基于KEELOQ跳碼技術(shù)的密碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引言

    傳統(tǒng)編譯碼芯片如VD5026，VD5027，MCI45026，MCI45027等已經(jīng)在防盜、安全等系統(tǒng)得到廣泛的應(yīng)用，這些芯片簡(jiǎn)單易用，但具有很大的缺陷：編碼量少而極易重碼；密碼長(zhǎng)度短（一般為8-12位，最多不超過(guò)16位），因而數(shù)據(jù)極易被掃描和破譯，不能滿足高安全場(chǎng)合的需要。

    基于KEELOQ技術(shù)的跳碼芯片則克服了以上兩個(gè)缺陷，較好地解決了密碼的防盜問(wèn)題，所謂跳碼，就是密碼不是固定的，而且不斷跳動(dòng)變化的，是為滿足高性能要求而設(shè)計(jì)的，跳碼芯片的使用十分簡(jiǎn)便，只要在第一次使用前，編譯碼器進(jìn)行一次"學(xué)習(xí)"，使編譯碼器的密碼同步，通常一個(gè)譯碼器可以支持多個(gè)編碼器，再加上其電壓使用范圍寬，功率消耗極小，因此成為傳統(tǒng)編譯碼器的理想升級(jí)換代產(chǎn)品。

2 跳碼核心技術(shù)--KEELOQ技術(shù)
    使用KEELOQ技術(shù)的編碼器每次發(fā)出的密碼都不同，只有配對(duì)的譯碼器能準(zhǔn)確譯出收到的密碼，使用不配對(duì)的編、譯碼器或重復(fù)發(fā)送譯碼器曾收到的密碼等均告知無(wú)效。即使編碼器發(fā)送出的碼在譯碼器方?jīng)]有收到，也不會(huì)影響以后的正常使用。這一切歸功于芯片內(nèi)強(qiáng)大的微處理器及KEELOQ獨(dú)特的同步算法。

    跳碼芯片的密碼雖是一大串幾乎隨機(jī)的亂麻，但實(shí)際毫不紊亂，密碼包括2部分：

（1）跳碼，編譯器每次產(chǎn)生的都不一樣，產(chǎn)生后就被加密；

（2）在傳輸過(guò)程并不加密，主要包括編碼器的系列號(hào)，在與譯碼器的配套使用中作識(shí)別信號(hào)。

    跳碼包括功能信息、辨別碼以及同步計(jì)數(shù)器、通過(guò)一個(gè)加密算法加密后再傳送出去。跳碼芯片在使用前必須預(yù)置序列號(hào)、加密鑰匙、同步計(jì)數(shù)器、發(fā)送方和接收方一起工作前，接收方必須先通過(guò)"學(xué)習(xí)"來(lái)獲得并存儲(chǔ)發(fā)送方的序列號(hào)、加密鑰匙和當(dāng)前同步計(jì)數(shù)器的值。

    硬件實(shí)現(xiàn)KEELOQ技術(shù)加密過(guò)程如圖1所示。

    在KEELOQ技術(shù)中"學(xué)習(xí)"功能是一個(gè)重要部分，"學(xué)習(xí)"包括清除原來(lái)的存儲(chǔ)的信息和學(xué)習(xí)新的信息，每對(duì)跳碼型編譯碼器在使用前都要至少單向"學(xué)習(xí)"一次，密碼在第一次配對(duì)使用時(shí)是隨機(jī)產(chǎn)生的亂碼。然后把要配對(duì)的編碼器的密碼傳進(jìn)譯碼器，譯碼器就會(huì)學(xué)習(xí)和存儲(chǔ)這一次的安全代碼，從此這一對(duì)譯碼器的密碼就按照同一套跳變碼算法同步變化，譯碼器以后每次就能準(zhǔn)確譯出編碼器的密碼，同時(shí)，這一存入的安全代碼被作為無(wú)效碼參考，再收到同樣的密碼就會(huì)視而不見(jiàn)，因而能有效地防止偷碼冒用。

