Hovedprosjekt HPEE0704

1
Hovedprosjekt HPEE0704

• USB SNIFFER

2

Presentasjon av gruppen USB Sniffer Medlemmene
av gruppen er Bjørn L. Gundersen Johan L.
Tresvig Thang L. Nguyen
3

• Bakgrunn
• Oppgaven er gitt av ATMEL NORWAY AS
• Den går ut på å lage et system som viser trådløs
  trafikk som er
• kompatibel med IEEE 802.15.4 standarden.

4

• Prosjektbeskrivelse
• 1. Et kretskort skal produseres som inneholder
  nødvendig hardware for å lytte til trådløs
  trafikk. Kretskortet må også ha USB grensesnitt
  til PC.
• 2. Lage firmware som setter opp radiomottageren
  som en lyttestasjon og videresender all trådløs
  trafikk over USB til PCen.
• 3. Lage et Windowsprogram som viser
  pakkene mottatt fra monitorplattformen.

5

6
Hardware

• USB Sniffer

7
USB SNIFFER

• Testsettet ATAVRRZ200 fra Atmel har vært
  utgangspunktet for vår USB sniffer.

8
Program for skjema og utlegg

• Cadence OrCad Capture 10.5

9
Program for skjema og utlegg

• Cadence OrCad Layout 10.5

10
Kretsens oppbygging
Firelags kretskort
11
Kretsens oppbygging
12
Mikrokontroller

• AT90USB1287
• 128 KB Flashminne
• 4 KB EEPROM
• 8 KB SRAM
• USB grensesnitt Full Speed
• SPI grensesnitt
• JTAG grensesnitt
• Opptil 16 Mips ved 16 Mhz. 2.7 5.5 Volt
  operasjon

13
Radiokontroller

• AT86RF230 er en laveffekts 2.4 GHz transceiver
  utviklet for ZigBee/IEEE802.15.4 applikasjoner.
• AT86RF230 er en SPI-til-antenne løsning.
• Alle RF-kritiske komponenter untatt antenna,
  krystall og avkoplingskondensatorer er integrert
  i brikken.
• Lavt strømforbruk (Typiske verdier)
• -SLEEP 0.1 µA
• -TRX_OFF 1.7 mA
• -RX_ON 16 mA
• -BUSY_TX 17 mA (max. PTX)
• Driftsspenning 1.8V 3.6V

14
ZigBee/IEEE802.15.4

• Forholdsvis lav bithastighet (20-250 kbps)
• DSSS-basert (Direct Sequence Spread Spectrum)
• Rekkevidde opptil 100 meter
• Tilgjengelig i ISM bånd ved 868 og 2400 MHz (EU)
• Lav pris (maks 20 av en Bluetooth løsning)
• Lavt strømforbruk, 1 AAA batteri klarer typisk 37
  000 timer med vanlig ZB arbeidssyklus
• Rask oppkobling for sovende enhet (30 ms)

15
Prototype

• Prototypen som vi lager er på størrelse med
  USBkeyen fra Atmel. 90X40mm

16
Firmware

• USB Sniffer

17
Firmware

• Firmwaren som styrer USB pinnen har 2
  hovedoppgaver
• Å laste ned data fra AT86RF230 (radiomottageren)
• Å sende det videre på USB bussen til PCen

18
USB initiering

• Hastighet (Low, Full, High)
• Device
• Enumerering
• Adressering 0-127
• Descriptorer

19
USB initiering
Descriptorer er tabeller med informasjon som
hjelper USB hosten til å velge riktig driver for
kommunikasjonen med devicen Det finnes
forskjellige descriptorer Device descriptor -
Angir Produsent, produkt ID, mulige
konfigurasjoner Configuration descriptor -
Angir strømforbruk, antall grensesnitt
i denne konfigurasjonene. Interface descriptor
- USB klasse (HID, Vendor defined) for
dette grensesnittet, antall
endpoints Endpoint descriptor Endpoint nummer,
type overføring (Bulk, Isokron, Interupt,
Control), retning (IN/OUT) og
20
Oppkobling mot radiomottaker

• Initierer SPI grensesnittet
• Sette µCeren som Master
• Overføringshastighet (500KB/s)
• Definere I/O pinner

