深入解析Microchip HCS500 KEELOQ? 代碼跳變解碼器

在電子工程師的日常工作中，安全可靠的遠(yuǎn)程無(wú)鑰匙進(jìn)入（RKE）系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)重要任務(wù)。Microchip 的 HCS500 KEELOQ? 代碼跳變解碼器為這一領(lǐng)域提供了強(qiáng)大的解決方案。今天，我們就來(lái)深入了解一下這款解碼器的特點(diǎn)、工作原理和應(yīng)用。

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一、HCS500 概述

1.1 產(chǎn)品特性

HCS500 具有諸多出色的特性，使其在安全領(lǐng)域表現(xiàn)卓越。

• 安全性：它采用加密存儲(chǔ)制造商代碼和加密密鑰的方式，增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性。同時(shí)，支持最多學(xué)習(xí)七個(gè)發(fā)射器，并運(yùn)用 KEELOQ 代碼跳變技術(shù)，以及具備正常和安全學(xué)習(xí)機(jī)制，有效防止代碼被破解。
• 操作特性：工作電壓范圍為 3.0V - 5.5V，內(nèi)部集成振蕩器，還能自動(dòng)檢測(cè)比特率，適應(yīng)不同的工作環(huán)境。
• 其他特性：作為獨(dú)立解碼器芯片組，配備外部 EEPROM 用于存儲(chǔ)發(fā)射器信息，具有同步串行接口和 1Kbit 用戶 EEPROM，采用 8 - Pin PDIP/SOIJ 封裝，方便進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。

1.2 典型應(yīng)用

HCS500 的應(yīng)用范圍廣泛，涵蓋了汽車(chē)遠(yuǎn)程進(jìn)入系統(tǒng)、汽車(chē)報(bào)警系統(tǒng)、汽車(chē)防盜器、門(mén)禁和車(chē)庫(kù)開(kāi)門(mén)器、電子門(mén)鎖、身份令牌以及防盜報(bào)警系統(tǒng)等領(lǐng)域，為各種安全應(yīng)用提供了可靠的保障。

二、系統(tǒng)概述與關(guān)鍵術(shù)語(yǔ)

2.1 關(guān)鍵術(shù)語(yǔ)解釋

在理解 HCS500 的工作原理之前，我們需要了解一些關(guān)鍵術(shù)語(yǔ)。

• RKE：即遠(yuǎn)程無(wú)鑰匙進(jìn)入，是一種常見(jiàn)的車(chē)輛或門(mén)禁系統(tǒng)的進(jìn)入方式。
• 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，增加了安全性。
• 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)的代碼字組成的數(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：對(duì)從編碼器接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼的設(shè)備。
• 解密算法：使用相同的加密密鑰對(duì)加密數(shù)據(jù)進(jìn)行解密的方法。
• 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。

2.2 HCS 編碼器概述

HCS 編碼器在使用前需要加載一些重要參數(shù)，包括生產(chǎn)時(shí)生成的加密密鑰、16 位同步計(jì)數(shù)器值和 28 位序列號(hào)。制造商在生產(chǎn)時(shí)為每個(gè)編碼器編程序列號(hào)，通過(guò)“密鑰生成算法”生成加密密鑰。同步計(jì)數(shù)器是代碼字變化的基礎(chǔ)，每次按下按鈕時(shí)，同步計(jì)數(shù)器會(huì)遞增，導(dǎo)致傳輸?shù)拇a字中超過(guò) 50% 的比特發(fā)生變化。

三、解碼器操作

3.1 學(xué)習(xí)發(fā)射器

在發(fā)射器和接收器協(xié)同工作之前，接收器需要“學(xué)習(xí)”并存儲(chǔ)發(fā)射器的相關(guān)信息，包括序列號(hào)的校驗(yàn)值、加密密鑰和當(dāng)前同步計(jì)數(shù)器值。同時(shí)，解碼器還需將制造商代碼存儲(chǔ)在受保護(hù)的內(nèi)存中。HCS500 有七個(gè)內(nèi)存插槽，最多可存儲(chǔ)七個(gè)發(fā)射器。學(xué)習(xí)過(guò)程通過(guò)向解碼器發(fā)送 ACTIVATE_LEARN 命令啟動(dòng)，按照特定的步驟進(jìn)行，如激活發(fā)射器兩次等。學(xué)習(xí)過(guò)程中，解碼器會(huì)進(jìn)行一系列檢查，確保傳輸?shù)挠行浴?/p>

