深入解析Microchip HCS200 KEELOQ? 代碼跳變編碼器

在電子工程領域，安全可靠的編碼技術對于各種應用至關重要。今天，我們將深入探討Microchip的HCS200 KEELOQ? 代碼跳變編碼器，它在遠程無鑰匙進入（RKE）系統等應用中發揮著關鍵作用。

文件下載：HCS200T-I/SN.pdf

一、HCS200概述

HCS200是Microchip Technology Inc.推出的一款專門為RKE系統設計的代碼跳變編碼器。它采用了KEELOQ? 代碼跳變技術，具有高安全性、小封裝尺寸和低成本的特點，是單向遠程無鑰匙進入系統和訪問控制系統中固定代碼設備的理想替代品。

1.1 主要特性

• 安全性：
  • 可編程28位序列號，確保每個編碼器的唯一性。
  • 可編程64位加密密鑰，提供強大的加密保護。
  • 每次傳輸的代碼都是唯一的，66位傳輸代碼長度有效防止代碼掃描和重發攻擊。
  • 32位跳變代碼，結合序列號和按鈕狀態等信息，增加了代碼的復雜性。
  • 加密密鑰具有讀取保護功能，防止密鑰泄露。
• 操作特性：
  • 工作電壓范圍為3.5 - 13.0V，適應多種電源環境。
  • 三個按鈕輸入，可實現多達七種功能。
  • 可選波特率，滿足不同的通信需求。
  • 自動完成代碼字傳輸，提高使用的便利性。
  • 可向接收器發送低電量信號，提醒用戶更換電池。
  • 非易失性同步數據，確保系統在斷電后仍能正常工作。
• 其他特性：
  • 易于使用的編程接口，方便用戶進行參數設置。
  • 片上EEPROM，用于存儲加密密鑰、序列號等重要信息。
  • 片上振蕩器和定時組件，減少外部元件數量。
  • 按鈕輸入具有內部下拉電阻，簡化電路設計。
  • 外部組件成本低，降低了系統的整體成本。

1.2 典型應用

HCS200適用于多種RKE應用，包括：

• 固定代碼設備的替代
• 汽車RKE系統
• 汽車報警系統
• 汽車防盜器
• 大門和車庫門開啟器
• 身份令牌
• 防盜報警系統

二、系統概述

2.1 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：

• RKE：遠程無鑰匙進入
• 按鈕狀態：指示激活傳輸的按鈕輸入，包含4個按鈕狀態位。
• 代碼跳變：每次傳輸時，代碼在系統外部看起來是隨機變化的。
• 代碼字：按鈕激活時重復傳輸的數據塊。
• 傳輸：由重復的代碼字組成的數據流。
• 加密密鑰：用于加密和解密數據的64位唯一秘密數字。
• 編碼器：生成和編碼數據的設備。
• 加密算法：使用加密密鑰對數據進行加密的方法。
• 解碼器：對從編碼器接收到的數據進行解碼的設備。
• 解密算法：使用相同的加密密鑰對加密數據進行解密的方法。
• 學習：接收器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。

2.2 工作原理

HCS200的工作基于KEELOQ? 代碼跳變技術，通過非線性加密算法生成32位跳變代碼，并與28位序列號和6位信息位組合成66位代碼字。每次按鈕按下時，同步計數器遞增，導致傳輸的代碼字發生變化，從而實現代碼跳變。

在生產過程中，HCS200的EEPROM需要加載幾個重要參數，包括28位序列號、加密密鑰、初始16位同步值和16位配置值。這些參數是系統安全和正常運行的基礎。

三、編碼器操作

3.1 引腳描述

3.2 操作流程

當檢測到按鈕按下時，HCS200會喚醒并延遲約10ms進行按鈕消抖。然后，同步計數器、判別值和按鈕信息將被加密形成跳變代碼。每次傳輸的跳變代碼都會改變，即使按下相同的按鈕。一個代碼字在超過64K次傳輸后才會重復，基于每天10次操作，可提供超過18年的使用時間。如果在傳輸過程中檢測到新按鈕按下，將立即復位并開始新的傳輸。

