HCS410：安全高效的代碼跳變應答器設備

在電子安全領域，對于安全進入系統的需求日益增長，HCS410作為一款專為安全進入系統設計的代碼跳變應答器設備，憑借其先進的技術和豐富的特性，在眾多應用場景中展現出了卓越的性能。下面我們就來詳細了解一下HCS410的相關特性、工作模式及典型應用。

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一、HCS410特性概覽

（一）安全特性

HCS410在安全方面表現出色，擁有多種保障機制。它具備兩個可編程的64位編碼器密鑰，通過16/32位雙向挑戰與響應機制實現高安全性通信，每次傳輸長度為69位。采用32位單向代碼跳變技術，且有37位非加密部分。編碼器密鑰具有讀取保護功能，還設有可編程的28/32位序列號和60/64位、受讀取保護的種子值，用于安全學習。同時，它支持三種IFF加密算法、延遲遞增機制，采用異步應答器通信和排隊信息傳輸，確保數據傳輸的安全性和可靠性。

（二）運行特性

在運行方面，HCS410的工作電壓范圍為2.0V - 6.6V，編碼器可在13V下單獨運行。擁有三個開關輸入（S2、S1、S0），可實現七種功能，還支持無電池雙向應答器。用戶可選擇波特率和代碼字消隱功能，具備自動代碼字完成功能，能傳輸電池電量低信號，采用非易失性同步方式，支持PWM或曼徹斯特RF編碼，可實現發射器與應答器的組合操作，具備多個應答器的防沖突功能、無源接近激活功能，設備還能防止電池反接，并且為高Q值LC電路提供智能阻尼。

（三）其他特性

非加密部分的37位包含28/32位序列號、4/0位功能代碼、1位電池電量低指示、2位CRC和2位隊列信息。它具有簡單的編程接口，片上設有可調RC振蕩器（±10%）和EEPROM，在應答器模式下有64位用戶EEPROM，還具備電池電量低LED指示和SQTP序列化快速編程功能，封裝形式有8引腳PDIP/SOIC/TSSOP和裸片可選。

二、系統關鍵概念解讀

（一）重要術語

在理解HCS410的工作原理之前，我們需要了解一些關鍵術語?！胺罌_突”功能允許兩個應答器同時處于有效范圍內并能獨立驗證；“CH模式”即代碼跳變模式，每次激活HCS410會傳輸69位數據，且每次編碼器激活時至少有32位發生變化；“編碼器密鑰”是在制造過程中生成并編程到編碼器中的唯一64位密鑰，控制加密算法并存儲在EEPROM中；“IFF”用于驗證令牌，解碼器向令牌發送隨機挑戰并檢查響應；“KEELOQ加密算法”是基于32位塊長度和64位密鑰長度的分組密碼加密算法，安全性高；“學習”分為正常學習和安全學習兩種策略；“制造商代碼”是每個制造商獨有的64位字，用于生成唯一的編碼器密鑰；“無源接近激活”指HCS410在沒有基站命令的情況下進入磁場時可被編程進行RF傳輸；“傳輸代碼”是在進行感應編程前必須提供的32位代碼，防止意外編程。

（二）KEELOQ代碼跳變編碼器

HCS410作為代碼跳變編碼器，非常適合用于無鑰匙進入系統，如車輛和家用車庫門開啟器。傳統無鑰匙進入系統存在代碼重復和組合數量有限的問題，容易被不法分子利用。而HCS410采用KEELOQ代碼跳變技術和加密算法，每次按鍵時傳輸的代碼都不同，結合69位的傳輸長度，有效避免了代碼“抓取”和“掃描”。在使用前，需要向其小型EEPROM陣列加載多個參數，包括唯一的28/32位序列號、64位種子值、生產時生成的64位編碼器密鑰、16位同步計數器值和配置選項。其中，16位同步計數器值是代碼跳變的基礎，每次按鍵時更新，其一位的變化會使實際傳輸代碼發生很大改變。

