深入解析Microchip HCS201 KEELOQ? 代碼跳變編碼器

在電子安全領(lǐng)域，遠(yuǎn)程無(wú)鑰匙進(jìn)入（RKE）系統(tǒng)的安全性至關(guān)重要。Microchip的HCS201 KEELOQ? 代碼跳變編碼器為RKE系統(tǒng)提供了一種安全、低成本且高效的解決方案。今天，我們就來(lái)深入了解一下這款編碼器。

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1. 產(chǎn)品概述

HCS201是Microchip Technology Inc. 推出的一款專為安全RKE系統(tǒng)設(shè)計(jì)的代碼跳變編碼器。它采用了KEELOQ? 代碼跳變技術(shù)，具有高安全性、小封裝和低成本的特點(diǎn)，非常適合單向遠(yuǎn)程無(wú)鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)和訪問(wèn)控制系統(tǒng)。

1.1 主要特性

• 安全性高：
  • 可編程28位序列號(hào)，確保每個(gè)編碼器的唯一性。
  • 可編程64位加密密鑰，且加密密鑰具有讀保護(hù)功能，防止密鑰被非法獲取。
  • 每次傳輸?shù)拇a都是唯一的，66位傳輸代碼長(zhǎng)度有效防止代碼掃描和重發(fā)攻擊。
• 操作靈活：
  • 工作電壓范圍為3.5V - 13V，使用升壓功能時(shí)最低可至2.0V。
  • 提供三個(gè)按鈕輸入，支持7種功能，可選擇波特率。
  • 具有自動(dòng)代碼字完成功能，能在電池電量低時(shí)向接收器發(fā)送信號(hào)。
  • 采用非易失性同步數(shù)據(jù)，確保系統(tǒng)穩(wěn)定性。
• 其他優(yōu)勢(shì)：
  • 簡(jiǎn)單的編程接口，方便用戶進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。
  • 片上EEPROM用于存儲(chǔ)關(guān)鍵數(shù)據(jù)。
  • 片上振蕩器和定時(shí)組件，減少外部元件數(shù)量。
  • 按鈕輸入具有內(nèi)部下拉電阻，提高電路穩(wěn)定性。
  • 支持同步傳輸模式，內(nèi)置升壓調(diào)節(jié)器。

1.2 典型應(yīng)用

HCS201適用于多種RKE應(yīng)用，包括汽車RKE系統(tǒng)、汽車報(bào)警系統(tǒng)、汽車防盜器、大門(mén)和車庫(kù)門(mén)開(kāi)啟器、身份令牌以及防盜報(bào)警系統(tǒng)等。

2. 系統(tǒng)工作原理

2.1 關(guān)鍵術(shù)語(yǔ)

在了解HCS201的工作原理之前，我們先明確一些關(guān)鍵術(shù)語(yǔ)：

• RKE：遠(yuǎn)程無(wú)鑰匙進(jìn)入。
• 按鈕狀態(tài)：指示激活傳輸?shù)陌粹o輸入。
• 代碼跳變：每次傳輸時(shí)，代碼在系統(tǒng)外部看起來(lái)會(huì)不可預(yù)測(cè)地變化。
• 代碼字：按鈕激活時(shí)重復(fù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)塊。
• 傳輸：由重復(fù)代碼字組成的數(shù)據(jù)流。
• 加密密鑰：用于加密和解密數(shù)據(jù)的64位唯一秘密數(shù)字。
• 編碼器：生成和編碼數(shù)據(jù)的設(shè)備。
• 加密算法：使用加密密鑰對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加擾的方法。
• 解碼器：解碼從編碼器接收的數(shù)據(jù)的設(shè)備。
• 解密算法：使用相同加密密鑰對(duì)加密數(shù)據(jù)進(jìn)行解擾的方法。
• 學(xué)習(xí)：接收器計(jì)算發(fā)射器的加密密鑰，解密接收到的跳變代碼，并將序列號(hào)、同步計(jì)數(shù)器值和加密密鑰存儲(chǔ)在EEPROM中。
• 制造商代碼：用于生成唯一編碼器加密密鑰的64位唯一秘密數(shù)字。

2.2 編碼器工作流程

HCS201的編碼器部分集成在發(fā)射器中，用戶通過(guò)按下按鈕來(lái)激活傳輸。編碼器檢測(cè)到按鈕按下后，會(huì)進(jìn)行以下操作：

1. 讀取按鈕輸入并更新同步計(jì)數(shù)器。
2. 將同步計(jì)數(shù)器和加密密鑰輸入到加密算法中，生成32位加密信息。
3. 將32位跳變代碼與按鈕信息和序列號(hào)組合成66位代碼字，發(fā)送給接收器。

