HCS200：適用于遠(yuǎn)程無(wú)鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)的代碼跳變編碼器

作為一名電子工程師，在設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程無(wú)鑰匙進(jìn)入（RKE）系統(tǒng)時(shí)，安全和成本是兩個(gè)關(guān)鍵的考慮因素。今天，我要給大家介紹一款來(lái)自Microchip Technology Inc.的編碼器——HCS200，它采用了KEELOQ? 代碼跳變技術(shù)，在安全性和成本上取得了很好的平衡，非常適合RKE系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

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1. 關(guān)鍵特性

1.1 安全性高

• 可編程序列號(hào)和加密密鑰：HCS200擁有可編程的28位序列號(hào)和64位加密密鑰，這為每個(gè)設(shè)備提供了獨(dú)特的身份標(biāo)識(shí)，大大增加了破解的難度。
• 代碼跳變技術(shù)：每次傳輸?shù)拇a都是唯一的，采用66位傳輸代碼長(zhǎng)度和32位跳變代碼，有效防止了代碼掃描和捕獲重發(fā)攻擊。而且，即使傳輸信息只有一位不同，編碼后的傳輸也會(huì)完全不同，統(tǒng)計(jì)顯示32位信息串中僅一位改變，編碼傳輸位的變化會(huì)超過(guò)50%。
• 加密密鑰讀取保護(hù)：加密密鑰存儲(chǔ)在EEPROM中，具有讀取保護(hù)功能，只有在自動(dòng)擦除和編程操作后才能驗(yàn)證數(shù)據(jù)，防止密鑰被盜取或同步值被篡改。

1.2 工作特性優(yōu)越

• 寬電壓范圍：該編碼器可在3.5 - 13.0V的寬電壓范圍內(nèi)工作，適應(yīng)不同的電源環(huán)境。
• 多按鈕輸入：具備三個(gè)按鈕輸入，最多可實(shí)現(xiàn)七種功能，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了更多的靈活性。
• 可選波特率：用戶可以根據(jù)實(shí)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(dòng)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(guò)程中按下新按鈕，當(dāng)前傳輸會(huì)立即中止并開始新的傳輸。
• 低電量信號(hào)傳輸：能夠?qū)⒌碗娏啃盘?hào)發(fā)送到接收器，方便用戶及時(shí)更換電池。
• 非易失性同步數(shù)據(jù)：同步數(shù)據(jù)不會(huì)因斷電而丟失，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1.3 其他優(yōu)點(diǎn)

• 易于使用的編程接口：提供了簡(jiǎn)單易用的串行接口，方便用戶對(duì)必要的密鑰、系統(tǒng)參數(shù)和配置數(shù)據(jù)進(jìn)行編程。
• 片上資源豐富：集成了EEPROM、振蕩器和定時(shí)組件，減少了外部元件的使用，降低了系統(tǒng)成本。
• 按鈕輸入具有內(nèi)部下拉電阻：簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的可靠性。

2. 典型應(yīng)用

HCS200非常適合用于各種遠(yuǎn)程無(wú)鑰匙進(jìn)入應(yīng)用，如汽車RKE系統(tǒng)、汽車報(bào)警系統(tǒng)、汽車防盜器、門禁和車庫(kù)門開啟器、身份令牌、防盜報(bào)警系統(tǒng)等。它可以有效替代傳統(tǒng)的固定代碼設(shè)備，為這些系統(tǒng)提供更高的安全性。

3. 系統(tǒng)概述

3.1 關(guān)鍵術(shù)語(yǔ)

在理解HCS200的工作原理之前，我們需要了解一些關(guān)鍵術(shù)語(yǔ)，如RKE（遠(yuǎn)程無(wú)鑰匙進(jìn)入）、代碼跳變、碼字、傳輸、加密密鑰、編碼器、解碼器等。這些術(shù)語(yǔ)在整個(gè)數(shù)據(jù)手冊(cè)中頻繁出現(xiàn)，是理解系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

3.2 工作原理

• 編碼器：HCS200通過(guò)非線性加密算法生成32位跳變代碼，并將其與28位序列號(hào)和6位信息位結(jié)合，形成66位碼字。按下按鈕后，編碼器會(huì)更新同步計(jì)數(shù)器，并使用加密密鑰對(duì)同步計(jì)數(shù)器、判別值和按鈕信息進(jìn)行加密，生成跳變代碼。
• 解碼器：解碼器通常是一個(gè)帶有兼容固件的微控制器。在使用前，解碼器需要“學(xué)習(xí)”發(fā)射器的信息，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。在正常運(yùn)行時(shí)，解碼器會(huì)對(duì)接收到的消息進(jìn)行評(píng)估，驗(yàn)證序列號(hào)、解密消息、驗(yàn)證同步計(jì)數(shù)器，并根據(jù)按鈕狀態(tài)執(zhí)行相應(yīng)的操作。

4. 編碼器操作

HCS200的使用非常簡(jiǎn)單，只需要添加按鈕和RF電路即可作為發(fā)射器使用。按下按鈕后，編碼器會(huì)喚醒并進(jìn)行約10ms的按鈕消抖，然后更新同步信息并進(jìn)行加密，最后將碼字發(fā)送出去。在傳輸過(guò)程中，如果檢測(cè)到新按鈕被按下，會(huì)立即復(fù)位并開始新的傳輸。

