深入解析Microchip HCS200 KEELOQ? 代碼跳變編碼器

在電子工程領(lǐng)域，安全可靠的編碼技術(shù)對(duì)于各種應(yīng)用至關(guān)重要。今天，我們將深入探討Microchip的HCS200 KEELOQ? 代碼跳變編碼器，它在遠(yuǎn)程無(wú)鑰匙進(jìn)入（RKE）系統(tǒng)等應(yīng)用中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

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一、HCS200概述

HCS200是Microchip Technology Inc.推出的一款專門為RKE系統(tǒng)設(shè)計(jì)的代碼跳變編碼器。它采用了KEELOQ? 代碼跳變技術(shù)，具有高安全性、小封裝尺寸和低成本的特點(diǎn)，是單向遠(yuǎn)程無(wú)鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)和訪問(wèn)控制系統(tǒng)中固定代碼設(shè)備的理想替代品。

1.1 主要特性

• 安全性：
  • 可編程28位序列號(hào)，確保每個(gè)編碼器的唯一性。
  • 可編程64位加密密鑰，提供強(qiáng)大的加密保護(hù)。
  • 每次傳輸?shù)拇a都是唯一的，66位傳輸代碼長(zhǎng)度有效防止代碼掃描和重發(fā)攻擊。
  • 32位跳變代碼，結(jié)合序列號(hào)和按鈕狀態(tài)等信息，增加了代碼的復(fù)雜性。
  • 加密密鑰具有讀取保護(hù)功能，防止密鑰泄露。
• 操作特性：
  • 工作電壓范圍為3.5 - 13.0V，適應(yīng)多種電源環(huán)境。
  • 三個(gè)按鈕輸入，可實(shí)現(xiàn)多達(dá)七種功能。
  • 可選波特率，滿足不同的通信需求。
  • 自動(dòng)完成代碼字傳輸，提高使用的便利性。
  • 可向接收器發(fā)送低電量信號(hào)，提醒用戶更換電池。
  • 非易失性同步數(shù)據(jù)，確保系統(tǒng)在斷電后仍能正常工作。
• 其他特性：
  • 易于使用的編程接口，方便用戶進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。
  • 片上EEPROM，用于存儲(chǔ)加密密鑰、序列號(hào)等重要信息。
  • 片上振蕩器和定時(shí)組件，減少外部元件數(shù)量。
  • 按鈕輸入具有內(nèi)部下拉電阻，簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)。
  • 外部組件成本低，降低了系統(tǒng)的整體成本。

1.2 典型應(yīng)用

HCS200適用于多種RKE應(yīng)用，包括：

• 固定代碼設(shè)備的替代
• 汽車RKE系統(tǒng)
• 汽車報(bào)警系統(tǒng)
• 汽車防盜器
• 大門和車庫(kù)門開啟器
• 身份令牌
• 防盜報(bào)警系統(tǒng)

二、系統(tǒng)概述

2.1 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)：

• RKE：遠(yuǎn)程無(wú)鑰匙進(jìn)入
• 按鈕狀態(tài)：指示激活傳輸?shù)陌粹o輸入，包含4個(gè)按鈕狀態(tài)位。
• 代碼跳變：每次傳輸時(shí)，代碼在系統(tǒng)外部看起來(lái)是隨機(jī)變化的。
• 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)行加密的方法。
• 解碼器：對(duì)從編碼器接收到的數(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 工作原理

HCS200的工作基于KEELOQ? 代碼跳變技術(shù)，通過(guò)非線性加密算法生成32位跳變代碼，并與28位序列號(hào)和6位信息位組合成66位代碼字。每次按鈕按下時(shí)，同步計(jì)數(shù)器遞增，導(dǎo)致傳輸?shù)拇a字發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)代碼跳變。

在生產(chǎn)過(guò)程中，HCS200的EEPROM需要加載幾個(gè)重要參數(shù)，包括28位序列號(hào)、加密密鑰、初始16位同步值和16位配置值。這些參數(shù)是系統(tǒng)安全和正常運(yùn)行的基礎(chǔ)。

三、編碼器操作

3.1 引腳描述

3.2 操作流程

當(dāng)檢測(cè)到按鈕按下時(shí)，HCS200會(huì)喚醒并延遲約10ms進(jìn)行按鈕消抖。然后，同步計(jì)數(shù)器、判別值和按鈕信息將被加密形成跳變代碼。每次傳輸?shù)奶兇a都會(huì)改變，即使按下相同的按鈕。一個(gè)代碼字在超過(guò)64K次傳輸后才會(huì)重復(fù)，基于每天10次操作，可提供超過(guò)18年的使用時(shí)間。如果在傳輸過(guò)程中檢測(cè)到新按鈕按下，將立即復(fù)位并開始新的傳輸。

四、EEPROM內(nèi)存組織

4.1 加密密鑰

64位加密密鑰用于創(chuàng)建傳輸?shù)浇邮掌鞯募用芟ⅲㄟ^(guò)密鑰生成算法在生產(chǎn)過(guò)程中計(jì)算和編程。輸入通常包括發(fā)射器的序列號(hào)和64位制造商代碼。

4.2 同步計(jì)數(shù)器

16位同步計(jì)數(shù)器用于創(chuàng)建傳輸?shù)奶兇a，每次傳輸后遞增。

4.3 序列號(hào)

SER_0和SER_1分別是設(shè)備序列號(hào)的低字和高字，雖然分配了32位，但只有低28位被傳輸。

4.4 種子字

2字（32位）種子代碼在三個(gè)按鈕同時(shí)按下時(shí)傳輸，可用于實(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。