（三）KEELOQ IFF

HCS410還可作為IFF應答器用于驗證令牌，在驗證鑰匙以解除車輛防盜器方面具有理想的應用效果。在IFF模式下，解碼器向令牌發送隨機挑戰，令牌生成響應并發送給解碼器，解碼器進行比較驗證。HCS410支持16或32位IFF，擁有兩種加密算法和最多兩個編碼器密鑰，通常每個設備會編程獨特的編碼器密鑰。在該模式下，HCS410等待基站命令并做出響應，不同的16或32位挑戰會根據使用的IFF密鑰和算法產生唯一的16/32位響應。

三、設備工作模式分析

（一）引腳說明

HCS410的引腳布局與KEELOQ系列其他設備基本相同，但有兩個引腳用于應答器操作，LED位于與S2開關輸入相同的位置。S[0:1]是帶有施密特觸發器檢測器和內部60kΩ下拉電阻的輸入；S2/LED使用與S0/S1相同的輸入檢測電路，但增加了一個連接到VDD的PMOS晶體管，可驅動LED；LC[0:1]是應答器接口引腳，連接到LC電路進行感應通信，LC0連接數據輸入檢測器，數據輸出通過兩個NMOS晶體管將LC0和LC1接地實現，同時這兩個引腳還連接到整流器和穩壓器，為邏輯電路供電并為外部電源充電。

（二）代碼跳變模式（CH模式）

在CH模式下，HCS410檢測到開關閉合后喚醒，延遲約30ms進行消抖。同步計數器值、固定信息和開關信息經過加密形成代碼跳變部分，每次按鍵時該部分都會改變。長時間按下按鈕會持續傳輸相同代碼字，直到按鈕釋放或超時。已傳輸的代碼在超過64K次傳輸后才會再次出現，編碼器中的溢出信息可使解碼器將唯一傳輸數量擴展到超過192K次。在傳輸過程中，如果檢測到新按鈕被按下，會立即強制復位并中斷代碼字傳輸；如果按鈕被移除，除非沒有按鈕按下，否則對當前代碼字沒有影響。若在2秒內再次按下相同按鈕組合，當前傳輸將被中止并開始新的傳輸。

1. 傳輸數據格式

HCS410的傳輸數據由前導碼、頭部、加密數據和固定數據組成，實際數據為69位，包括32位加密數據和37位固定數據。每次傳輸后有保護期，不同部分的組合使代碼組合數量達到(1.47 ×10^{20})。加密數據由4位功能位、2位溢出位、10位鑒別位和16位同步計數器值生成；非加密代碼數據由2位QUE位、2位CRC位、1位VLOW位、4位功能位和28位序列號組成，若選擇擴展序列號（32位），則不傳輸4位功能代碼位。

2. 傳輸數據模塊

數據調制格式可選擇脈寬調制（PWM）或曼徹斯特編碼，兩種格式都有前導碼和同步頭，然后是69位數據。曼徹斯特編碼每個代碼字有前導和結尾的‘1’。只要輸入引腳保持高電平，相同的代碼字就會連續發送，代碼字之間有保護時間，所有時間值都是基本定時元素（TE）的倍數，可通過波特率選項位更改。