21
Oppkobling mot radiomottaker

• Initierer AT86RF230
• RF230 har en rekke tilstander/moduser for å få
• tilgang på alle funksjonene.
• µCeren kan styre hvilken modus RF230 skal stå i
  ved å
• gi kommandoer via SPI interfacet
• P_ON, oppstart modus
• TRX_OFF, konfigureringsmodus
• RX_ON, lyttemodus

22
USB kommunikasjon

• Mottar data fra Windowsprogrammet
• Behandler evn. forespørsler fra USB host
• - GET DESCRIPTOR
• - READ DATA
• - WRITE DATA
• Bygger opp pakkene som sendes til PCen

• Styrer Power modusene til USB grensesnittet

23
Databehandling

• Behandler data fra Windowsprogrammet
• Kanalvalg
• Start/Stopp send data, synkronisering mellom
  firmware og
• Windowsprogram
• Sortering av frames
• Beacon
• Data
• Acknowledge
• MAC command
• Kontrollerer om Radiomottageren har mottatt ny
  frame ved å sjekke
• IRQ linjen.
• Hvis ja, laste ned frame via SPI grensesnittet
• Utfører CRC kontroll

24
Databehandling

• Konverterer pakke til standardformat
• PHY frame, rå data fra radiomottageren
• MAC frame, standarisert tabell gitt av
  IEEE 802.15.4 standarden

• Skriver frame til kommunikasjonsbuffer

25
Windowsprogram

• USB Sniffer

26
Viktige valg i en tidlig fase

• Utviklingsprogram
• USB PC driver
• Disse to valgene henger sterkt sammen, så denne
  beslutningsfasen ble viktig.

27
Valg av PC driver

• Vi vurderte 4 alternativer for USB PC driver
• AtUsbHid.dll
• En dll fil for USB kommunikasjon med Atmel sine
  USB mikrokontrollere basert på HID klasse
  implementering. Omtales mer siden.
• Fordel Fremtidsrettet. Har fungerende
  eksempelprogram.
• Ulempe Ny kunnskap tar tid, lite
  ressurspersoner på området.
• Virtual Com Port
• UART til USB konvertering. PC kan så kommunisere
  med USB port på samme måte som en virtuell RS-232
  (COM) Port.
• Fordel Enkelt å implementere, flere
  ressurspersoner på området.
• Ulempe Lite fremtidsrettet.

28
Valg av PC driver

• NI VISA
• National Instruments har laget et virtuelt
  instrument til USB kommunikasjon som heter
  NI-VISA.
• Firmware må ikke inneholde USB spesifikke
  beskrivelser.
• En wizard genererer en driver kun på bakgrunn av
  USB enhetens PID og VID.
• Ulempe Lite ressurspersoner på området, og
  ingen eksempler på at dette fungerer.
• Egendefinert USB driver
• Tanken på å skrive en egen USB driver fra
  bunnen av får selv en dreven embedded-device
  programmerer til å skjelve i bena, og kan være
  den vanskeligste utfordringen ved å gå over til
  USB kommunikasjon.
• Fordel Skreddersydd applikasjonen vår.
• Ulempe Veldig tidkrevende og mangel på kunnskap
  

29
Valg av utviklingsprogram

• Vi vurderte følgende alternativer for
  utviklingsprogram
• LabView
• Visual C pro
• LabView
• Fordel
• Grafisk og intuitiv programmering i G språket.
• Gruppen har litt kunnskap i LabView
  programmering fra tidligere studier ved HINT.
• Ulempe
• Lite tilgjengelige ressurspersoner ved skolen.
• MS Visual C pro
• Fordel
• Fleksibelt programmeringsverktøy.
• Tre av funksjonene i AtUsbHid.dll kan bare
  brukes med Visual C.
• Atmel har tilgjengelig et enkelt eksempel
  programmert i Visual C som bruker AtUsbHid.dll
  filen som PC driver.

