HCS200：适用于远程无钥匙进入系统的代码跳变编码器

作为一名电子工程师，在设计远程无钥匙进入（RKE）系统时，安全和成本是两个关键的考虑因素。今天，我要给大家介绍一款来自Microchip Technology Inc.的编码器——HCS200，它采用了KEELOQ® 代码跳变技术，在安全性和成本上取得了很好的平衡，非常适合RKE系统的设计。

文件下载：HCS200-I/P.pdf

1. 关键特性

1.1 安全性高

• 可编程序列号和加密密钥：HCS200拥有可编程的28位序列号和64位加密密钥，这为每个设备提供了独特的身份标识，大大增加了破解的难度。
• 代码跳变技术：每次传输的代码都是唯一的，采用66位传输代码长度和32位跳变代码，有效防止了代码扫描和捕获重发攻击。而且，即使传输信息只有一位不同，编码后的传输也会完全不同，统计显示32位信息串中仅一位改变，编码传输位的变化会超过50%。
• 加密密钥读取保护：加密密钥存储在EEPROM中，具有读取保护功能，只有在自动擦除和编程操作后才能验证数据，防止密钥被盗取或同步值被篡改。

1.2 工作特性优越

• 宽电压范围：该编码器可在3.5 - 13.0V的宽电压范围内工作，适应不同的电源环境。
• 多按钮输入：具备三个按钮输入，最多可实现七种功能，为系统设计提供了更多的灵活性。
• 可选波特率：用户可以根据实际需求选择不同的波特率，以满足不同的传输速度要求。
• 自动码字完成：确保即使按钮提前释放，也能完整传输码字；若在传输过程中按下新按钮，当前传输会立即中止并开始新的传输。
• 低电量信号传输：能够将低电量信号发送到接收器，方便用户及时更换电池。
• 非易失性同步数据：同步数据不会因断电而丢失，保证了系统的稳定性。

1.3 其他优点

• 易于使用的编程接口：提供了简单易用的串行接口，方便用户对必要的密钥、系统参数和配置数据进行编程。
• 片上资源丰富：集成了EEPROM、振荡器和定时组件，减少了外部元件的使用，降低了系统成本。
• 按钮输入具有内部下拉电阻：简化了电路设计，提高了系统的可靠性。

2. 典型应用

HCS200非常适合用于各种远程无钥匙进入应用，如汽车RKE系统、汽车报警系统、汽车防盗器、门禁和车库门开启器、身份令牌、防盗报警系统等。它可以有效替代传统的固定代码设备，为这些系统提供更高的安全性。

3. 系统概述

3.1 关键术语

在理解HCS200的工作原理之前，我们需要了解一些关键术语，如RKE（远程无钥匙进入）、代码跳变、码字、传输、加密密钥、编码器、解码器等。这些术语在整个数据手册中频繁出现，是理解系统的基础。

3.2 工作原理

• 编码器：HCS200通过非线性加密算法生成32位跳变代码，并将其与28位序列号和6位信息位结合，形成66位码字。按下按钮后，编码器会更新同步计数器，并使用加密密钥对同步计数器、判别值和按钮信息进行加密，生成跳变代码。
• 解码器：解码器通常是一个带有兼容固件的微控制器。在使用前，解码器需要“学习”发射器的信息，包括计算发射器的加密密钥、解密接收到的跳变代码，并将序列号、同步计数器值和加密密钥存储在EEPROM中。在正常运行时，解码器会对接收到的消息进行评估，验证序列号、解密消息、验证同步计数器，并根据按钮状态执行相应的操作。

4. 编码器操作

HCS200的使用非常简单，只需要添加按钮和RF电路即可作为发射器使用。按下按钮后，编码器会唤醒并进行约10ms的按钮消抖，然后更新同步信息并进行加密，最后将码字发送出去。在传输过程中，如果检测到新按钮被按下，会立即复位并开始新的传输。

5. EEPROM 内存组织

HCS200包含192位（12 x 16位字）的EEPROM内存，用于存储加密密钥、同步值、序列号等重要信息。不同的地址存储不同的参数，如64位加密密钥、16位同步计数器、28位序列号、32位种子字和16位配置字等。这些参数的设置和管理对于系统的正常运行至关重要。

