探秘HCS301：安全可靠的代碼跳變編碼器

在電子工程領域，安全可靠的遠程無鑰匙進入（RKE）系統(tǒng)一直是研究和開發(fā)的重點。Microchip Technology Inc.推出的HCS301代碼跳變編碼器，憑借其先進的KEELOQ?技術和卓越的性能，成為了RKE系統(tǒng)的理想選擇。今天，我們就來深入了解一下這款編碼器。

文件下載：HCS301-I/P.pdf

一、HCS301的特性亮點

1. 高度安全

HCS301具備可編程的28位序列號和64位加密密鑰，每個傳輸都是獨一無二的，66位的傳輸代碼長度有效防止了代碼掃描和重放攻擊。加密密鑰具有讀取保護功能，大大提高了系統(tǒng)的安全性。

2. 靈活操作

它的工作電壓范圍為3.5V - 13.0V，有四個按鈕輸入，無需額外的電路，提供15種功能，可選擇波特率，還能自動完成代碼字傳輸。同時，它能向接收器發(fā)送電池電量低的信號，并通過LED指示電池狀態(tài)，其非易失性同步數據也確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3. 設計優(yōu)勢

HCS301在功能上與HCS300相同，擁有易于使用的編程接口、片上EEPROM、片上振蕩器和定時組件。按鈕輸入帶有內部下拉電阻，LED輸出具有限流功能，外部組件成本低。

二、典型應用場景

HCS301非常適合用于各種遠程無鑰匙進入應用，如汽車RKE系統(tǒng)、汽車報警系統(tǒng)、汽車防盜器、大門和車庫門開啟器、身份令牌以及防盜報警系統(tǒng)等。

三、工作原理剖析

1. 系統(tǒng)概述

HCS301采用KEELOQ?代碼跳變技術，將32位跳變代碼與28位序列號和6位信息位組合成66位代碼字。代碼字長度消除了代碼掃描的威脅，跳變機制使每次傳輸都不同，讓代碼捕獲和重發(fā)方案失效。

2. 關鍵術語解釋

• RKE：遠程無鑰匙進入。
• 按鈕狀態(tài)：指示激活傳輸的按鈕輸入。
• 代碼跳變：代碼在每次傳輸時看似隨機變化。
• 代碼字：按鈕激活時重復傳輸的數據塊。
• 傳輸：由重復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擾的方法。
• 解碼器：解碼從編碼器接收的數據的設備。
• 解密算法：使用相同加密密鑰對加密數據進行解擾的方法。
• 學習：接收器計算發(fā)射器的加密密鑰，解密跳變代碼，并將序列號、同步計數器值和加密密鑰存儲在EEPROM中。
• 制造商代碼：用于生成唯一編碼器加密密鑰的64位唯一秘密數字。

  3. 代碼字生成

  編碼器檢測到按鈕按下后，讀取按鈕輸入并更新同步計數器。同步計數器和加密密鑰輸入到加密算法，輸出32位加密信息，與按鈕信息和序列號組合形成傳輸到接收器的代碼字。

四、設備操作細節(jié)

1. 引腳功能

HCS301的引腳功能明確，包括開關輸入、接地參考、PWM輸出、LED連接和電源供應等。在使用時，當VDD > 9.0V且驅動低電容負載時，應在VDD線路中使用最小50Ω的電阻，以防止PWM過沖時在9.0V處鉗位。

2. 工作流程

HCS301檢測到按鈕按下后會喚醒，延遲約10ms進行按鈕去抖。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部分都會改變。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被按下，將立即復位，當前代碼字不會完成。

五、EEPROM內存組織

HCS301包含192位（12 x 16位字）的EEPROM內存，用于存儲加密密鑰信息、同步值等。

1. 64位加密密鑰

用于創(chuàng)建傳輸到接收器的加密消息，通過密鑰生成算法計算和編程，輸入通常為發(fā)射器的序列號和64位制造商代碼。

2. 同步計數器

16位同步值，每次傳輸后遞增，是傳輸代碼字變化的基礎。

3. 序列號

SER_0和SER_1分別是設備序列號的低位和高位字，僅傳輸低28位，序列號對每個發(fā)射器都是唯一的。最高位可用于啟用或禁用自動關機定時器。

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。

5. 配置字

16位配置字用于存儲加密過程中的信息和選項配置狀態(tài)，包括判別值、溢出位、波特率選擇位和低電壓跳變點選擇位。

六、特殊功能解析

1. 代碼字完成

確保整個代碼字被傳輸，即使按鈕在代碼字完成前釋放。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，當前傳輸將中止，開始新的傳輸。

2. LED輸出操作

正常傳輸時LED輸出為低電平，當電源電壓低于低電壓跳變點時，LED輸出將以約5Hz的頻率切換。

3. 重復指示

第一個傳輸字的RPT位為低電平，如果按鈕按下時間超過一個傳輸代碼字，該位將置位，直到按鈕釋放。

4. 電壓低指示

VLOW信號用于向接收器指示發(fā)射器電池電量低，該位包含在每次傳輸中。

5. 自動關機

自動關機功能可防止按鈕長時間按下導致電池耗盡，可通過設置或清除自動關機位來啟用或禁用該功能，超時時間約為25秒。

6. 種子傳輸

通過按下所有三個按鈕輸入，可傳輸存儲在EEPROM中的種子值，用于實現安全學習功能。

7. 空白交替代碼字

可通過選擇波特率選擇位BSL0來減少傳輸的平均功率，通過只傳輸每隔一個代碼字來降低傳輸占空比。

七、編程與系統(tǒng)集成

1. 編程過程

使用HCS301時，需要將序列號和密鑰等參數編程到設備中。編程周期允許用戶以串行數據流輸入192位數據，存儲在內部EEPROM中。編程通過將PWM線拉高啟動，完成自動批量寫入周期后，通過S2（或S3）作為時鐘線，PWM作為數據線逐字編程。編程完成后可進行驗證，但驗證操作必須在編程周期后立即進行。

2. 系統(tǒng)集成

HCS301需要一個兼容的解碼器，通常是帶有兼容固件的微控制器。Microchip提供接受HCS301傳輸并解密跳變代碼的固件例程。發(fā)射器必須先被接收器“學習”，接收器需要存儲發(fā)射器的序列號、同步計數器值和加密密鑰。在正常操作中，接收器接收并驗證傳輸，根據按鈕狀態(tài)執(zhí)行相應操作。

八、開發(fā)支持與電氣特性

1. 開發(fā)支持

Microchip為PIC?微控制器和dsPIC?數字信號控制器提供了一系列軟件和硬件開發(fā)工具，包括集成開發(fā)環(huán)境、編譯器、模擬器、仿真器、調試器、編程器以及各種開發(fā)板和評估套件。

2. 電氣特性

HCS301的絕對最大額定值包括電源電壓、輸入電壓、輸出電壓、最大輸出電流、存儲溫度、引腳焊接溫度和ESD額定值等。其直流特性包括工作電流、待機電流、輸入輸出電壓、LED吸收電流和下拉電阻等。

九、總結

HCS301代碼跳變編碼器以其高度的安全性、靈活的操作和豐富的功能，為遠程無鑰匙進入系統(tǒng)提供了可靠的解決方案。在實際應用中，電子工程師可以根據具體需求，合理配置和使用HCS301，充分發(fā)揮其優(yōu)勢，打造安全、高效的RKE系統(tǒng)。你在使用HCS301或類似編碼器時遇到過哪些問題？又是如何解決的呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經驗和見解。