2.3 接收器工作流程

接收器通常是一個(gè)帶有兼容固件的微控制器。在使用發(fā)射器之前，接收器需要“學(xué)習(xí)”發(fā)射器。學(xué)習(xí)過(guò)程包括計(jì)算發(fā)射器的加密密鑰、解密接收到的跳變代碼，并將序列號(hào)、同步計(jì)數(shù)器值和加密密鑰存儲(chǔ)在EEPROM中。

在正常操作中，接收器接收到消息后，會(huì)進(jìn)行以下檢查：

1. 檢查序列號(hào)是否來(lái)自已學(xué)習(xí)的發(fā)射器。
2. 使用存儲(chǔ)的加密密鑰解密消息，并驗(yàn)證同步計(jì)數(shù)器。
3. 檢查按鈕狀態(tài)，確定請(qǐng)求的操作。

3. 編碼器操作細(xì)節(jié)

3.1 引腳功能

3.2 喚醒與加密過(guò)程

HCS201在檢測(cè)到按鈕按下后會(huì)喚醒，并延遲約10ms進(jìn)行按鈕去抖。然后，同步計(jì)數(shù)器、判別值和按鈕信息會(huì)被加密形成跳變代碼。每次傳輸時(shí)，跳變代碼部分都會(huì)改變，即使按下相同的按鈕。一個(gè)代碼字在超過(guò)64K次傳輸后才會(huì)重復(fù)，這提供了超過(guò)18年的使用時(shí)間（假設(shè)每天操作10次）。

3.3 特殊情況處理

如果在傳輸過(guò)程中檢測(cè)到新的按鈕被按下，會(huì)立即發(fā)生復(fù)位，當(dāng)前代碼字將不會(huì)完成。如果所有按鈕都被釋放，代碼字將完成并進(jìn)入掉電狀態(tài)。

4. EEPROM內(nèi)存組織

4.1 加密密鑰

64位加密密鑰用于創(chuàng)建發(fā)送給接收器的加密消息。該密鑰在生產(chǎn)過(guò)程中使用密鑰生成算法計(jì)算并編程，輸入通常為發(fā)射器的序列號(hào)和64位制造商代碼。

4.2 同步計(jì)數(shù)器

16位同步計(jì)數(shù)器用于創(chuàng)建傳輸?shù)奶兇a，每次傳輸后該值會(huì)遞增。

4.3 序列號(hào)

SER_0和SER_1分別是設(shè)備序列號(hào)的低字和高字，雖然分配了32位，但只有低28位會(huì)被傳輸。

4.4 種子字

2字（32位）種子代碼在三個(gè)按鈕同時(shí)按下時(shí)傳輸，可用于實(shí)現(xiàn)安全學(xué)習(xí)功能或作為不同密鑰生成/跟蹤過(guò)程的一部分。

4.5 判別字

判別值有助于解碼器端的解密后檢查，通常編程為序列號(hào)的12個(gè)最低有效位。

4.6 配置字

配置字是一個(gè)16位字，用于存儲(chǔ)加密過(guò)程中使用的信息以及選項(xiàng)配置的狀態(tài)。具體位功能包括振蕩器調(diào)諧、低電壓跳閘點(diǎn)選擇、波特率選擇等。

5. 傳輸字格式

5.1 代碼字格式

HCS201的代碼字由50%占空比的前導(dǎo)碼、頭部、32位加密數(shù)據(jù)和34位固定數(shù)據(jù)組成，后面跟著一個(gè)保護(hù)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(shù)據(jù)由4個(gè)按鈕位、12個(gè)判別位和16位同步值生成，提供高達(dá)40億種變化的代碼組合。34位固定代碼數(shù)據(jù)由2個(gè)狀態(tài)位、4個(gè)按鈕位和28位序列號(hào)組成，固定和加密部分組合后代碼組合數(shù)增加到(7.38 ×10^{19})。

5.3 同步傳輸模式

同步傳輸模式可以使用外部時(shí)鐘將代碼字輸出。進(jìn)入同步傳輸模式需要執(zhí)行編程模式啟動(dòng)序列，在該模式下，PWM數(shù)據(jù)串的時(shí)序由外部控制，并且代碼字末尾會(huì)傳輸16個(gè)額外的位。

6. 特殊功能

6.1 代碼字完成

代碼字完成功能確保即使按鈕在代碼字完成之前釋放，整個(gè)代碼字也會(huì)被傳輸。如果按鈕按下時(shí)間超過(guò)一個(gè)代碼字的時(shí)間，會(huì)產(chǎn)生多個(gè)代碼字。如果在傳輸過(guò)程中激活另一個(gè)按鈕，當(dāng)前傳輸將被中止，新的傳輸將使用新的按鈕信息開(kāi)始。