5. EEPROM 內(nèi)存組織

HCS200包含192位（12 x 16位字）的EEPROM內(nèi)存，用于存儲(chǔ)加密密鑰、同步值、序列號(hào)等重要信息。不同的地址存儲(chǔ)不同的參數(shù)，如64位加密密鑰、16位同步計(jì)數(shù)器、28位序列號(hào)、32位種子字和16位配置字等。這些參數(shù)的設(shè)置和管理對(duì)于系統(tǒng)的正常運(yùn)行至關(guān)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(dǎo)碼、頭部、32位加密數(shù)據(jù)和34位固定數(shù)據(jù)組成，后面還有一個(gè)保護(hù)周期。每個(gè)碼字的傳輸都有嚴(yán)格的時(shí)間要求，具體參數(shù)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(shù)據(jù)由4位按鈕位、12位判別位和16位同步值生成，提供了多達(dá)40億種變化的代碼組合；34位的固定代碼數(shù)據(jù)由1位狀態(tài)位、1位固定位、4位按鈕位和28位序列號(hào)組成，兩者結(jié)合使代碼組合數(shù)達(dá)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(guò)執(zhí)行特定的編程模式啟動(dòng)序列，可以使用外部時(shí)鐘控制碼字的輸出。在這種模式下，除了PWM數(shù)據(jù)串的時(shí)序由外部控制外，還會(huì)在碼字末尾傳輸16個(gè)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(gè)按鈕，當(dāng)前傳輸會(huì)中止并開始新的傳輸。

7.2 間隔碼字屏蔽

通過(guò)屏蔽交替碼字，可以減少傳輸?shù)恼伎毡?，降低平均功率，同時(shí)在滿足FCC規(guī)定的情況下，允許用戶發(fā)送更高幅度的傳輸信號(hào)。

7.3 種子傳輸

當(dāng)同時(shí)按下三個(gè)按鈕時(shí)，會(huì)發(fā)送存儲(chǔ)在EEPROM中的32位種子值，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，提高系統(tǒng)的安全性。

7.4 低電壓指示

VLOW信號(hào)會(huì)在每次傳輸中發(fā)送，當(dāng)工作電壓低于低電壓跳變點(diǎn)時(shí)，該位會(huì)變?yōu)榱?，提醒用戶發(fā)射器電池電量低。

8. 編程方法

在使用HCS200之前，用戶需要對(duì)其進(jìn)行編程，包括設(shè)置序列號(hào)、加密密鑰等參數(shù)。編程過(guò)程通過(guò)將PWM線拉高來(lái)啟動(dòng)，然后按照一定的時(shí)序?qū)?92位數(shù)據(jù)以串行數(shù)據(jù)流的形式輸入到EEPROM中。編程完成后，可以通過(guò)讀取EEPROM來(lái)驗(yàn)證數(shù)據(jù)。需要注意的是，為了確保安全，必須先編程EEPROM才能執(zhí)行驗(yàn)證功能，且驗(yàn)證操作必須在編程周期之后立即進(jìn)行。

9. 系統(tǒng)集成

9.1 發(fā)射器學(xué)習(xí)

在系統(tǒng)中使用發(fā)射器之前，解碼器需要“學(xué)習(xí)”發(fā)射器的信息。典型的學(xué)習(xí)序列包括接收和驗(yàn)證第一次傳輸、生成加密密鑰、解密消息、驗(yàn)證判別值、接收和驗(yàn)證第二次傳輸、驗(yàn)證同步計(jì)數(shù)器值的順序性等步驟。如果學(xué)習(xí)成功，解碼器會(huì)存儲(chǔ)發(fā)射器的序列號(hào)、當(dāng)前同步計(jì)數(shù)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(hào)、解密消息、驗(yàn)證判別值、評(píng)估同步值等步驟。如果傳輸來(lái)自已學(xué)習(xí)的發(fā)射器且解密有效，解碼器會(huì)根據(jù)按鈕狀態(tài)執(zhí)行相應(yīng)的操作。

9.3 同步機(jī)制

HCS200采用了一種復(fù)雜的同步技術(shù)，通過(guò)一個(gè)三分區(qū)的旋轉(zhuǎn)同步窗口來(lái)確保系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。該窗口包括16個(gè)代碼的單操作窗口、最多32K個(gè)代碼的雙操作（重同步）窗口和一個(gè)屏蔽窗口。當(dāng)接收到的同步計(jì)數(shù)器值在不同的窗口內(nèi)時(shí)，解碼器會(huì)采取不同的處理方式。

10. 開發(fā)支持

Microchip為PIC?微控制器和dsPIC?數(shù)字信號(hào)控制器提供了全方位的軟件和硬件開發(fā)工具，包括集成開發(fā)環(huán)境（MPLAB? IDE）、編譯器、匯編器、鏈接器、模擬器、仿真器、在線調(diào)試器、設(shè)備編程器等。這些工具可以幫助工程師快速開發(fā)和調(diào)試基于HCS200的系統(tǒng)。

11. 電氣特性

文檔中詳細(xì)列出了HCS200的絕對(duì)最大額定值、直流特性、碼字時(shí)序等電氣參數(shù)。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(shè)計(jì)電路時(shí)需要根據(jù)這些參數(shù)合理選擇外部元件，確保系統(tǒng)的正常運(yùn)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(xì)的封裝標(biāo)記信息和尺寸參數(shù)，方便工程師進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)。

總結(jié)

HCS200是一款非常優(yōu)秀的代碼跳變編碼器，它結(jié)合了高安全性、低功耗、低成本和易于使用等優(yōu)點(diǎn)，非常適合用于各種遠(yuǎn)程無(wú)鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。作為電子工程師，我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)可以充分利用其特性，開發(fā)出更加安全、可靠的產(chǎn)品。同時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中，我們還需要注意編程、學(xué)習(xí)和同步等方面的細(xì)節(jié)，確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行。大家在使用HCS200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。