基于KEELOQ跳码技术的密码系统设计

1 引言

    传统编译码芯片如VD5026，VD5027，MCI45026，MCI45027等已经在防盗、安全等系统得到广泛的应用，这些芯片简单易用，但具有很大的缺陷：编码量少而极易重码；密码长度短（一般为8-12位，最多不超过16位），因而数据极易被扫描和破译，不能满足高安全场合的需要。

    基于KEELOQ技术的跳码芯片则克服了以上两个缺陷，较好地解决了密码的防盗问题，所谓跳码，就是密码不是固定的，而且不断跳动变化的，是为满足高性能要求而设计的，跳码芯片的使用十分简便，只要在第一次使用前，编译码器进行一次"学习"，使编译码器的密码同步，通常一个译码器可以支持多个编码器，再加上其电压使用范围宽，功率消耗极小，因此成为传统编译码器的理想升级换代产品。

2 跳码核心技术--KEELOQ技术
    使用KEELOQ技术的编码器每次发出的密码都不同，只有配对的译码器能准确译出收到的密码，使用不配对的编、译码器或重复发送译码器曾收到的密码等均告知无效。即使编码器发送出的码在译码器方没有收到，也不会影响以后的正常使用。这一切归功于芯片内强大的微处理器及KEELOQ独特的同步算法。

    跳码芯片的密码虽是一大串几乎随机的乱麻，但实际毫不紊乱，密码包括2部分：

（1）跳码，编译器每次产生的都不一样，产生后就被加密；

（2）在传输过程并不加密，主要包括编码器的系列号，在与译码器的配套使用中作识别信号。

    跳码包括功能信息、辨别码以及同步计数器、通过一个加密算法加密后再传送出去。跳码芯片在使用前必须预置序列号、加密钥匙、同步计数器、发送方和接收方一起工作前，接收方必须先通过"学习"来获得并存储发送方的序列号、加密钥匙和当前同步计数器的值。

    硬件实现KEELOQ技术加密过程如图1所示。

    在KEELOQ技术中"学习"功能是一个重要部分，"学习"包括清除原来的存储的信息和学习新的信息，每对跳码型编译码器在使用前都要至少单向"学习"一次，密码在第一次配对使用时是随机产生的乱码。然后把要配对的编码器的密码传进译码器，译码器就会学习和存储这一次的安全代码，从此这一对译码器的密码就按照同一套跳变码算法同步变化，译码器以后每次就能准确译出编码器的密码，同时，这一存入的安全代码被作为无效码参考，再收到同样的密码就会视而不见，因而能有效地防止偷码冒用。

    最后，译码器设计了一套容错算法，他不但能预知配对的编码器的下一个密码变化，而且能预知他以后256次的变化码，并都能准确译出，这样，即使发射器被乱按了好多次不为译码器所知，但都能依旧保护默契配合，保持了极好的跳变译码能力和抗截码的功能。

3 应用电路

3.1 HCS301跳码编码器的管脚及其功能

    HCS301跳码编码器的引脚排列如图3所示。

    引脚1-4：S0-S3，数据输入通道，其中S2，S3在编程状况时可作为时钟输入，引脚5：VSS，电源地；引脚7：LED，指示工作状态及低电压指示，可直接驱动LED，低压时，指示灯将以5次/秒的频率闪烁；引脚8：VDD，电源，工作电压为+3.5-+13.0V。

    编码器 HCS301发出的密码长66位，由34位的固定码和32位由KEELOQ算法产生的加密码组成，固定码主要包括28位的系列号（每个编码器独一无二），还含6个状态位，其中2位显示号码是否重复、电源是否低压；另外4位状态位为4位的功能信息（即按键输入组合情况）。32位的加密码中含4位功能信息，以及12位的辨别码（判断译码过程是否有效）和16位同步计数器值。每次按下命令控制键时，译码器的同步计数器的值加1，从冲击的角度看，有一半的位将发生改变，因此相邻的密码将大相径庭。一个相当长的时期内，密码将不会重复，不重复次数可达64K（216），有人统计过，如果每天按10次，那么要经过18年密码才有可能重复。

    HCS301还具有独特的电源自动关闭功能，即只有在有编码信号时才进入工作状态，静态功耗极低，降低了电源功耗。通过二极管阵列，HCS301最大可实现15个功能。

3.2 TDH6301跳码译码器的管脚及其功能

    TDH6301跳码译码器的引脚排列如图4所示。

    引脚1：VDD，电源，一般接+5V；引脚2：LEARNIN，"学习"键；引脚3，LEARNLED，"学习"指示输出；因该4：MCLR：译码器复位端口；引脚5：LMS，上拉时锁存输出，下拉时暂存输出；引脚6：NC（D5），空引脚；引脚7：NC（D4），空引脚；引脚8- 11，D0-D3，数据输出端；引脚12：VT，接收信号有效输出；引脚13：RFIN，接收信号输入；引脚14：VSS，接地。

    TDH6301与编码芯片（HCS300或HCS301）配对使用，可省去了烦琐的编码和配对。他有两种输出方式，当TDH6301的5端悬空时为脉冲型电平输出方式，即无接收信号时，数据输出将保持约500ms；当TDH6301的5端接法如图4所示时为锁存型电平输出方式，即输出电平将保持到有其他输出口接收信号时为止。

    TDH6301的输出状态由"学习"过的编码器决定，即对应的按键输入组合产生对应的输出组合，因而通过门电路组合TDH6301的输出能够实现15个功能。

3.3 应用电路图

    HCS301的应用电路非常简单，只需要几个按键和几个电路和电容就可实现，如果用于无线，还需要RF（射频）电路，图5为具有4个功能的编码电路，通过二极管阵列任意组合S0-S3，HCS301最多可扩展到15个功能。在传输的过程中，指示灯将被点亮。如果HCS301检测到有新的按键下，复位将立即产生，密码将无法完整的发出。

    相应的译码电路图如图6所示，译码器的RFIN端接收译码器PWM端输出的信号：

    初次配对使用时，要先进行"学习"。按下"学习"键，使译码器进入"学习"接收状态，学习指示灯闪亮一下后熄灭。之后的30s内，按下编码器的任意键，输出信号代码，若编码器未被学习过，学习指示灯长亮约1s后自动熄灭，说明编码器输出的代码被成功学习，学习过程完成；若学习指示灯快速闪亮（>5次/s）表示学习失败，可能是芯片不配套或者被烧坏，学习成功以后，这一对编译码器就可以同步跳变工作了。

    TDH6301译码器最多可支持15个译码器，只需经过上述学习步骤，就可实现，当编码器学习溢出时（即超过15个编码器时），译码器会从头开始自动覆盖并作废最早一个已学习的译码器，长按学习键超过8s，待学习灯LED熄灭后，译码器自动清除存储器里的记忆内容，这样就可让遗失的编码器失效而作废，但此时所有的编码器都失效，因此，所有的编码器需重新进行学习一遍才可正常使用。

4 结语

    译码芯片TDH6301有2种工作方式，可方便地选择，跳码芯片经过扩展，可以具有15个功能，跳码技术的关键在于：对于同一动作（如开门），编码器每次发出的编码却有极大不同，发过的码字被记录，重发也视为无效。且码字具有足够的长度，保密性很高，足以抵抗使用仪器对码字进行扫描，因此，跳码芯片至少在目前是传统密码锁更型换代的理想产品，可广泛应用汽车遥控报警器、家庭安全系统、电子钥匙、门禁系统、自动门系统等高度安全保障领域。