基于KEELOQ跳碼技術的密碼系統(tǒng)設計

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)得到廣泛的應用，這些芯片簡單易用，但具有很大的缺陷：編碼量少而極易重碼；密碼長度短（一般為8-12位，最多不超過16位），因而數(shù)據(jù)極易被掃描和破譯，不能滿足高安全場合的需要。

基于KEELOQ技術的跳碼芯片則克服了以上兩個缺陷，較好地解決了密碼的防盜問題，所謂跳碼，就是密碼不是固定的，而且不斷跳動變化的，是為滿足高性能要求而設計的，跳碼芯片的使用十分簡便，只要在第一次使用前，編譯碼器進行一次"學習"，使編譯碼器的密碼同步，通常一個譯碼器可以支持多個編碼器，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換代產(chǎn)品。

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

跳碼芯片的密碼雖是一大串幾乎隨機的亂麻，但實際毫不紊亂，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）在傳輸過程并不加密，主要包括編碼器的系列號，在與譯碼器的配套使用中作識別信號。

跳碼包括功能信息、辨別碼以及同步計數(shù)器、通過一個加密算法加密后再傳送出去。跳碼芯片在使用前必須預置序列號、加密鑰匙、同步計數(shù)器、發(fā)送方和接收方一起工作前，接收方必須先通過"學習"來獲得并存儲發(fā)送方的序列號、加密鑰匙和當前同步計數(shù)器的值。

硬件實現(xiàn)KEELOQ技術加密過程如圖1所示。

在KEELOQ技術中"學習"功能是一個重要部分，"學習"包括清除原來的存儲的信息和學習新的信息，每對跳碼型編譯碼器在使用前都要至少單向"學習"一次，密碼在第一次配對使用時是隨機產(chǎn)生的亂碼。然后把要配對的編碼器的密碼傳進譯碼器，譯碼器就會學習和存儲這一次的安全代碼，從此這一對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確譯出編碼器的密碼，同時，這一存入的安全代碼被作為無效碼參考，再收到同樣的密碼就會視而不見，因而能有效地防止偷碼冒用。

最后，譯碼器設計了一套容錯算法，他不但能預知配對的編碼器的下一個密碼變化，而且能預知他以后256次的變化碼，并都能準確譯出，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在編程狀況時可作為時鐘輸入，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LED，低壓時，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（每個編碼器獨一無二），還含6個狀態(tài)位，其中2位顯示號碼是否重復、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（判斷譯碼過程是否有效）和16位同步計數(shù)器值。每次按下命令控制鍵時，譯碼器的同步計數(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。一個相當長的時期內(nèi)，密碼將不會重復，不重復次數(shù)可達64K（216），有人統(tǒng)計過，如果每天按10次，那么要經(jīng)過18年密碼才有可能重復。

HCS301還具有獨特的電源自動關閉功能，即只有在有編碼信號時才進入工作狀態(tài)，靜態(tài)功耗極低，降低了電源功耗。通過二極管陣列，HCS301最大可實現(xiàn)15個功能。

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，"學習"鍵；引腳3，LEARNLED，"學習"指示輸出；因該4：MCLR：譯碼器復位端口；引腳5：LMS，上拉時鎖存輸出，下拉時暫存輸出；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，接收信號有效輸出；引腳13：RFIN，接收信號輸入；引腳14：VSS，接地。

TDH6301與編碼芯片（HCS300或HCS301）配對使用，可省去了煩瑣的編碼和配對。他有兩種輸出方式，當TDH6301的5端懸空時為脈沖型電平輸出方式，即無接收信號時，數(shù)據(jù)輸出將保持約500ms；當TDH6301的5端接法如圖4所示時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時為止。

TDH6301的輸出狀態(tài)由"學習"過的編碼器決定，即對應的按鍵輸入組合產(chǎn)生對應的輸出組合，因而通過門電路組合TDH6301的輸出能夠?qū)崿F(xiàn)15個功能。

3.3 應用電路圖

HCS301的應用電路非常簡單，只需要幾個按鍵和幾個電路和電容就可實現(xiàn)，如果用于無線，還需要RF（射頻）電路，圖5為具有4個功能的編碼電路，通過二極管陣列任意組合S0-S3，HCS301最多可擴展到15個功能。在傳輸?shù)倪^程中，指示燈將被點亮。如果HCS301檢測到有新的按鍵下，復位將立即產(chǎn)生，密碼將無法完整的發(fā)出。

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

TDH6301譯碼器最多可支持15個譯碼器，只需經(jīng)過上述學習步驟，就可實現(xiàn)，當編碼器學習溢出時（即超過15個編碼器時），譯碼器會從頭開始自動覆蓋并作廢最早一個已學習的譯碼器，長按學習鍵超過8s，待學習燈LED熄滅后，譯碼器自動清除存儲器里的記憶內(nèi)容，這樣就可讓遺失的編碼器失效而作廢，但此時所有的編碼器都失效，因此，所有的編碼器需重新進行學習一遍才可正常使用。

4 結語

譯碼芯片TDH6301有2種工作方式，可方便地選擇，跳碼芯片經(jīng)過擴展，可以具有15個功能，跳碼技術的關鍵在于：對于同一動作（如開門），編碼器每次發(fā)出的編碼卻有極大不同，發(fā)過的碼字被記錄，重發(fā)也視為無效。且碼字具有足夠的長度，保密性很高，足以抵抗使用儀器對碼字進行掃描，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，可廣泛應用汽車遙控報警器、家庭安全系統(tǒng)、電子鑰匙、門禁系統(tǒng)、自動門系統(tǒng)等高度安全保障領域。