HCS200：適用于遠程無鑰匙進入系統的代碼跳變編碼器

作為一名電子工程師，在設計遠程無鑰匙進入（RKE）系統時，安全和成本是兩個關鍵的考慮因素。今天，我要給大家介紹一款來自Microchip Technology Inc.的編碼器——HCS200，它采用了KEELOQ? 代碼跳變技術，在安全性和成本上取得了很好的平衡，非常適合RKE系統的設計。

文件下載：HCS200-I/P.pdf

1. 關鍵特性

1.1 安全性高

• 可編程序列號和加密密鑰：HCS200擁有可編程的28位序列號和64位加密密鑰，這為每個設備提供了獨特的身份標識，大大增加了破解的難度。
• 代碼跳變技術：每次傳輸的代碼都是唯一的，采用66位傳輸代碼長度和32位跳變代碼，有效防止了代碼掃描和捕獲重發攻擊。而且，即使傳輸信息只有一位不同，編碼后的傳輸也會完全不同，統計顯示32位信息串中僅一位改變，編碼傳輸位的變化會超過50%。
• 加密密鑰讀取保護：加密密鑰存儲在EEPROM中，具有讀取保護功能，只有在自動擦除和編程操作后才能驗證數據，防止密鑰被盜取或同步值被篡改。

1.2 工作特性優越

• 寬電壓范圍：該編碼器可在3.5 - 13.0V的寬電壓范圍內工作，適應不同的電源環境。
• 多按鈕輸入：具備三個按鈕輸入，最多可實現七種功能，為系統設計提供了更多的靈活性。
• 可選波特率：用戶可以根據實際需求選擇不同的波特率，以滿足不同的傳輸速度要求。
• 自動碼字完成：確保即使按鈕提前釋放，也能完整傳輸碼字；若在傳輸過程中按下新按鈕，當前傳輸會立即中止并開始新的傳輸。
• 低電量信號傳輸：能夠將低電量信號發送到接收器，方便用戶及時更換電池。
• 非易失性同步數據：同步數據不會因斷電而丟失，保證了系統的穩定性。

1.3 其他優點

• 易于使用的編程接口：提供了簡單易用的串行接口，方便用戶對必要的密鑰、系統參數和配置數據進行編程。
• 片上資源豐富：集成了EEPROM、振蕩器和定時組件，減少了外部元件的使用，降低了系統成本。
• 按鈕輸入具有內部下拉電阻：簡化了電路設計，提高了系統的可靠性。

2. 典型應用

HCS200非常適合用于各種遠程無鑰匙進入應用，如汽車RKE系統、汽車報警系統、汽車防盜器、門禁和車庫門開啟器、身份令牌、防盜報警系統等。它可以有效替代傳統的固定代碼設備，為這些系統提供更高的安全性。

3. 系統概述

3.1 關鍵術語

在理解HCS200的工作原理之前，我們需要了解一些關鍵術語，如RKE（遠程無鑰匙進入）、代碼跳變、碼字、傳輸、加密密鑰、編碼器、解碼器等。這些術語在整個數據手冊中頻繁出現，是理解系統的基礎。

3.2 工作原理

• 編碼器：HCS200通過非線性加密算法生成32位跳變代碼，并將其與28位序列號和6位信息位結合，形成66位碼字。按下按鈕后，編碼器會更新同步計數器，并使用加密密鑰對同步計數器、判別值和按鈕信息進行加密，生成跳變代碼。
• 解碼器：解碼器通常是一個帶有兼容固件的微控制器。在使用前，解碼器需要“學習”發射器的信息，包括計算發射器的加密密鑰、解密接收到的跳變代碼，并將序列號、同步計數器值和加密密鑰存儲在EEPROM中。在正常運行時，解碼器會對接收到的消息進行評估，驗證序列號、解密消息、驗證同步計數器，并根據按鈕狀態執行相應的操作。

4. 編碼器操作

HCS200的使用非常簡單，只需要添加按鈕和RF電路即可作為發射器使用。按下按鈕后，編碼器會喚醒并進行約10ms的按鈕消抖，然后更新同步信息并進行加密，最后將碼字發送出去。在傳輸過程中，如果檢測到新按鈕被按下，會立即復位并開始新的傳輸。

5. EEPROM 內存組織

HCS200包含192位（12 x 16位字）的EEPROM內存，用于存儲加密密鑰、同步值、序列號等重要信息。不同的地址存儲不同的參數，如64位加密密鑰、16位同步計數器、28位序列號、32位種子字和16位配置字等。這些參數的設置和管理對于系統的正常運行至關重要。