四、EEPROM內存組織

4.1 加密密鑰

64位加密密鑰用于創建傳輸到接收器的加密消息，通過密鑰生成算法在生產過程中計算和編程。輸入通常包括發射器的序列號和64位制造商代碼。

4.2 同步計數器

16位同步計數器用于創建傳輸的跳變代碼，每次傳輸后遞增。

4.3 序列號

SER_0和SER_1分別是設備序列號的低字和高字，雖然分配了32位，但只有低28位被傳輸。

4.4 種子字

2字（32位）種子代碼在三個按鈕同時按下時傳輸，可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。

4.5 配置字

16位配置字包含形成傳輸加密部分所需的信息以及設備選項配置，包括判別值、波特率選擇位和低電壓跳變點選擇位。

五、傳輸字

5.1 代碼字格式

HCS200的代碼字由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，后面跟著一個保護期。

5.2 代碼字組織

66位代碼字由固定代碼部分和加密代碼部分組成。32位加密數據由4個按鈕位、12個判別位和16位同步值生成，提供多達40億種變化的代碼組合。34位固定代碼數據由1個狀態位、1個固定位、4個按鈕位和28位序列號組成，固定和加密部分結合使代碼組合數增加到7.38 x (10^{19})。

5.3 同步傳輸模式

同步傳輸模式可使用外部時鐘輸出代碼字。進入該模式需要執行編程模式啟動序列，在S2的下降沿設置S1或S0時，設備進入同步傳輸模式。在該模式下，PWM數據串的時序由外部控制，并且在代碼字末尾傳輸16個額外的保留位。

六、特殊功能

6.1 代碼字完成

代碼字完成功能確保即使在代碼字未完成時釋放按鈕，整個代碼字也會被傳輸。如果按鈕按下時間超過一個代碼字的時間，將產生多個代碼字。如果在傳輸過程中激活另一個按鈕，當前傳輸將被中止，開始新的傳輸。

6.2 空白交替代碼字

為滿足FCC規定的傳輸功率限制，可使用空白交替代碼字（BACW）功能，通過僅傳輸每隔一個代碼字來降低傳輸的平均功率。

6.3 種子傳輸

為提高系統安全性，接收器可實現安全學習功能，通過按下三個按鈕同時傳輸存儲在EEPROM中的種子值來生成加密密鑰。

6.4 VLOW：電壓低指示

VLOW信號用于向接收器指示發射器電池電量低，該位包含在每次傳輸中，當工作電壓高于低電壓跳變點時，傳輸為零。

七、編程HCS200

在使用HCS200之前，需要將一些參數（如序列號和加密密鑰）編程到設備中。編程周期允許用戶以串行數據流的形式輸入所有192位數據，并將其存儲在EEPROM中。編程通過將PWM線拉高啟動，在S2線保持高電平適當時間后開始。編程完成后，可通過讀取EEPROM進行驗證。

八、集成HCS200到系統

8.1 學習發射器到接收器

發射器必須先被接收器“學習”才能在系統中使用。學習過程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。

8.2 解碼器操作

解碼器等待接收傳輸，將接收到的序列號與EEPROM中存儲的已學習發射器列表進行比較，確定該發射器是否被允許使用。如果是已學習的發射器，使用存儲的加密密鑰對傳輸進行解密，并通過判別位驗證加密密鑰的使用是否正確。如果解密有效，則評估同步值。

8.3 與解碼器同步

KEELOQ技術采用復雜的同步技術，通過一個3分區的旋轉同步窗口來確保系統的安全性和可靠性。當傳輸被驗證時，執行相應的功能并更新同步計數器值。

九、開發支持

Microchip為PIC? 微控制器和dsPIC? 數字信號控制器提供了全面的軟件和硬件開發工具，包括集成開發環境、編譯器、模擬器、調試器等，方便工程師進行開發和調試。

十、電氣特性

10.1 絕對最大額定值

• VDD電源電壓：-0.3 to 13.3V
• VIN輸入電壓：-0.3 to 13.3V
• VOUT輸出電壓：-0.3 to VDD + 0.3V
• IOUT最大輸出電流：25 mA
• TSTG存儲溫度：-55 to +125°C
• TLSOL引腳焊接溫度：300°C
• VESD ESD額定值：4000V

10.2 DC特性

包括工作電流、待機電流、輸入輸出電壓、下拉電阻等參數，具體數值可參考文檔中的表格。

十一、封裝信息

HCS200提供PDIP和SOIC兩種封裝類型，每種封裝都有相應的標記信息和尺寸規格。

總結

Microchip的HCS200 KEELOQ? 代碼跳變編碼器以其高安全性、靈活性和低成本的特點，成為RKE系統等應用的理想選擇。通過深入了解其工作原理、操作特性和編程方法，工程師可以更好地將其集成到各種系統中，為用戶提供安全可靠的解決方案。你在使用HCS200或類似編碼器的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。