6. 码字传输

6.1 码字格式

HCS200的码字由50%占空比的前导码、头部、32位加密数据和34位固定数据组成，后面还有一个保护周期。每个码字的传输都有严格的时间要求，具体参数可参考文档中的表格。

6.2 码字组织

66位的码字由固定代码部分和加密代码部分组成。32位的加密数据由4位按钮位、12位判别位和16位同步值生成，提供了多达40亿种变化的代码组合；34位的固定代码数据由1位状态位、1位固定位、4位按钮位和28位序列号组成，两者结合使代码组合数达到了7.38 x (10^{19})。

6.3 同步传输模式

HCS200支持同步传输模式，通过执行特定的编程模式启动序列，可以使用外部时钟控制码字的输出。在这种模式下，除了PWM数据串的时序由外部控制外，还会在码字末尾传输16个额外的保留位。

7. 特殊功能

7.1 码字完成

该功能确保即使按钮提前释放，也能完整传输码字；如果按下另一个按钮，当前传输会中止并开始新的传输。

7.2 间隔码字屏蔽

通过屏蔽交替码字，可以减少传输的占空比，降低平均功率，同时在满足FCC规定的情况下，允许用户发送更高幅度的传输信号。

7.3 种子传输

当同时按下三个按钮时，会发送存储在EEPROM中的32位种子值，用于实现安全学习功能或作为不同密钥生成/跟踪过程的一部分，提高系统的安全性。

7.4 低电压指示

VLOW信号会在每次传输中发送，当工作电压低于低电压跳变点时，该位会变为零，提醒用户发射器电池电量低。

8. 编程方法

在使用HCS200之前，用户需要对其进行编程，包括设置序列号、加密密钥等参数。编程过程通过将PWM线拉高来启动，然后按照一定的时序将192位数据以串行数据流的形式输入到EEPROM中。编程完成后，可以通过读取EEPROM来验证数据。需要注意的是，为了确保安全，必须先编程EEPROM才能执行验证功能，且验证操作必须在编程周期之后立即进行。

9. 系统集成

9.1 发射器学习

在系统中使用发射器之前，解码器需要“学习”发射器的信息。典型的学习序列包括接收和验证第一次传输、生成加密密钥、解密消息、验证判别值、接收和验证第二次传输、验证同步计数器值的顺序性等步骤。如果学习成功，解码器会存储发射器的序列号、当前同步计数器值和加密密钥。

9.2 解码器操作

解码器的正常操作包括等待接收传输、比较序列号、解密消息、验证判别值、评估同步值等步骤。如果传输来自已学习的发射器且解密有效，解码器会根据按钮状态执行相应的操作。

9.3 同步机制

HCS200采用了一种复杂的同步技术，通过一个三分区的旋转同步窗口来确保系统的安全性和稳定性。该窗口包括16个代码的单操作窗口、最多32K个代码的双操作（重同步）窗口和一个屏蔽窗口。当接收到的同步计数器值在不同的窗口内时，解码器会采取不同的处理方式。

10. 开发支持

Microchip为PIC®微控制器和dsPIC®数字信号控制器提供了全方位的软件和硬件开发工具，包括集成开发环境（MPLAB® IDE）、编译器、汇编器、链接器、模拟器、仿真器、在线调试器、设备编程器等。这些工具可以帮助工程师快速开发和调试基于HCS200的系统。

11. 电气特性

文档中详细列出了HCS200的绝对最大额定值、直流特性、码字时序等电气参数。例如，VDD电源电压范围为 -0.3 至 13.3V，输入电压范围为 -0.3 至 13.3V，输出电压范围为 -0.3 至 VDD + 0.3V 等。工程师在设计电路时需要根据这些参数合理选择外部元件，确保系统的正常运行。

12. 封装信息

HCS200提供了PDIP和SOIC两种封装形式，不同封装的引脚定义和尺寸有所不同。文档中给出了详细的封装标记信息和尺寸参数，方便工程师进行PCB设计。

总结

HCS200是一款非常优秀的代码跳变编码器，它结合了高安全性、低功耗、低成本和易于使用等优点，非常适合用于各种远程无钥匙进入系统的设计。作为电子工程师，我们在设计时可以充分利用其特性，开发出更加安全、可靠的产品。同时，在实际应用中，我们还需要注意编程、学习和同步等方面的细节，确保系统的正常运行。大家在使用HCS200的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享。