6. 碼字傳輸

6.1 碼字格式

HCS200的碼字由50%占空比的前導碼、頭部、32位加密數據和34位固定數據組成，后面還有一個保護周期。每個碼字的傳輸都有嚴格的時間要求，具體參數可參考文檔中的表格。

6.2 碼字組織

66位的碼字由固定代碼部分和加密代碼部分組成。32位的加密數據由4位按鈕位、12位判別位和16位同步值生成，提供了多達40億種變化的代碼組合；34位的固定代碼數據由1位狀態位、1位固定位、4位按鈕位和28位序列號組成，兩者結合使代碼組合數達到了7.38 x (10^{19})。

6.3 同步傳輸模式

HCS200支持同步傳輸模式，通過執行特定的編程模式啟動序列，可以使用外部時鐘控制碼字的輸出。在這種模式下，除了PWM數據串的時序由外部控制外，還會在碼字末尾傳輸16個額外的保留位。

7. 特殊功能

7.1 碼字完成

該功能確保即使按鈕提前釋放，也能完整傳輸碼字；如果按下另一個按鈕，當前傳輸會中止并開始新的傳輸。

7.2 間隔碼字屏蔽

通過屏蔽交替碼字，可以減少傳輸的占空比，降低平均功率，同時在滿足FCC規定的情況下，允許用戶發送更高幅度的傳輸信號。

7.3 種子傳輸

當同時按下三個按鈕時，會發送存儲在EEPROM中的32位種子值，用于實現安全學習功能或作為不同密鑰生成/跟蹤過程的一部分，提高系統的安全性。

7.4 低電壓指示

VLOW信號會在每次傳輸中發送，當工作電壓低于低電壓跳變點時，該位會變為零，提醒用戶發射器電池電量低。

8. 編程方法

在使用HCS200之前，用戶需要對其進行編程，包括設置序列號、加密密鑰等參數。編程過程通過將PWM線拉高來啟動，然后按照一定的時序將192位數據以串行數據流的形式輸入到EEPROM中。編程完成后，可以通過讀取EEPROM來驗證數據。需要注意的是，為了確保安全，必須先編程EEPROM才能執行驗證功能，且驗證操作必須在編程周期之后立即進行。

9. 系統集成

9.1 發射器學習

在系統中使用發射器之前，解碼器需要“學習”發射器的信息。典型的學習序列包括接收和驗證第一次傳輸、生成加密密鑰、解密消息、驗證判別值、接收和驗證第二次傳輸、驗證同步計數器值的順序性等步驟。如果學習成功，解碼器會存儲發射器的序列號、當前同步計數器值和加密密鑰。

9.2 解碼器操作

解碼器的正常操作包括等待接收傳輸、比較序列號、解密消息、驗證判別值、評估同步值等步驟。如果傳輸來自已學習的發射器且解密有效，解碼器會根據按鈕狀態執行相應的操作。

9.3 同步機制

HCS200采用了一種復雜的同步技術，通過一個三分區的旋轉同步窗口來確保系統的安全性和穩定性。該窗口包括16個代碼的單操作窗口、最多32K個代碼的雙操作（重同步）窗口和一個屏蔽窗口。當接收到的同步計數器值在不同的窗口內時，解碼器會采取不同的處理方式。

10. 開發支持

Microchip為PIC?微控制器和dsPIC?數字信號控制器提供了全方位的軟件和硬件開發工具，包括集成開發環境（MPLAB? IDE）、編譯器、匯編器、鏈接器、模擬器、仿真器、在線調試器、設備編程器等。這些工具可以幫助工程師快速開發和調試基于HCS200的系統。

11. 電氣特性

文檔中詳細列出了HCS200的絕對最大額定值、直流特性、碼字時序等電氣參數。例如，VDD電源電壓范圍為 -0.3 至 13.3V，輸入電壓范圍為 -0.3 至 13.3V，輸出電壓范圍為 -0.3 至 VDD + 0.3V 等。工程師在設計電路時需要根據這些參數合理選擇外部元件，確保系統的正常運行。

12. 封裝信息

HCS200提供了PDIP和SOIC兩種封裝形式，不同封裝的引腳定義和尺寸有所不同。文檔中給出了詳細的封裝標記信息和尺寸參數，方便工程師進行PCB設計。

總結

HCS200是一款非常優秀的代碼跳變編碼器，它結合了高安全性、低功耗、低成本和易于使用等優點，非常適合用于各種遠程無鑰匙進入系統的設計。作為電子工程師，我們在設計時可以充分利用其特性，開發出更加安全、可靠的產品。同時，在實際應用中，我們還需要注意編程、學習和同步等方面的細節，確保系統的正常運行。大家在使用HCS200的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享。