    最后，譯碼器設(shè)計(jì)了一套容錯(cuò)算法，他不但能預(yù)知配對(duì)的編碼器的下一個(gè)密碼變化，而且能預(yù)知他以后256次的變化碼，并都能準(zhǔn)確譯出，這樣，即使發(fā)射器被亂按了好多次不為譯碼器所知，但都能依舊保護(hù)默契配合，保持了極好的跳變譯碼能力和抗截碼的功能。

3 應(yīng)用電路

3.1 HCS301跳碼編碼器的管腳及其功能

    HCS301跳碼編碼器的引腳排列如圖3所示。

    引腳1-4：S0-S3，數(shù)據(jù)輸入通道，其中S2，S3在編程狀況時(shí)可作為時(shí)鐘輸入，引腳5：VSS，電源地；引腳7：LED，指示工作狀態(tài)及低電壓指示，可直接驅(qū)動(dòng)LED，低壓時(shí)，指示燈將以5次/秒的頻率閃爍；引腳8：VDD，電源，工作電壓為+3.5-+13.0V。

    編碼器 HCS301發(fā)出的密碼長(zhǎng)66位，由34位的固定碼和32位由KEELOQ算法產(chǎn)生的加密碼組成，固定碼主要包括28位的系列號(hào)（每個(gè)編碼器獨(dú)一無(wú)二），還含6個(gè)狀態(tài)位，其中2位顯示號(hào)碼是否重復(fù)、電源是否低壓；另外4位狀態(tài)位為4位的功能信息（即按鍵輸入組合情況）。32位的加密碼中含4位功能信息，以及12位的辨別碼（判斷譯碼過(guò)程是否有效）和16位同步計(jì)數(shù)器值。每次按下命令控制鍵時(shí)，譯碼器的同步計(jì)數(shù)器的值加1，從沖擊的角度看，有一半的位將發(fā)生改變，因此相鄰的密碼將大相徑庭。一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)，密碼將不會(huì)重復(fù)，不重復(fù)次數(shù)可達(dá)64K（216），有人統(tǒng)計(jì)過(guò)，如果每天按10次，那么要經(jīng)過(guò)18年密碼才有可能重復(fù)。

    HCS301還具有獨(dú)特的電源自動(dòng)關(guān)閉功能，即只有在有編碼信號(hào)時(shí)才進(jìn)入工作狀態(tài)，靜態(tài)功耗極低，降低了電源功耗。通過(guò)二極管陣列，HCS301最大可實(shí)現(xiàn)15個(gè)功能。

3.2 TDH6301跳碼譯碼器的管腳及其功能

    TDH6301跳碼譯碼器的引腳排列如圖4所示。

    引腳1：VDD，電源，一般接+5V；引腳2：LEARNIN，"學(xué)習(xí)"鍵；引腳3，LEARNLED，"學(xué)習(xí)"指示輸出；因該4：MCLR：譯碼器復(fù)位端口；引腳5：LMS，上拉時(shí)鎖存輸出，下拉時(shí)暫存輸出；引腳6：NC（D5），空引腳；引腳7：NC（D4），空引腳；引腳8- 11，D0-D3，數(shù)據(jù)輸出端；引腳12：VT，接收信號(hào)有效輸出；引腳13：RFIN，接收信號(hào)輸入；引腳14：VSS，接地。

    TDH6301與編碼芯片（HCS300或HCS301）配對(duì)使用，可省去了煩瑣的編碼和配對(duì)。他有兩種輸出方式，當(dāng)TDH6301的5端懸空時(shí)為脈沖型電平輸出方式，即無(wú)接收信號(hào)時(shí)，數(shù)據(jù)輸出將保持約500ms；當(dāng)TDH6301的5端接法如圖4所示時(shí)為鎖存型電平輸出方式，即輸出電平將保持到有其他輸出口接收信號(hào)時(shí)為止。

