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，安全可靠的遠程無鑰匙進入（RKE）系統(tǒng)設(shè)計是一項重要任務(wù)。Microchip 的 HCS500 KEELOQ? 代碼跳變解碼器為這一領(lǐng)域提供了強大的解決方案。今天，我們就來深入了解一下這款解碼器的特點、工作原理和應(yīng)用。

文件下載：HCS500-I/P.pdf

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：它采用加密存儲制造商代碼和加密密鑰的方式，增強了系統(tǒng)的安全性。同時，支持最多學(xué)習(xí)七個發(fā)射器，并運用 KEELOQ 代碼跳變技術(shù)，以及具備正常和安全學(xué)習(xí)機制，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，還能自動檢測比特率，適應(yīng)不同的工作環(huán)境。
• 其他特性：作為獨立解碼器芯片組，配備外部 EEPROM 用于存儲發(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，方便進行電路設(shè)計。

1.2 典型應(yīng)用

HCS500 的應(yīng)用范圍廣泛，涵蓋了汽車遠程進入系統(tǒng)、汽車報警系統(tǒng)、汽車防盜器、門禁和車庫開門器、電子門鎖、身份令牌以及防盜報警系統(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

2.1 關(guān)鍵術(shù)語解釋

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。

• RKE：即遠程無鑰匙進入，是一種常見的車輛或門禁系統(tǒng)的進入方式。
• 代碼跳變：每次傳輸時，代碼在系統(tǒng)外部看起來會不可預(yù)測地變化，增加了安全性。
• 代碼字：按鈕激活時重復(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：使用加密密鑰對數(shù)據(jù)進行加擾的方法。
• 解碼器：對從編碼器接收的數(shù)據(jù)進行解碼的設(shè)備。
• 解密算法：使用相同的加密密鑰對加密數(shù)據(jù)進行解密的方法。
• 學(xué)習(xí)：接收器計算發(fā)射器的加密密鑰，解密接收到的跳變代碼，并將序列號、同步計數(shù)器值和加密密鑰存儲在 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)時生成的加密密鑰、16 位同步計數(shù)器值和 28 位序列號。制造商在生產(chǎn)時為每個編碼器編程序列號，通過“密鑰生成算法”生成加密密鑰。同步計數(shù)器是代碼字變化的基礎(chǔ)，每次按下按鈕時，同步計數(shù)器會遞增，導(dǎo)致傳輸?shù)拇a字中超過 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)”并存儲發(fā)射器的相關(guān)信息，包括序列號的校驗值、加密密鑰和當(dāng)前同步計數(shù)器值。同時，解碼器還需將制造商代碼存儲在受保護的內(nèi)存中。HCS500 有七個內(nèi)存插槽，最多可存儲七個發(fā)射器。學(xué)習(xí)過程通過向解碼器發(fā)送 ACTIVATE_LEARN 命令啟動，按照特定的步驟進行，如激活發(fā)射器兩次等。學(xué)習(xí)過程中，解碼器會進行一系列檢查，確保傳輸?shù)挠行浴?/p>

3.2 代碼驗證

解碼器等待傳輸并檢查序列號，判斷是否為已學(xué)習(xí)的發(fā)射器。如果是，則對傳輸?shù)拇a跳變部分進行解密，并使用判別值驗證解密是否有效。最后，評估同步計數(shù)器值，確保其在有效范圍內(nèi)。驗證步驟包括搜索 EEPROM 匹配序列號校驗值、解密跳變代碼、比較判別值和序列號的低 10 位、檢查同步計數(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 3 - 分區(qū)旋轉(zhuǎn)同步窗口來確保系統(tǒng)的安全性。當(dāng)傳輸被認證時，執(zhí)行相應(yīng)功能并更新同步計數(shù)器值，旋轉(zhuǎn)同步窗口。同步窗口包括單操作窗口（16 個代碼）、雙操作（重新同步）窗口（最多 32K 個代碼）和阻塞窗口，有效阻止無效傳輸。

四、與微控制器接口

4.1 有效傳輸消息

解碼器通過將數(shù)據(jù)線拉高最多 500ms 來通知微控制器接收到有效傳輸。微控制器通過將時鐘線拉高進行確認，然后解碼器將數(shù)據(jù)線拉低，微控制器開始從 HCS500 時鐘輸出數(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

微控制器通過特定的命令模式與解碼器進行通信，包括命令激活、實際命令、訪問地址和數(shù)據(jù)。解碼器使用碰撞檢測來防止與微控制器發(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序要求，如讀取和寫入用戶 EEPROM、激活學(xué)習(xí)、擦除所有發(fā)射器等。

4.3 獨立模式

HCS500 還可以在獨立模式下使用。當(dāng)接收到有效傳輸時，它會將數(shù)據(jù)線激活最多 500ms，可用于驅(qū)動繼電器電路。通過連接按鈕到 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)進行編程。這些內(nèi)存位置受讀保護，需要使用編程命令在設(shè)備上電時進行寫入。

5.2 配置字節(jié)

配置字節(jié)用于在初始化時配置解碼器，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。

5.3 編程波形和數(shù)據(jù)字符串

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

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生成加密密鑰。

6.1 正常學(xué)習(xí)（序列號派生）

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

6.2 安全學(xué)習(xí)（種子派生）

使用編碼器傳輸?shù)陌踩N子來派生輸入種子，再通過 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，每次傳輸后有一個保護期。代碼跳變部分提供多達 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，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、溢出計數(shù)器位、判別位和同步計數(shù)器值生成，非加密數(shù)據(jù)由狀態(tài)位、功能位和序列號組成。

八、開發(fā)支持

Microchip 為 HCS500 提供了豐富的開發(fā)支持，包括集成開發(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、開發(fā)和評估板、套件，還有第三方開發(fā)工具，方便工程師進行開發(fā)和調(diào)試。

九、電氣特性

9.1 絕對最大額定值

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

9.2 標準操作條件

標準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、傳輸時間、時鐘頻率等參數(shù)，這些參數(shù)為電路設(shè)計提供了重要的參考。

十、封裝信息

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

綜上所述，Microchip 的 HCS500 KEELOQ? 代碼跳變解碼器是一款功能強大、安全可靠的解碼器，適用于各種安全應(yīng)用場景。電子工程師在設(shè)計 RKE 系統(tǒng)時，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 過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。