overflate 2 kr 10 20 kr ISP kontakt dobbel rad 6 pins 2 kr 1 2 kr SUM 465 kr 4.5 Kvalitetssikring For at prosjektet skal holde en viss kvalitet så er det viktig at alle planer og veiledninger blir fulgt. Ganttdiagrammet følges som veiledning men justeringer forventes. Alt som utføres skal dokumenteres og det skal føres journal etter endt arbeidsdag. Sekretæren i gruppa har ansvaret for at statusrapport blir levert inn og dette skal skje hver 14. dag. Alle i gruppa har ansvaret for at kriteriene er oppfylt ved rapportskriving. Dette betyr at standardiserte skjemaer skal tas i bruk og ikke annet. Alle viktige meldinger og beskjeder vil bli lagt ut på vår egen hjemmeside. Standardiserte skjemaer og all innhold i vår prosjektmappe og andre viktige dokumenter vil bli lagt ut på vår hjemmeside. På denne måten vil alle til enhver tid ha tilgang til eventuelt det de trenger av gruppas materiale. For å få mest effektivitet i arbeidsgangen så må det hele tiden utføres tester. Det er viktig at én ting blir endret om gangen dersom en konstruksjon har behov for justeringer. På denne måten vil man få vite hvilken effekt enkelendringer har. Man skal forsøke å dele system opp i moduler som skal testes hver for seg. Underveis skal en sjekkliste lages som inneholder planlagte tester og utførte tester med kommentarer. Gruppa skal jevnlig ha interne møter, minst en gang i uken eller oftere ved behov. På disse møtene skal vi underrette hverandre om status i fremgang, kunnskapsmyldring og diskutere eventuelle tiltak dersom vi avviker fra Ganttdiagrammet. 15