探秘HCS301：安全可靠的代碼跳變編碼器

在電子工程領(lǐng)域，安全可靠的遠(yuǎn)程無(wú)鑰匙進(jìn)入（RKE）系統(tǒng)一直是研究和開發(fā)的重點(diǎn)。Microchip Technology Inc.推出的HCS301代碼跳變編碼器，憑借其先進(jìn)的KEELOQ?技術(shù)和卓越的性能，成為了RKE系統(tǒng)的理想選擇。今天，我們就來(lái)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(diǎn)

1. 高度安全

HCS301具備可編程的28位序列號(hào)和64位加密密鑰，每個(gè)傳輸都是獨(dú)一無(wú)二的，66位的傳輸代碼長(zhǎng)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(hù)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(gè)按鈕輸入，無(wú)需額外的電路，提供15種功能，可選擇波特率，還能自動(dòng)完成代碼字傳輸。同時(shí)，它能向接收器發(fā)送電池電量低的信號(hào)，并通過(guò)LED指示電池狀態(tài)，其非易失性同步數(shù)據(jù)也確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3. 設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)

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(shí)組件。按鈕輸入帶有內(nèi)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(yīng)用場(chǎng)景

HCS301非常適合用于各種遠(yuǎn)程無(wú)鑰匙進(jìn)入應(yīng)用，如汽車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、身份令牌以及防盜報(bào)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(shù)，將32位跳變代碼與28位序列號(hào)和6位信息位組合成66位代碼字。代碼字長(zhǎng)度消除了代碼掃描的威脅，跳變機(jī)制使每次傳輸都不同，讓代碼捕獲和重發(fā)方案失效。

2. 關(guān)鍵術(shù)語(yǔ)解釋

• 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。
• 代碼跳變：代碼在每次傳輸時(shí)看似隨機(jī)變化。
• 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)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：解碼從編碼器接收的數(shù)據(jù)的設(shè)備。
• 解密算法：使用相同加密密鑰對(duì)加密數(shù)據(jù)進(jìn)行解擾的方法。
• 學(xué)習(xí)：接收器計(jì)算發(fā)射器的加密密鑰，解密跳變代碼，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。
• 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(shù)字。

  3. 代碼字生成

  編碼器檢測(cè)到按鈕按下后，讀取按鈕輸入并更新同步計(jì)數(shù)器。同步計(jì)數(shù)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(hào)組合形成傳輸?shù)浇邮掌鞯拇a字。

四、設(shè)備操作細(xì)節(jié)

1. 引腳功能

HCS301的引腳功能明確，包括開關(guān)輸入、接地參考、PWM輸出、LED連接和電源供應(yīng)等。在使用時(shí)，當(dāng)VDD > 9.0V且驅(qū)動(dòng)低電容負(fù)載時(shí)，應(yīng)在VDD線路中使用最小50Ω的電阻，以防止PWM過(guò)沖時(shí)在9.0V處鉗位。

2. 工作流程

HCS301檢測(cè)到按鈕按下后會(huì)喚醒，延遲約10ms進(jìn)行按鈕去抖。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部分都會(huì)改變。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)到新按鈕被按下，將立即復(fù)位，當(dāng)前代碼字不會(huì)完成。

五、EEPROM內(nèi)存組織

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

1. 64位加密密鑰

用于創(chuàng)建傳輸?shù)浇邮掌鞯募用芟?，通過(guò)密鑰生成算法計(jì)算和編程，輸入通常為發(fā)射器的序列號(hào)和64位制造商代碼。

2. 同步計(jì)數(shù)器

16位同步值，每次傳輸后遞增，是傳輸代碼字變化的基礎(chǔ)。

3. 序列號(hào)

SER_0和SER_1分別是設(shè)備序列號(hào)的低位和高位字，僅傳輸?shù)?8位，序列號(hào)對(duì)每個(gè)發(fā)射器都是唯一的。最高位可用于啟用或禁用自動(dòng)關(guān)機(jī)定時(shí)器。

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。

5. 配置字

16位配置字用于存儲(chǔ)加密過(guò)程中的信息和選項(xiàng)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(diǎn)選擇位。

六、特殊功能解析

1. 代碼字完成

確保整個(gè)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(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)前傳輸將中止，開始新的傳輸。

2. LED輸出操作

正常傳輸時(shí)LED輸出為低電平，當(dāng)電源電壓低于低電壓跳變點(diǎn)時(shí)，LED輸出將以約5Hz的頻率切換。

3. 重復(fù)指示

第一個(gè)傳輸字的RPT位為低電平，如果按鈕按下時(shí)間超過(guò)一個(gè)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(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。

5. 自動(dòng)關(guān)機(jī)

自動(dòng)關(guān)機(jī)功能可防止按鈕長(zhǎng)時(shí)間按下導(dǎo)致電池耗盡，可通過(guò)設(shè)置或清除自動(dòng)關(guān)機(jī)位來(lái)啟用或禁用該功能，超時(shí)時(shí)間約為25秒。

6. 種子傳輸

通過(guò)按下所有三個(gè)按鈕輸入，可傳輸存儲(chǔ)在EEPROM中的種子值，用于實(shí)現(xiàn)安全學(xué)習(xí)功能。

7. 空白交替代碼字

可通過(guò)選擇波特率選擇位BSL0來(lái)減少傳輸?shù)钠骄β?，通過(guò)只傳輸每隔一個(gè)代碼字來(lái)降低傳輸占空比。

七、編程與系統(tǒng)集成

1. 編程過(guò)程

使用HCS301時(shí)，需要將序列號(hào)和密鑰等參數(shù)編程到設(shè)備中。編程周期允許用戶以串行數(shù)據(jù)流輸入192位數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在內(nèi)部EEPROM中。編程通過(guò)將PWM線拉高啟動(dòng)，完成自動(dòng)批量寫入周期后，通過(guò)S2（或S3）作為時(shí)鐘線，PWM作為數(shù)據(jù)線逐字編程。編程完成后可進(jìn)行驗(yàn)證，但驗(yàn)證操作必須在編程周期后立即進(jìn)行。

2. 系統(tǒng)集成

HCS301需要一個(gè)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(xué)習(xí)”，接收器需要存儲(chǔ)發(fā)射器的序列號(hào)、同步計(jì)數(shù)器值和加密密鑰。在正常操作中，接收器接收并驗(yàn)證傳輸，根據(jù)按鈕狀態(tài)執(zhí)行相應(yīng)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(shù)字信號(hào)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(diào)試器、編程器以及各種開發(fā)板和評(píng)估套件。

2. 電氣特性

HCS301的絕對(duì)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(chǔ)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(jī)電流、輸入輸出電壓、LED吸收電流和下拉電阻等。

九、總結(jié)

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(yuǎn)程無(wú)鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)提供了可靠的解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，電子工程師可以根據(jù)具體需求，合理配置和使用HCS301，充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，打造安全、高效的RKE系統(tǒng)。你在使用HCS301或類似編碼器時(shí)遇到過(guò)哪些問題？又是如何解決的呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。