30
Endelig valg av PC driver og utviklingsprogram

• PC driver
• Atmel sin AtUsbHid.dll fil
• Utviklingsprogram
• MS Visual C pro v.6

31
Kort om Atmel sin HID Class driver AtUsbHid.dll

• Hid Class kan brukes til å utveksle såkalt
  generic data, som i utgangspunktet kan være
  hvilken som helst type data.
• Alle Microsoft OS fra og med Windows 98SE har
  innebygd en hid.dll driver for HID klasse
  enheter. AtUsbHid.dll kommuniserer med den
  innebygde hid.dll i Windows.
• En DLL fil definerer et utvalg av
  systemfunksjoner eller drivere i Windows. DLL
  filer har samme struktur som en EXE fil og kan
  inneholde kode, data og ressurser.
• AtUsbHid.dll leveres med en headerfil som må
  inkluderes i utviklingsprogrammet for at
  funksjonene i dll filen fungerer.
• AtUsbHid.dll inneholder funksjoner for lesing og
  skriving av USB data og etablering av USB
  kontakt. De andre funksjonene kan brukes etter
  behov. SetFeature kan sette mikrokontrolleren i
  DFU modus, som gjør at firmware enkelt kan
  oppgraderes.

32
Kort om Atmel sin HID Class driver AtUsbHid.dll
33
Kort om MS Visual C pro som utviklingsprogram

• Objektorientert C språk
• Grafiske elementer kan plasseres ved dra og
  slipp på det grafiske brukergrensesnittet. Disse
  elementene kan tilordnes passende variabler og
  funksjoner i C tekstfiler under all grafikken.
• All programutførelse skrives i cppfiler, mens
  deklarasjoner gjøres i tilhørende headerfil.
• Hvert grafisk vindu som skal programmeres, har
  hver sin cppfil og headerfil. I tillegg generer
  kompilatoren noen tilleggsfiler i
  kompileringsprosessen.
• Større Windowsprogram inneholder mange cpp og
  headerfiler til pop-up vindu og vindu for
  innstillinger.
• Visual Studio har innebygd et bibliotek med
  standard Windows klasser med medlemsfunksjoner.
  Dette biblioteket kalles MFC (Microsoft
  Foundation Class Library).
• Et eksempel på en klasse i MFC er Ctime som
  konverterer nåværende systemtid til en
  tekststreng som kan inneholde dato og/eller
  klokkeslett.

34
Programmets oppbygning

• Timerbasert
• Mottak av USB data er timerbasert. Antall byte i
  hver frame er angitt i første byte som overføres.
  Når hele frame er lastet ferdig i en global
  tabell kjøres visualiseringsfunksjon for å vise
  innhold i frame på GUI.
• Grafisk og tekstbasert visualisering
• Når en framen er mottatt, vil funksjoner
  generere tekststrenger for parametere i framen.
  Byteverdier angis heksadesimalt, med unntak av
  framelength som angis desimalt.
• Tilstandsparametre angis som beskrivende tekst,
  for eksempel CRC sjekk og tid/dato for mottak.
  Signalkvalitet og signalstyrke for sist mottatte
  frame er vist grafisk. Resten av framen
  visualiseres tekstbasert ved hjelp av
  heksadesimale tall.
• Utseende
• Programmet har et standard Windows utseende med
  enkel menylinje og mulighet for å maksimere og
  minimere vinduet. På menylinjen er det også en
  Info og About knapp som åpner et vindu med
  generell info om programmet.

35
Flytdiagram for initialisering
36
Timer og View() flytdiagram
37
Programmets funksjonalitet

• Programmet har følgende funksjonalitet
• Nåtidsvisning av ZigBee trafikk
• Viser følgende data for hver frame hvis de
  finnes
• Frametype
• Framecontroll
• Sequence number
• Framelength
• Addressing field
• Auxiliary Security Header
• MAC Payload
• FCS og CRC status
• Signal Quality
• Signal Strength
• Tid og dato for mottatt frames
• Mulighet for å lagre Log av mottatt frames som
  tekstfil
• Valg av hvilke frametyper som skal visualiseres
• Funksjon for å fryse/pause visualisering av
  frames
• Funksjon for å blanke ut mottatt data på GUI
• Mulighet for å sette AT90USB1287 i DFU mode.

38

• Utførte oppgaver
• Laget ferdig Gerber filer som brukes til å
• etse kretskort
• Utviklet firmware som videresender all
• data mottatt fra radiomottageren over USB
• Utviklet et Windowsprogram som viser
• data mottatt fra USB

39

• Gjenværende oppgaver
• Etsing og lodding av kretskort
• Lage en funksjon som utfører CRC sjekk av mottatt
  data
• Tilpasse firmwaren til kretskortet
• Øke USB hastighet
• Lage funksjon i Windowsprogrammet som oversender
• data til kretskort om kanalvalg, frametypevalg
  og
• start/stopp USB trafikk.

40

Takk for oppmerksomheten!