6.2 VLOW：電壓低指示

VLOW位在每次傳輸時(shí)都會(huì)發(fā)送，如果工作電壓低于低電壓跳閘點(diǎn)，該位將為1。接收器可以根據(jù)該信號(hào)向用戶發(fā)出發(fā)射器電池電量低的警報(bào)。

6.3 自動(dòng)關(guān)機(jī)

自動(dòng)關(guān)機(jī)功能可以防止按鈕意外長(zhǎng)時(shí)間按下導(dǎo)致設(shè)備耗盡電池電量。超時(shí)時(shí)間為T(mén)TO。

6.4 種子傳輸

為了提高系統(tǒng)的安全性，接收器可以實(shí)現(xiàn)安全學(xué)習(xí)功能。通過(guò)同時(shí)按下三個(gè)按鈕輸入，可以傳輸EEPROM中存儲(chǔ)的種子值，用于生成加密密鑰。

6.5 空白交替代碼字

空白交替代碼字（BACW）功能可以通過(guò)僅傳輸每隔一個(gè)代碼字來(lái)降低傳輸?shù)钠骄β剩瑥亩鴿M足FCC規(guī)定的傳輸限制。

6.6 升壓調(diào)節(jié)器

集成的升壓調(diào)節(jié)器可以確保編碼器和RF電路的電源電壓（VDD）恒定，不受電池電壓（VDDB）的影響。當(dāng)VDD低于內(nèi)部參考電壓VSTEP時(shí)，STEP輸出會(huì)以fSTEP脈沖，可連接到外部電路提供升壓。

7. 編程與系統(tǒng)集成

7.1 編程HCS201

在使用HCS201之前，用戶需要將一些參數(shù)（如序列號(hào)和秘密密鑰）編程到設(shè)備中。編程周期允許用戶以串行數(shù)據(jù)流的形式輸入所有192位數(shù)據(jù)，然后將其存儲(chǔ)在EEPROM中。編程完成后，可以通過(guò)讀取EEPROM來(lái)驗(yàn)證數(shù)據(jù)。

7.2 集成到系統(tǒng)中

使用HCS201需要一個(gè)兼容的解碼器，通常是一個(gè)帶有兼容固件的微控制器。Microchip提供固件例程，幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)師開(kāi)發(fā)自己的解碼系統(tǒng)。

7.2.1 學(xué)習(xí)發(fā)射器到接收器

發(fā)射器在被允許在系統(tǒng)中使用之前，必須先被解碼器“學(xué)習(xí)”。解碼器需要存儲(chǔ)每個(gè)已學(xué)習(xí)發(fā)射器的序列號(hào)、當(dāng)前同步計(jì)數(shù)器值和唯一加密密鑰。

7.2.2 解碼器操作

解碼器等待接收傳輸，檢查序列號(hào)是否來(lái)自已學(xué)習(xí)的發(fā)射器，使用存儲(chǔ)的加密密鑰解密消息，并驗(yàn)證同步值。

7.2.3 與解碼器同步

KEELOQ技術(shù)采用了一種復(fù)雜的同步技術(shù)，通過(guò)一個(gè)3分區(qū)的旋轉(zhuǎn)同步窗口來(lái)確保系統(tǒng)的安全性。該窗口包括單操作窗口、雙操作窗口和阻塞窗口，有效地阻止了無(wú)效傳輸并提供透明的重新同步功能。

8. 開(kāi)發(fā)支持

Microchip為PIC? 微控制器和dsPIC? 數(shù)字信號(hào)控制器提供了一系列的軟件和硬件開(kāi)發(fā)工具，包括集成開(kāi)發(fā)環(huán)境、編譯器、模擬器、仿真器、調(diào)試器、編程器以及演示/開(kāi)發(fā)板和評(píng)估套件等。這些工具可以幫助工程師更高效地開(kāi)發(fā)和調(diào)試基于HCS201的系統(tǒng)。

9. 電氣特性

HCS201的電氣特性包括絕對(duì)最大額定值、直流特性、電源啟動(dòng)和傳輸時(shí)序以及代碼字傳輸時(shí)序等。這些特性為工程師在設(shè)計(jì)電路時(shí)提供了重要的參考。

10. 封裝信息

HCS201提供PDIP和SOIC兩種封裝類型，文檔中詳細(xì)介紹了封裝標(biāo)記信息和封裝細(xì)節(jié)，包括尺寸、引腳定義等。

總之，Microchip的HCS201 KEELOQ? 代碼跳變編碼器為RKE系統(tǒng)提供了一種安全、可靠且易于使用的解決方案。通過(guò)深入了解其工作原理、特性和應(yīng)用，工程師可以更好地設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)高性能的遠(yuǎn)程無(wú)鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)。你在使用HCS201的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。