深入解析Microchip HCS201 KEELOQ® 代码跳变编码器

在电子安全领域，远程无钥匙进入（RKE）系统的安全性至关重要。Microchip的HCS201 KEELOQ® 代码跳变编码器为RKE系统提供了一种安全、低成本且高效的解决方案。今天，我们就来深入了解一下这款编码器。

文件下载：HCS201-I/P.pdf

1. 产品概述

HCS201是Microchip Technology Inc. 推出的一款专为安全RKE系统设计的代码跳变编码器。它采用了KEELOQ® 代码跳变技术，具有高安全性、小封装和低成本的特点，非常适合单向远程无钥匙进入系统和访问控制系统。

1.1 主要特性

• 安全性高：
  • 可编程28位序列号，确保每个编码器的唯一性。
  • 可编程64位加密密钥，且加密密钥具有读保护功能，防止密钥被非法获取。
  • 每次传输的代码都是唯一的，66位传输代码长度有效防止代码扫描和重发攻击。
• 操作灵活：
  • 工作电压范围为3.5V - 13V，使用升压功能时最低可至2.0V。
  • 提供三个按钮输入，支持7种功能，可选择波特率。
  • 具有自动代码字完成功能，能在电池电量低时向接收器发送信号。
  • 采用非易失性同步数据，确保系统稳定性。
• 其他优势：
  • 简单的编程接口，方便用户进行参数设置。
  • 片上EEPROM用于存储关键数据。
  • 片上振荡器和定时组件，减少外部元件数量。
  • 按钮输入具有内部下拉电阻，提高电路稳定性。
  • 支持同步传输模式，内置升压调节器。

1.2 典型应用

HCS201适用于多种RKE应用，包括汽车RKE系统、汽车报警系统、汽车防盗器、大门和车库门开启器、身份令牌以及防盗报警系统等。

2. 系统工作原理

2.1 关键术语

在了解HCS201的工作原理之前，我们先明确一些关键术语：

• RKE：远程无钥匙进入。
• 按钮状态：指示激活传输的按钮输入。
• 代码跳变：每次传输时，代码在系统外部看起来会不可预测地变化。
• 代码字：按钮激活时重复传输的数据块。
• 传输：由重复代码字组成的数据流。
• 加密密钥：用于加密和解密数据的64位唯一秘密数字。
• 编码器：生成和编码数据的设备。
• 加密算法：使用加密密钥对数据进行加扰的方法。
• 解码器：解码从编码器接收的数据的设备。
• 解密算法：使用相同加密密钥对加密数据进行解扰的方法。
• 学习：接收器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。
• 制造商代码：用于生成唯一编码器加密密钥的64位唯一秘密数字。

2.2 编码器工作流程

HCS201的编码器部分集成在发射器中，用户通过按下按钮来激活传输。编码器检测到按钮按下后，会进行以下操作：

1. 读取按钮输入并更新同步计数器。
2. 将同步计数器和加密密钥输入到加密算法中，生成32位加密信息。
3. 将32位跳变代码与按钮信息和序列号组合成66位代码字，发送给接收器。

2.3 接收器工作流程

接收器通常是一个带有兼容固件的微控制器。在使用发射器之前，接收器需要“学习”发射器。学习过程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。

在正常操作中，接收器接收到消息后，会进行以下检查：

1. 检查序列号是否来自已学习的发射器。
2. 使用存储的加密密钥解密消息，并验证同步计数器。
3. 检查按钮状态，确定请求的操作。

3. 编码器操作细节

3.1 引脚功能

HCS201的引脚功能如下：	引脚名称	引脚编号	引脚描述
S0	1	开关输入0
S1	2	开关输入1
S2	3	开关输入2 / 编程模式时钟引脚
VDDB	4	电池输入引脚，为升压控制电路供电
VSS	5	接地参考连接
DATA	6	脉冲宽度调制（PWM）输出引脚 / 编程模式数据引脚
STEP	7	升压调节器开关控制
VDD	8	正电源电压

3.2 唤醒与加密过程

HCS201在检测到按钮按下后会唤醒，并延迟约10ms进行按钮去抖。然后，同步计数器、判别值和按钮信息会被加密形成跳变代码。每次传输时，跳变代码部分都会改变，即使按下相同的按钮。一个代码字在超过64K次传输后才会重复，这提供了超过18年的使用时间（假设每天操作10次）。

3.3 特殊情况处理

如果在传输过程中检测到新的按钮被按下，会立即发生复位，当前代码字将不会完成。如果所有按钮都被释放，代码字将完成并进入掉电状态。

4. EEPROM内存组织

HCS201包含192位（12 x 16位字）的EEPROM内存，用于存储加密密钥信息、同步值等。以下是EEPROM内存映射：	字地址	助记符	描述
0	KEY_0	64位加密密钥（字0）
1	KEY_1	64位加密密钥（字1）
2	KEY_2	64位加密密钥（字2）
3	KEY_3	64位加密密钥（字3）
4	SYNC	16位同步值
5	RESERVED	设置为0000H
6	SER_0	设备序列号（字0）
7	SER_1	设备序列号（字1）
8	SEED_0	种子值（字0）
9	SEED_1	种子值（字1）
10	DISC	判别字
11	CONFIG	配置字

