探秘HCS301：安全可靠的代码跳变编码器

在电子工程领域，安全可靠的远程无钥匙进入（RKE）系统一直是研究和开发的重点。Microchip Technology Inc.推出的HCS301代码跳变编码器，凭借其先进的KEELOQ®技术和卓越的性能，成为了RKE系统的理想选择。今天，我们就来深入了解一下这款编码器。

文件下载：HCS301-I/P.pdf

一、HCS301的特性亮点

1. 高度安全

HCS301具备可编程的28位序列号和64位加密密钥，每个传输都是独一无二的，66位的传输代码长度有效防止了代码扫描和重放攻击。加密密钥具有读取保护功能，大大提高了系统的安全性。

2. 灵活操作

它的工作电压范围为3.5V - 13.0V，有四个按钮输入，无需额外的电路，提供15种功能，可选择波特率，还能自动完成代码字传输。同时，它能向接收器发送电池电量低的信号，并通过LED指示电池状态，其非易失性同步数据也确保了系统的稳定性。

3. 设计优势

HCS301在功能上与HCS300相同，拥有易于使用的编程接口、片上EEPROM、片上振荡器和定时组件。按钮输入带有内部下拉电阻，LED输出具有限流功能，外部组件成本低。

二、典型应用场景

HCS301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、大门和车库门开启器、身份令牌以及防盗报警系统等。

三、工作原理剖析

1. 系统概述

HCS301采用KEELOQ®代码跳变技术，将32位跳变代码与28位序列号和6位信息位组合成66位代码字。代码字长度消除了代码扫描的威胁，跳变机制使每次传输都不同，让代码捕获和重发方案失效。

2. 关键术语解释

• 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：代码在每次传输时看似随机变化。
• 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。

  3. 代码字生成

  编码器检测到按钮按下后，读取按钮输入并更新同步计数器。同步计数器和加密密钥输入到加密算法，输出32位加密信息，与按钮信息和序列号组合形成传输到接收器的代码字。

四、设备操作细节

1. 引脚功能

HCS301的引脚功能明确，包括开关输入、接地参考、PWM输出、LED连接和电源供应等。在使用时，当VDD > 9.0V且驱动低电容负载时，应在VDD线路中使用最小50Ω的电阻，以防止PWM过冲时在9.0V处钳位。

2. 工作流程

HCS301检测到按钮按下后会唤醒，延迟约10ms进行按钮去抖。同步计数器、判别值和按钮信息将被加密形成跳变代码，每次传输的跳变代码部分都会改变。一个代码字在超过64K次传输后才会重复，基于每天10次操作，可提供超过18年的使用时间。如果在传输过程中检测到新按钮被按下，将立即复位，当前代码字不会完成。

五、EEPROM内存组织

HCS301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。

1. 64位加密密钥

用于创建传输到接收器的加密消息，通过密钥生成算法计算和编程，输入通常为发射器的序列号和64位制造商代码。

2. 同步计数器

16位同步值，每次传输后递增，是传输代码字变化的基础。

3. 序列号

SER_0和SER_1分别是设备序列号的低位和高位字，仅传输低28位，序列号对每个发射器都是唯一的。最高位可用于启用或禁用自动关机定时器。

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。

5. 配置字

16位配置字用于存储加密过程中的信息和选项配置状态，包括判别值、溢出位、波特率选择位和低电压跳变点选择位。

六、特殊功能解析

1. 代码字完成

确保整个代码字被传输，即使按钮在代码字完成前释放。如果按钮按下时间超过一个代码字的时间，将产生多个代码字。如果在传输过程中激活另一个按钮，当前传输将中止，开始新的传输。

2. LED输出操作

正常传输时LED输出为低电平，当电源电压低于低电压跳变点时，LED输出将以约5Hz的频率切换。

3. 重复指示

第一个传输字的RPT位为低电平，如果按钮按下时间超过一个传输代码字，该位将置位，直到按钮释放。

4. 电压低指示

VLOW信号用于向接收器指示发射器电池电量低，该位包含在每次传输中。

5. 自动关机

自动关机功能可防止按钮长时间按下导致电池耗尽，可通过设置或清除自动关机位来启用或禁用该功能，超时时间约为25秒。

6. 种子传输

通过按下所有三个按钮输入，可传输存储在EEPROM中的种子值，用于实现安全学习功能。

7. 空白交替代码字

可通过选择波特率选择位BSL0来减少传输的平均功率，通过只传输每隔一个代码字来降低传输占空比。

七、编程与系统集成

1. 编程过程

使用HCS301时，需要将序列号和密钥等参数编程到设备中。编程周期允许用户以串行数据流输入192位数据，存储在内部EEPROM中。编程通过将PWM线拉高启动，完成自动批量写入周期后，通过S2（或S3）作为时钟线，PWM作为数据线逐字编程。编程完成后可进行验证，但验证操作必须在编程周期后立即进行。

2. 系统集成

HCS301需要一个兼容的解码器，通常是带有兼容固件的微控制器。Microchip提供接受HCS301传输并解密跳变代码的固件例程。发射器必须先被接收器“学习”，接收器需要存储发射器的序列号、同步计数器值和加密密钥。在正常操作中，接收器接收并验证传输，根据按钮状态执行相应操作。

八、开发支持与电气特性

1. 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、编程器以及各种开发板和评估套件。

2. 电气特性

HCS301的绝对最大额定值包括电源电压、输入电压、输出电压、最大输出电流、存储温度、引脚焊接温度和ESD额定值等。其直流特性包括工作电流、待机电流、输入输出电压、LED吸收电流和下拉电阻等。

九、总结

HCS301代码跳变编码器以其高度的安全性、灵活的操作和丰富的功能，为远程无钥匙进入系统提供了可靠的解决方案。在实际应用中，电子工程师可以根据具体需求，合理配置和使用HCS301，充分发挥其优势，打造安全、高效的RKE系统。你在使用HCS301或类似编码器时遇到过哪些问题？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。