3.2 代碼驗(yàn)證

解碼器等待傳輸并檢查序列號(hào)，判斷是否為已學(xué)習(xí)的發(fā)射器。如果是，則對(duì)傳輸?shù)拇a跳變部分進(jìn)行解密，并使用判別值驗(yàn)證解密是否有效。最后，評(píng)估同步計(jì)數(shù)器值，確保其在有效范圍內(nèi)。驗(yàn)證步驟包括搜索 EEPROM 匹配序列號(hào)校驗(yàn)值、解密跳變代碼、比較判別值和序列號(hào)的低 10 位、檢查同步計(jì)數(shù)器值是否在同步窗口內(nèi)等。

3.3 同步技術(shù)

KEELOQ 技術(shù)采用了復(fù)雜的同步技術(shù)，通過(guò) 3 - 分區(qū)旋轉(zhuǎn)同步窗口來(lái)確保系統(tǒng)的安全性。當(dāng)傳輸被認(rèn)證時(shí)，執(zhí)行相應(yīng)功能并更新同步計(jì)數(shù)器值，旋轉(zhuǎn)同步窗口。同步窗口包括單操作窗口（16 個(gè)代碼）、雙操作（重新同步）窗口（最多 32K 個(gè)代碼）和阻塞窗口，有效阻止無(wú)效傳輸。

四、與微控制器接口

4.1 有效傳輸消息

解碼器通過(guò)將數(shù)據(jù)線拉高最多 500ms 來(lái)通知微控制器接收到有效傳輸。微控制器通過(guò)將時(shí)鐘線拉高進(jìn)行確認(rèn)，然后解碼器將數(shù)據(jù)線拉低，微控制器開(kāi)始從 HCS500 時(shí)鐘輸出數(shù)據(jù)流，包括起始位、狀態(tài)位、功能代碼、停止位、塊指示和傳輸數(shù)據(jù)等。

4.2 命令模式

微控制器通過(guò)特定的命令模式與解碼器進(jìn)行通信，包括命令激活、實(shí)際命令、訪問(wèn)地址和數(shù)據(jù)。解碼器使用碰撞檢測(cè)來(lái)防止與微控制器發(fā)生沖突，確保通信的穩(wěn)定性。命令激活時(shí)間根據(jù)解碼器的狀態(tài)而定，不同的命令有不同的操作和時(shí)序要求，如讀取和寫(xiě)入用戶 EEPROM、激活學(xué)習(xí)、擦除所有發(fā)射器等。

4.3 獨(dú)立模式

HCS500 還可以在獨(dú)立模式下使用。當(dāng)接收到有效傳輸時(shí)，它會(huì)將數(shù)據(jù)線激活最多 500ms，可用于驅(qū)動(dòng)繼電器電路。通過(guò)連接按鈕到 CLK 輸入，可以激活學(xué)習(xí)或擦除所有命令，通過(guò)連接 LED 到 DATA 輸出線提供用戶反饋。

五、解碼器編程

5.1 系統(tǒng)內(nèi)存編程

解碼器使用 2K 的 24LC02B 串行 EEPROM，分為系統(tǒng)內(nèi)存和用戶內(nèi)存。在使用解碼器之前，需要對(duì)系統(tǒng)內(nèi)存中的 64 位制造商代碼和解碼器配置字節(jié)進(jìn)行編程。這些內(nèi)存位置受讀保護(hù)，需要使用編程命令在設(shè)備上電時(shí)進(jìn)行寫(xiě)入。

5.2 配置字節(jié)

配置字節(jié)用于在初始化時(shí)配置解碼器，包括學(xué)習(xí)模式選擇（正常學(xué)習(xí)或安全學(xué)習(xí)）、算法選擇（KEELOQ 解密算法或 XOR 算法）和重復(fù)傳輸啟用等選項(xiàng)。