4.1 加密密钥

64位加密密钥用于创建发送给接收器的加密消息。该密钥在生产过程中使用密钥生成算法计算并编程，输入通常为发射器的序列号和64位制造商代码。

4.2 同步计数器

16位同步计数器用于创建传输的跳变代码，每次传输后该值会递增。

4.3 序列号

SER_0和SER_1分别是设备序列号的低字和高字，虽然分配了32位，但只有低28位会被传输。

4.4 种子字

2字（32位）种子代码在三个按钮同时按下时传输，可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。

4.5 判别字

判别值有助于解码器端的解密后检查，通常编程为序列号的12个最低有效位。

4.6 配置字

配置字是一个16位字，用于存储加密过程中使用的信息以及选项配置的状态。具体位功能包括振荡器调谐、低电压跳闸点选择、波特率选择等。

5. 传输字格式

5.1 代码字格式

HCS201的代码字由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，后面跟着一个保护期。

5.2 代码字组织

66位代码字由固定代码部分和加密代码部分组成。32位加密数据由4个按钮位、12个判别位和16位同步值生成，提供高达40亿种变化的代码组合。34位固定代码数据由2个状态位、4个按钮位和28位序列号组成，固定和加密部分组合后代码组合数增加到(7.38 ×10^{19})。

5.3 同步传输模式

同步传输模式可以使用外部时钟将代码字输出。进入同步传输模式需要执行编程模式启动序列，在该模式下，PWM数据串的时序由外部控制，并且代码字末尾会传输16个额外的位。

6. 特殊功能

6.1 代码字完成

代码字完成功能确保即使按钮在代码字完成之前释放，整个代码字也会被传输。如果按钮按下时间超过一个代码字的时间，会产生多个代码字。如果在传输过程中激活另一个按钮，当前传输将被中止，新的传输将使用新的按钮信息开始。

6.2 VLOW：电压低指示

VLOW位在每次传输时都会发送，如果工作电压低于低电压跳闸点，该位将为1。接收器可以根据该信号向用户发出发射器电池电量低的警报。

6.3 自动关机

自动关机功能可以防止按钮意外长时间按下导致设备耗尽电池电量。超时时间为TTO。

6.4 种子传输

为了提高系统的安全性，接收器可以实现安全学习功能。通过同时按下三个按钮输入，可以传输EEPROM中存储的种子值，用于生成加密密钥。

6.5 空白交替代码字

空白交替代码字（BACW）功能可以通过仅传输每隔一个代码字来降低传输的平均功率，从而满足FCC规定的传输限制。

6.6 升压调节器

集成的升压调节器可以确保编码器和RF电路的电源电压（VDD）恒定，不受电池电压（VDDB）的影响。当VDD低于内部参考电压VSTEP时，STEP输出会以fSTEP脉冲，可连接到外部电路提供升压。

7. 编程与系统集成

7.1 编程HCS201

在使用HCS201之前，用户需要将一些参数（如序列号和秘密密钥）编程到设备中。编程周期允许用户以串行数据流的形式输入所有192位数据，然后将其存储在EEPROM中。编程完成后，可以通过读取EEPROM来验证数据。

7.2 集成到系统中

使用HCS201需要一个兼容的解码器，通常是一个带有兼容固件的微控制器。Microchip提供固件例程，帮助系统设计师开发自己的解码系统。

7.2.1 学习发射器到接收器

发射器在被允许在系统中使用之前，必须先被解码器“学习”。解码器需要存储每个已学习发射器的序列号、当前同步计数器值和唯一加密密钥。

7.2.2 解码器操作

解码器等待接收传输，检查序列号是否来自已学习的发射器，使用存储的加密密钥解密消息，并验证同步值。

7.2.3 与解码器同步

KEELOQ技术采用了一种复杂的同步技术，通过一个3分区的旋转同步窗口来确保系统的安全性。该窗口包括单操作窗口、双操作窗口和阻塞窗口，有效地阻止了无效传输并提供透明的重新同步功能。

8. 开发支持

Microchip为PIC® 微控制器和dsPIC® 数字信号控制器提供了一系列的软件和硬件开发工具，包括集成开发环境、编译器、模拟器、仿真器、调试器、编程器以及演示/开发板和评估套件等。这些工具可以帮助工程师更高效地开发和调试基于HCS201的系统。

9. 电气特性

HCS201的电气特性包括绝对最大额定值、直流特性、电源启动和传输时序以及代码字传输时序等。这些特性为工程师在设计电路时提供了重要的参考。

10. 封装信息

HCS201提供PDIP和SOIC两种封装类型，文档中详细介绍了封装标记信息和封装细节，包括尺寸、引脚定义等。

总之，Microchip的HCS201 KEELOQ® 代码跳变编码器为RKE系统提供了一种安全、可靠且易于使用的解决方案。通过深入了解其工作原理、特性和应用，工程师可以更好地设计和实现高性能的远程无钥匙进入系统。你在使用HCS201的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。