    TDH6301的輸出狀態(tài)由"學(xué)習(xí)"過(guò)的編碼器決定，即對(duì)應(yīng)的按鍵輸入組合產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的輸出組合，因而通過(guò)門電路組合TDH6301的輸出能夠?qū)崿F(xiàn)15個(gè)功能。

3.3 應(yīng)用電路圖

    HCS301的應(yīng)用電路非常簡(jiǎn)單，只需要幾個(gè)按鍵和幾個(gè)電路和電容就可實(shí)現(xiàn)，如果用于無(wú)線，還需要RF（射頻）電路，圖5為具有4個(gè)功能的編碼電路，通過(guò)二極管陣列任意組合S0-S3，HCS301最多可擴(kuò)展到15個(gè)功能。在傳輸?shù)倪^(guò)程中，指示燈將被點(diǎn)亮。如果HCS301檢測(cè)到有新的按鍵下，復(fù)位將立即產(chǎn)生，密碼將無(wú)法完整的發(fā)出。

    相應(yīng)的譯碼電路圖如圖6所示，譯碼器的RFIN端接收譯碼器PWM端輸出的信號(hào)：

    初次配對(duì)使用時(shí)，要先進(jìn)行"學(xué)習(xí)"。按下"學(xué)習(xí)"鍵，使譯碼器進(jìn)入"學(xué)習(xí)"接收狀態(tài)，學(xué)習(xí)指示燈閃亮一下后熄滅。之后的30s內(nèi)，按下編碼器的任意鍵，輸出信號(hào)代碼，若編碼器未被學(xué)習(xí)過(guò)，學(xué)習(xí)指示燈長(zhǎng)亮約1s后自動(dòng)熄滅，說(shuō)明編碼器輸出的代碼被成功學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)過(guò)程完成；若學(xué)習(xí)指示燈快速閃亮（>5次/s）表示學(xué)習(xí)失敗，可能是芯片不配套或者被燒壞，學(xué)習(xí)成功以后，這一對(duì)編譯碼器就可以同步跳變工作了。

    TDH6301譯碼器最多可支持15個(gè)譯碼器，只需經(jīng)過(guò)上述學(xué)習(xí)步驟，就可實(shí)現(xiàn)，當(dāng)編碼器學(xué)習(xí)溢出時(shí)（即超過(guò)15個(gè)編碼器時(shí)），譯碼器會(huì)從頭開(kāi)始自動(dòng)覆蓋并作廢最早一個(gè)已學(xué)習(xí)的譯碼器，長(zhǎng)按學(xué)習(xí)鍵超過(guò)8s，待學(xué)習(xí)燈LED熄滅后，譯碼器自動(dòng)清除存儲(chǔ)器里的記憶內(nèi)容，這樣就可讓遺失的編碼器失效而作廢，但此時(shí)所有的編碼器都失效，因此，所有的編碼器需重新進(jìn)行學(xué)習(xí)一遍才可正常使用。

4 結(jié)語(yǔ)

    譯碼芯片TDH6301有2種工作方式，可方便地選擇，跳碼芯片經(jīng)過(guò)擴(kuò)展，可以具有15個(gè)功能，跳碼技術(shù)的關(guān)鍵在于：對(duì)于同一動(dòng)作（如開(kāi)門），編碼器每次發(fā)出的編碼卻有極大不同，發(fā)過(guò)的碼字被記錄，重發(fā)也視為無(wú)效。且碼字具有足夠的長(zhǎng)度，保密性很高，足以抵抗使用儀器對(duì)碼字進(jìn)行掃描，因此，跳碼芯片至少在目前是傳統(tǒng)密碼鎖更型換代的理想產(chǎn)品，可廣泛應(yīng)用汽車遙控報(bào)警器、家庭安全系統(tǒng)、電子鑰匙、門禁系統(tǒng)、自動(dòng)門系統(tǒng)等高度安全保障領(lǐng)域。