【正文】 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。 目前 ， 基于滾動(dòng)密碼的無線遙控技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的很成熟了。將該技術(shù)融人汽車車門的控制電路，是汽車防盜系統(tǒng)最有潛力的發(fā)展方向。 蘇州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 5 頁(yè) 第 2章 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 汽車車門控制電路系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)總體框圖如圖 21 圖 21 系統(tǒng)框架圖 本系統(tǒng)主要由無線發(fā)射、接收電路和驅(qū)動(dòng)電路三部分組成，基于滾動(dòng)碼加密技術(shù)來設(shè)計(jì)高性能遙控的汽車車門控制電路。遙控器是這個(gè)系統(tǒng)的控制端，遙控器在這個(gè)系統(tǒng)中起著控制功能。當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，無線接收電路接收 到信息后，將信息傳輸給滾動(dòng)碼解碼器，解碼器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行鑒別、提取和相應(yīng)的處理，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行電路，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車車門的無線控制。即可以通過操作遙控器的鍵來控制汽車的中控門鎖 ， 實(shí)現(xiàn)汽車車門的自動(dòng)開和關(guān)的功能。 第 方案的選擇及比較 . 滾動(dòng)碼技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式的選擇 本項(xiàng)目的研究 關(guān)鍵在于滾動(dòng)碼技術(shù)的實(shí)現(xiàn) 。 本質(zhì)而言，滾動(dòng)碼技術(shù)就是一種復(fù)雜的協(xié)議。其實(shí)現(xiàn)有硬件方式和軟件方式兩種。前者有諸多顯著優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)亦存在不足之處：成本較高，需單片機(jī) MCU 控制，大批量時(shí)尤為突出； Keeloq 技術(shù)對(duì)按鍵指令編碼只停留于檢錯(cuò)層面，未作糾錯(cuò)層面編碼；按鍵 指令只有 4 種功能，即使采用組合方式最多亦只有 l5種功能。既不方便，功能擴(kuò)展亦困難；某特定型號(hào)芯片的序列和同步計(jì)數(shù)器長(zhǎng)度均固定，系統(tǒng)建成后，無法以軟件方式升級(jí)、擴(kuò)容、提高系統(tǒng)性能；靈活性較差，特別是核心技術(shù)受制于人。后者核心是 Keeloq 算法的軟件實(shí)現(xiàn)，優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)為：靈活性強(qiáng)，可按需要進(jìn)發(fā)射信號(hào) 按鍵輸指令 編碼電路 產(chǎn)生信號(hào) 接收電路 解碼電路 驅(qū)動(dòng)電路 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng) LED 亮 蘇州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 6 頁(yè) 行設(shè)計(jì)；序列號(hào)、加密鑰匙、同步計(jì)數(shù)器長(zhǎng)度可根據(jù)需要選擇，其升級(jí)、修改均較容易；按鍵指令進(jìn)行糾錯(cuò)編碼，用加密鑰匙對(duì)發(fā)送信息編碼時(shí)可有重點(diǎn)地選擇較復(fù)雜的變換處理；節(jié)約成本，系統(tǒng)設(shè)計(jì)較少依賴硬件。雖然如此，考慮到技術(shù)成熟性，特別是 應(yīng)用系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性等，所以本項(xiàng)目研究主要采用硬件方式來實(shí)現(xiàn)。 . 滾動(dòng)碼芯片的選擇 方案中編碼解碼電路選用編碼芯片 HCS301 與解碼芯片 TDH6301 相配對(duì)的一組滾動(dòng)碼芯片 。 當(dāng)兩芯片的地址相同時(shí)，才能正常接發(fā)收編碼。編碼電路以 HCS301 為核心加上少量的外圍元件組成。 HCS301 的工作電壓為 ++。解碼電路以 TDH6301 加上少量的外圍元件組成， TDH6301 的工作電壓為 。 . 無線發(fā)射、接收模塊的選擇 方案中發(fā)射、接收電路選用的是 無線收發(fā)芯片 nRF905。 nRF905 是挪威 Nordic VLSI公司推出的單片射頻收發(fā)器，工作電壓為 ～ ， 32 引腳 QFN 封裝 (55mm)，工作于 433/868/915MHz 三個(gè) ISM(工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué) )頻道，頻道之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間小于 650us。 . 驅(qū)動(dòng)電路的方案選擇 方案中的驅(qū)動(dòng)電路用電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)來表示汽車車門的開與關(guān)，電動(dòng)機(jī)的工作電壓為 6V。 