4.5 配置字

16位配置字包含形成傳輸加密部分所需的信息以及設(shè)備選項(xiàng)配置，包括判別值、波特率選擇位和低電壓跳變點(diǎn)選擇位。

五、傳輸字

5.1 代碼字格式

HCS200的代碼字由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，后面跟著一個(gè)保護(hù)期。

5.2 代碼字組織

66位代碼字由固定代碼部分和加密代碼部分組成。32位加密數(shù)據(jù)由4個(gè)按鈕位、12個(gè)判別位和16位同步值生成，提供多達(dá)40億種變化的代碼組合。34位固定代碼數(shù)據(jù)由1個(gè)狀態(tài)位、1個(gè)固定位、4個(gè)按鈕位和28位序列號(hào)組成，固定和加密部分結(jié)合使代碼組合數(shù)增加到7.38 x (10^{19})。

5.3 同步傳輸模式

同步傳輸模式可使用外部時(shí)鐘輸出代碼字。進(jìn)入該模式需要執(zhí)行編程模式啟動(dòng)序列，在S2的下降沿設(shè)置S1或S0時(shí)，設(shè)備進(jìn)入同步傳輸模式。在該模式下，PWM數(shù)據(jù)串的時(shí)序由外部控制，并且在代碼字末尾傳輸16個(gè)額外的保留位。

六、特殊功能

6.1 代碼字完成

代碼字完成功能確保即使在代碼字未完成時(shí)釋放按鈕，整個(gè)代碼字也會(huì)被傳輸。如果按鈕按下時(shí)間超過(guò)一個(gè)代碼字的時(shí)間，將產(chǎn)生多個(gè)代碼字。如果在傳輸過(guò)程中激活另一個(gè)按鈕，當(dāng)前傳輸將被中止，開始新的傳輸。

6.2 空白交替代碼字

為滿足FCC規(guī)定的傳輸功率限制，可使用空白交替代碼字（BACW）功能，通過(guò)僅傳輸每隔一個(gè)代碼字來(lái)降低傳輸?shù)钠骄β省?/p>

6.3 種子傳輸

為提高系統(tǒng)安全性，接收器可實(shí)現(xiàn)安全學(xué)習(xí)功能，通過(guò)按下三個(gè)按鈕同時(shí)傳輸存儲(chǔ)在EEPROM中的種子值來(lái)生成加密密鑰。

6.4 VLOW：電壓低指示

VLOW信號(hào)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，當(dāng)工作電壓高于低電壓跳變點(diǎn)時(shí)，傳輸為零。

七、編程HCS200

在使用HCS200之前，需要將一些參數(shù)（如序列號(hào)和加密密鑰）編程到設(shè)備中。編程周期允許用戶以串行數(shù)據(jù)流的形式輸入所有192位數(shù)據(jù)，并將其存儲(chǔ)在EEPROM中。編程通過(guò)將PWM線拉高啟動(dòng)，在S2線保持高電平適當(dāng)時(shí)間后開始。編程完成后，可通過(guò)讀取EEPROM進(jìn)行驗(yàn)證。

八、集成HCS200到系統(tǒng)

8.1 學(xué)習(xí)發(fā)射器到接收器

發(fā)射器必須先被接收器“學(xué)習(xí)”才能在系統(tǒng)中使用。學(xué)習(xí)過(guò)程包括計(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。

8.2 解碼器操作

解碼器等待接收傳輸，將接收到的序列號(hào)與EEPROM中存儲(chǔ)的已學(xué)習(xí)發(fā)射器列表進(jìn)行比較，確定該發(fā)射器是否被允許使用。如果是已學(xué)習(xí)的發(fā)射器，使用存儲(chǔ)的加密密鑰對(duì)傳輸進(jìn)行解密，并通過(guò)判別位驗(yàn)證加密密鑰的使用是否正確。如果解密有效，則評(píng)估同步值。

8.3 與解碼器同步

KEELOQ技術(shù)采用復(fù)雜的同步技術(shù)，通過(guò)一個(gè)3分區(qū)的旋轉(zhuǎn)同步窗口來(lái)確保系統(tǒng)的安全性和可靠性。當(dāng)傳輸被驗(yàn)證時(shí)，執(zhí)行相應(yīng)的功能并更新同步計(jì)數(shù)器值。

九、開發(fā)支持

Microchip為PIC? 微控制器和dsPIC? 數(shù)字信號(hào)控制器提供了全面的軟件和硬件開發(fā)工具，包括集成開發(fā)環(huán)境、編譯器、模擬器、調(diào)試器等，方便工程師進(jìn)行開發(fā)和調(diào)試。

十、電氣特性

10.1 絕對(duì)最大額定值

• VDD電源電壓：-0.3 to 13.3V
• VIN輸入電壓：-0.3 to 13.3V
• VOUT輸出電壓：-0.3 to VDD + 0.3V
• IOUT最大輸出電流：25 mA
• TSTG存儲(chǔ)溫度：-55 to +125°C
• TLSOL引腳焊接溫度：300°C
• VESD ESD額定值：4000V

10.2 DC特性

包括工作電流、待機(jī)電流、輸入輸出電壓、下拉電阻等參數(shù)，具體數(shù)值可參考文檔中的表格。

十一、封裝信息

HCS200提供PDIP和SOIC兩種封裝類型，每種封裝都有相應(yīng)的標(biāo)記信息和尺寸規(guī)格。

總結(jié)

Microchip的HCS200 KEELOQ? 代碼跳變編碼器以其高安全性、靈活性和低成本的特點(diǎn)，成為RKE系統(tǒng)等應(yīng)用的理想選擇。通過(guò)深入了解其工作原理、操作特性和編程方法，工程師可以更好地將其集成到各種系統(tǒng)中，為用戶提供安全可靠的解決方案。你在使用HCS200或類似編碼器的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。