HCS410：安全高效的代碼跳變應(yīng)答器設(shè)備

在電子安全領(lǐng)域，對于安全進入系統(tǒng)的需求日益增長，HCS410作為一款專為安全進入系統(tǒng)設(shè)計的代碼跳變應(yīng)答器設(shè)備，憑借其先進的技術(shù)和豐富的特性，在眾多應(yīng)用場景中展現(xiàn)出了卓越的性能。下面我們就來詳細了解一下HCS410的相關(guān)特性、工作模式及典型應(yīng)用。

文件下載：HCS410-I/P.pdf

一、HCS410特性概覽

（一）安全特性

HCS410在安全方面表現(xiàn)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(zhàn)與響應(yīng)機制實現(xiàn)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(shù)，且有37位非加密部分。編碼器密鑰具有讀取保護功能，還設(shè)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(yīng)答器通信和排隊信息傳輸，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院涂煽啃浴?/p>

（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(guān)輸入（S2、S1、S0），可實現(xiàn)七種功能，還支持無電池雙向應(yīng)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(xiàn)發(fā)射器與應(yīng)答器的組合操作，具備多個應(yīng)答器的防沖突功能、無源接近激活功能，設(shè)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(shè)有可調(diào)RC振蕩器（±10%）和EEPROM，在應(yīng)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(tǒng)關(guān)鍵概念解讀

（一）重要術(shù)語

在理解HCS410的工作原理之前，我們需要了解一些關(guān)鍵術(shù)語?！胺罌_突”功能允許兩個應(yīng)答器同時處于有效范圍內(nèi)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(shù)據(jù)，且每次編碼器激活時至少有32位發(fā)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(fā)送隨機挑戰(zhàn)并檢查響應(yīng)；“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(yīng)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(tǒng)，如車輛和家用車庫門開啟器。傳統(tǒng)無鑰匙進入系統(tǒng)存在代碼重復(fù)和組合數(shù)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(shù)和加密算法，每次按鍵時傳輸?shù)拇a都不同，結(jié)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(shù)，包括唯一的28/32位序列號、64位種子值、生產(chǎn)時生成的64位編碼器密鑰、16位同步計數(shù)器值和配置選項。其中，16位同步計數(shù)器值是代碼跳變的基礎(chǔ)，每次按鍵時更新，其一位的變化會使實際傳輸代碼發(fā)生很大改變。

（三）KEELOQ IFF

HCS410還可作為IFF應(yīng)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(yīng)用效果。在IFF模式下，解碼器向令牌發(fā)送隨機挑戰(zhàn)，令牌生成響應(yīng)并發(fā)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(shè)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(yīng)，不同的16或32位挑戰(zhàn)會根據(jù)使用的IFF密鑰和算法產(chǎn)生唯一的16/32位響應(yīng)。

三、設(shè)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(shè)備基本相同，但有兩個引腳用于應(yīng)答器操作，LED位于與S2開關(guān)輸入相同的位置。S[0:1]是帶有施密特觸發(fā)器檢測器和內(nèi)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(qū)動LED；LC[0:1]是應(yīng)答器接口引腳，連接到LC電路進行感應(yīng)通信，LC0連接數(shù)據(jù)輸入檢測器，數(shù)據(jù)輸出通過兩個NMOS晶體管將LC0和LC1接地實現(xiàn)，同時這兩個引腳還連接到整流器和穩(wěn)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(guān)閉合后喚醒，延遲約30ms進行消抖。同步計數(shù)器值、固定信息和開關(guān)信息經(jīng)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(xù)傳輸相同代碼字，直到按鈕釋放或超時。已傳輸?shù)拇a在超過64K次傳輸后才會再次出現(xiàn)，編碼器中的溢出信息可使解碼器將唯一傳輸數(shù)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(fù)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(nèi)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(shù)據(jù)格式