5.3 編程波形和數(shù)據(jù)字符串

編程命令包括命令請(qǐng)求序列、命令字節(jié)、配置字節(jié)、制造商代碼和激活確認(rèn)序列?？偣?80 位數(shù)據(jù)以最低有效位（LSB）優(yōu)先的方式時(shí)鐘輸入解碼器，解碼器使用其唯一的 64 位 EEPROM 加密密鑰對(duì)制造商代碼進(jìn)行加密。

六、密鑰生成

HCS500 支持三種學(xué)習(xí)方案，根據(jù)不同的算法和輸入種子來(lái)生成加密密鑰。

6.1 正常學(xué)習(xí)（序列號(hào)派生）

使用 KEELOQ 解密算法和發(fā)射器的 28 位序列號(hào)來(lái)派生加密密鑰。

6.2 安全學(xué)習(xí)（種子派生）

使用編碼器傳輸?shù)陌踩N子來(lái)派生輸入種子，再通過(guò) KEELOQ 解密算法或 XOR 算法生成加密密鑰。

七、KEELOQ 編碼器

7.1 傳輸格式

KEELOQ 編碼器的傳輸由前導(dǎo)碼、頭部、加密數(shù)據(jù)和固定數(shù)據(jù)組成，每次傳輸后有一個(gè)保護(hù)期。代碼跳變部分提供多達(dá) 40 億種變化的代碼組合，非代碼跳變部分包括狀態(tài)位、功能位和 28 位序列號(hào)，兩者結(jié)合增加了組合數(shù)量。

7.2 代碼字組織

HCS 編碼器在按下按鈕時(shí)傳輸 66/69 位代碼字，由代碼跳變部分和非代碼跳變部分組成。加密數(shù)據(jù)由按鈕位、溢出計(jì)數(shù)器位、判別位和同步計(jì)數(shù)器值生成，非加密數(shù)據(jù)由狀態(tài)位、功能位和序列號(hào)組成。

八、開(kāi)發(fā)支持

Microchip 為 HCS500 提供了豐富的開(kāi)發(fā)支持，包括集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（MPLAB X IDE）、編譯器、匯編器、鏈接器、模擬器、仿真器、調(diào)試器、編程器等工具，以及各種演示、開(kāi)發(fā)和評(píng)估板、套件，還有第三方開(kāi)發(fā)工具，方便工程師進(jìn)行開(kāi)發(fā)和調(diào)試。

九、電氣特性

9.1 絕對(duì)最大額定值

HCS500 的絕對(duì)最大額定值包括環(huán)境溫度、存儲(chǔ)溫度、引腳電壓、功率耗散、電流等參數(shù)，使用時(shí)需要確保不超過(guò)這些額定值，以保證設(shè)備的安全和可靠性。

9.2 標(biāo)準(zhǔn)操作條件

標(biāo)準(zhǔn)操作條件包括工作電壓和工作溫度范圍，不同的工作頻率對(duì)應(yīng)不同的最小工作電壓。

9.3 電氣特性參數(shù)

包括直流特性和交流特性，如電源電壓、輸入輸出電壓、電流、傳輸時(shí)間、時(shí)鐘頻率等參數(shù)，這些參數(shù)為電路設(shè)計(jì)提供了重要的參考。

十、封裝信息

HCS500 提供 8 - Lead PDIP 和 8 - Lead SOIJ 兩種封裝形式，文檔中詳細(xì)介紹了封裝的標(biāo)記信息和尺寸規(guī)格，方便工程師進(jìn)行 PCB 設(shè)計(jì)。

綜上所述，Microchip 的 HCS500 KEELOQ? 代碼跳變解碼器是一款功能強(qiáng)大、安全可靠的解碼器，適用于各種安全應(yīng)用場(chǎng)景。電子工程師在設(shè)計(jì) RKE 系統(tǒng)時(shí)，可以充分利用 HCS500 的特性和功能，提高系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。你在使用 HCS500 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。