3. CH模式特殊功能

- **代碼字完成**：自動確保整個代碼字傳輸完成，即使按鈕在傳輸過程中釋放。如果配置字中設置了MTX3，激活HCS410時至少會傳輸三次。如果按鈕釋放時已傳輸少于七個字，會完成當前字；若超過七個字，PWM輸出會立即關閉。
- **代碼字消隱啟用**：用于降低傳輸的平均功率，符合FCC規定。通過最小化單個位的占空比和消除連續字，可減少平均功率，使設備更容易獲得FCC批準。HCS410根據所選波特率和代碼字消隱選項，可傳輸所有代碼字、每兩個中的一個或每四個中的一個。
- **CRC（循環冗余校驗）位**：根據之前傳輸的65位數據計算得出，可用于接收器在處理數據前檢查數據完整性，能檢測所有單比特錯誤和66%的雙比特錯誤。
- **種子傳輸**：為提高系統安全性，接收器可利用HCS410中存儲在EEPROM的種子值實現安全學習功能，種子值與序列號之間應無數學關系以確保最佳安全性。
- **無源接近激活**：當HCS410進入磁場時進入IFF模式，在LC線上發送ACK脈沖。若在50ms內未收到響應，且配置字中設置了XPRF，會在2秒內傳輸正常代碼跳變信號。
- **自動關機**：若按鈕長時間意外按下，自動關機功能會自動停止設備傳輸，防止電池耗盡，超時時間約為20秒。
- **VLOW：電壓低指示**：每次傳輸都會攜帶VLOW位，當工作電壓低于低電壓觸發點（約2.2V或4.4V，可在25°C時選擇）時，VLOW位被設置，接收器可向用戶指示發射器電池電量低。
- **QUE0:QUE1: 排隊信息**：如果按鈕按下、釋放超過30ms并在2秒內再次按下，QUE計數器遞增，當前傳輸中止并開始新的傳輸。解碼器可根據這些位執行二次功能，例如根據QUE位設置解鎖不同車門。
- **LED輸出**：S2/LED線可在HCS410傳輸時驅動LED。當配置字中啟用該選項時，傳輸時S2線會周期性拉高。當電源電壓高于VLOW位指示的水平時，LED以30ms開啟、480ms關閉的占空比工作；當電壓低于該水平時，傳輸開始時LED點亮200ms，其余時間熄滅。
- **延遲遞增**：HCS410具有延遲遞增功能，在最后一次按鍵后20秒將計數器遞增12。如果在20秒內再次按鍵，20秒超時重置，隊列計數器遞增。按鈕釋放超過2秒后，隊列計數器清零，該功能可避免最新的干擾 - 代碼抓取攻擊。
- **其他可配置選項**：包括傳輸速率選擇和擴展序列號，這些選項在使用中提供了更多的靈活性。

（三）IFF模式

IFF模式允許解碼器進行IFF驗證、寫入用戶EEPROM和讀取用戶EEPROM。有IFF1和IFF2兩種模式，IFF1只允許使用一個密鑰，IFF2允許使用兩個密鑰，且啟用IFF2時不允許種子傳輸。HCS410可以不使用磁場耦合作為IFF令牌，直接連接到解碼器數據線，從數據線獲取電源，通信方式與應答器模式相同。

1. IFF模式激活

當電容/電感諧振電路在LC0上產生大于約1.0伏的電壓時，HCS410進入IFF模式。在電源驗證和正常復位期結束后，設備通過在DATA線（LC0/1）上發送脈沖進行響應，直到收到持續時間為2TE的啟動信號終止脈沖序列，然后進入IFF模式，等待接收“操作碼”和0/16/32位數據流。數據速率（TE）由配置字中的TBSL位確定。

2. IFF解碼器命令

邏輯1和0通過兩個上升沿之間的時間區分，長脈沖表示1，短脈沖表示0。解碼器命令和波形有明確的時間參數，如時間元素、PPM命令位時間、PPM響應位時間等，這些參數確保了通信的準確性。

3. HCS410響應

HCS410的響應采用PPM格式，每個響應前有“2位前導碼 (01)”，然后是16/32位數據。對16/32位挑戰的響應只傳輸一次，之后設備準備接受另一個命令，讀取命令的結果也是如此。操作碼指定了挑戰長度和使用的算法。

4. IFF寫入

解碼器可以向EEPROM中的USER[0:3]、SER[0:1]和配置字寫入數據。HCS410將數據寫入EEPROM后，會在LC引腳給出兩個確認脈沖。在寫入序列號或配置字時，用戶必須先發送傳輸代碼。

四、典型應用場景

HCS410的應用場景十分廣泛，涵蓋了汽車、安防和門禁等多個領域。在汽車領域，可用于汽車遠程進入系統、汽車報警系統和汽車防盜器；在門禁方面，適用于大門和車庫開啟器、電子門鎖（家庭/辦公室/酒店）；還可用于防盜報警系統和接近式訪問控制等。

總之，HCS410憑借其出色的安全特性、豐富的功能和靈活的工作模式，為各種安全進入系統提供了可靠的解決方案。作為電子工程師，我們在設計相關系統時，應充分考慮HCS410的特點和優勢，靈活運用其功能，以滿足不同應用場景的需求。大家在實際應用中是否遇到過與HCS410相關的問題呢？又有哪些獨特的使用經驗可以分享呢？歡迎在評論區交流討論。