HCS410的傳輸數(shù)據(jù)由前導碼、頭部、加密數(shù)據(jù)和固定數(shù)據(jù)組成，實際數(shù)據(jù)為69位，包括32位加密數(shù)據(jù)和37位固定數(shù)據(jù)。每次傳輸后有保護期，不同部分的組合使代碼組合數(shù)量達到(1.47 ×10^{20})。加密數(shù)據(jù)由4位功能位、2位溢出位、10位鑒別位和16位同步計數(shù)器值生成；非加密代碼數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)模塊

數(shù)據(jù)調(diào)制格式可選擇脈寬調(diào)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(shù)據(jù)。曼徹斯特編碼每個代碼字有前導和結(jié)尾的‘1’。只要輸入引腳保持高電平，相同的代碼字就會連續(xù)發(fā)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(shù)，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(shè)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(guān)閉。
- **代碼字消隱啟用**：用于降低傳輸?shù)钠骄β剩螰CC規(guī)定。通過最小化單個位的占空比和消除連續(xù)字，可減少平均功率，使設(shè)備更容易獲得FCC批準。HCS410根據(jù)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(huán)冗余校驗）位**：根據(jù)之前傳輸?shù)?5位數(shù)據(jù)計算得出，可用于接收器在處理數(shù)據(jù)前檢查數(shù)據(jù)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(tǒng)安全性，接收器可利用HCS410中存儲在EEPROM的種子值實現(xiàn)安全學習功能，種子值與序列號之間應(yīng)無數(shù)學關(guān)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(fā)送ACK脈沖。若在50ms內(nèi)未收到響應(yīng)，且配置字中設(shè)置了XPRF，會在2秒內(nèi)傳輸正常代碼跳變信號。
- **自動關(guān)機**：若按鈕長時間意外按下，自動關(guān)機功能會自動停止設(shè)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(fā)點（約2.2V或4.4V，可在25°C時選擇）時，VLOW位被設(shè)置，接收器可向用戶指示發(fā)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(nèi)再次按下，QUE計數(shù)器遞增，當前傳輸中止并開始新的傳輸。解碼器可根據(jù)這些位執(zhí)行二次功能，例如根據(jù)QUE位設(shè)置解鎖不同車門。
- **LED輸出**：S2/LED線可在HCS410傳輸時驅(qū)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(guān)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(shù)器遞增12。如果在20秒內(nèi)再次按鍵，20秒超時重置，隊列計數(shù)器遞增。按鈕釋放超過2秒后，隊列計數(shù)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(shù)據(jù)線，從數(shù)據(jù)線獲取電源，通信方式與應(yīng)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(chǎn)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(fù)位期結(jié)束后，設(shè)備通過在DATA線（LC0/1）上發(fā)送脈沖進行響應(yīng)，直到收到持續(xù)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(shù)據(jù)流。數(shù)據(jù)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(qū)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(shù)，如時間元素、PPM命令位時間、PPM響應(yīng)位時間等，這些參數(shù)確保了通信的準確性。

3. HCS410響應(yīng)

HCS410的響應(yīng)采用PPM格式，每個響應(yīng)前有“2位前導碼 (01)”，然后是16/32位數(shù)據(jù)。對16/32位挑戰(zhàn)的響應(yīng)只傳輸一次，之后設(shè)備準備接受另一個命令，讀取命令的結(jié)果也是如此。操作碼指定了挑戰(zhàn)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(shù)據(jù)。HCS410將數(shù)據(jù)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(fā)送傳輸代碼。

四、典型應(yīng)用場景

HCS410的應(yīng)用場景十分廣泛，涵蓋了汽車、安防和門禁等多個領(lǐng)域。在汽車領(lǐng)域，可用于汽車遠程進入系統(tǒng)、汽車報警系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)提供了可靠的解決方案。作為電子工程師，我們在設(shè)計相關(guān)系統(tǒng)時，應(yīng)充分考慮HCS410的特點和優(yōu)勢，靈活運用其功能，以滿足不同應(yīng)用場景的需求。大家在實際應(yīng)用中是否遇到過與HCS410相關(guān)的問題呢？又有哪些獨特的使用經(jīng)驗可以分享呢？歡迎在評論區(qū)交流討論。