第 KEELOQ 滾動(dòng)加密技術(shù) . 汽車門鎖的硬件實(shí)現(xiàn)方法與加密方法 如圖 39 所示為汽車門鎖的結(jié)構(gòu)圖 ， 編碼部分即遙控器 ,用戶只要操作遙控器上的幾個(gè)按鍵就可以實(shí)現(xiàn)開鎖、閉鎖和允許汽車點(diǎn)火等操作 。 解碼部分 安裝在汽車內(nèi) ， 它同樣是通過射頻接收遙控器的數(shù)據(jù) ， 然后將接收的數(shù)據(jù)利用單片機(jī)進(jìn)行 KEELOQ 解碼技術(shù)將其解密 ， 最終獲得按鍵信息而執(zhí)行相應(yīng)的操作。 圖 39 汽車門鎖硬件結(jié)構(gòu)圖 按鍵 HCS301 射頻 編碼部分 EEPROM 單片機(jī) 狀態(tài)指示 中控鎖驅(qū)動(dòng) 學(xué)習(xí)鍵 射頻 解碼 部分 蘇州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 7 頁(yè) Microchip 公司以 KEELOQ 技術(shù)為基礎(chǔ)開發(fā)了滾動(dòng)碼系統(tǒng)專用芯片 ， HCS301 是其中較典型的一款 ， 8 引腳封裝的編碼 IC 芯片 ， 里面集成了 KEELOQ 算法和其他一些功能 ，帶有 4 個(gè)按鍵接口 ， 實(shí)現(xiàn) 15 位的功能 / 命令碼。內(nèi)置 192 b (12 16 b words) EEPROM，用來存放 EN_ KEY(加密密鑰 )、 SN (序列號(hào) )、 SYNC (同步碼 )、 SEED (種子碼 ) 等。序列號(hào)用來標(biāo)識(shí)不同的對(duì)象 ， 加密密鑰用來對(duì)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密 ,增加破譯的難度 ， 它不直接發(fā)送出去。同步計(jì)數(shù)器用來抗截獲 ， 每次發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí) ， 同步計(jì)數(shù)器的值都被更新 ， 所以每次發(fā)送的數(shù)據(jù)都不一樣 ， 種子碼用于安全學(xué)習(xí)時(shí)參與加密密鑰的生成。接收方必須先通過學(xué)習(xí)來獲得并存儲(chǔ)發(fā)送方的序列號(hào)、加解密密鑰和當(dāng)前同步計(jì)數(shù)器的值 ， 學(xué)習(xí)相當(dāng)于身份確認(rèn) ， 只有經(jīng)過學(xué)習(xí)的用戶才能與主機(jī)通信。主機(jī)在接收到信號(hào)后 ， 首先比對(duì)序列號(hào) ， 然后利用學(xué)習(xí) 過程中得到并存儲(chǔ)的加密密鑰對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行解密。接著檢查同步計(jì)數(shù)器是否匹配 ,在確認(rèn)其匹配后 ， 再去處理接收到的按鍵信令 ， 并根據(jù)接收到的按鍵信令做出相應(yīng)的動(dòng)作反應(yīng)。 HCS301 的 系統(tǒng)使每次發(fā)送的密文都不相同 ， 有效防止了空中截獲法和數(shù)據(jù)重傳帶來的安全隱患。圖 310 所示為 HCS301 的硬件 KEELOQ 加密原理圖。 圖 310 HCS301 加密方法原理圖 要啟動(dòng)編碼器 ( HCS301) 只需將按鍵按下即可 ， 每次按鍵均會(huì)產(chǎn)生一組新的編碼 ， 內(nèi)部 IC 的基本 動(dòng)作如下 ： （ 1） 同步計(jì)數(shù)值會(huì)自動(dòng)加 1 后再存入其 EEPROM； （ 2） 同步計(jì)數(shù)值、識(shí)別碼和功能鍵會(huì)重新編碼加密后 以產(chǎn)生一組新的跳碼 (hopping code) ， 新產(chǎn)生的 66 bits 資料碼會(huì)被傳送到接收器進(jìn)行解碼的動(dòng)作。 產(chǎn)生編碼密碼 (encryption key) 有 2 種方法 : 固定碼部分（ 34） 跳動(dòng)碼部分（ 32b） 功能鍵 序號(hào) 跳碼 S1 S2 S3 S4 序號(hào)（ 28b） 密碼（ 64b） 識(shí)別碼（ 28b） 序號(hào)（ 28b） +1 加密算法 密碼輸出 蘇州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 8 頁(yè) （ 1） 簡(jiǎn)易編碼法 ( simple encode) 編碼密碼 (encryption key) 等于制造商代碼 ,或者 ,編碼密碼 (encryption key) 不會(huì)隨著序號(hào)改變。 （ 2） 標(biāo)準(zhǔn)編碼法 (normal encode) 編碼密碼 (encryption key) 不等于制造商代碼 ， 或者編碼密碼 (encryption key) 是由制造商代碼及序號(hào)共同產(chǎn)生 ， 任何一項(xiàng)改變編碼密碼 ( encryption key) 也會(huì)跟著改變。 . 汽車門鎖的軟件解密實(shí)現(xiàn)方法 為了使解碼部分獲得解密密鑰 ， 在這種硬件加密 ， 軟件解密的 KEELOQ 滾動(dòng)碼汽車防盜鎖交付使用之前 ， 它還需要學(xué)習(xí)以獲得解密密鑰 ， 因?yàn)槭褂弥械木幋a器和解碼器必須一一配對(duì) ， 以防止多個(gè)遙控器打開同一個(gè)車門的情況。在解碼器未經(jīng)過學(xué)習(xí)之前 ， 除了制造商代碼之外其他什么都不知道 ,接收解 碼器需要眾多的解碼資料存儲(chǔ)在 EEPROM 中 ， 而這些資料的提供者就是遙控發(fā)射器 (即編碼器 )： 序號(hào) ， 同步計(jì)數(shù)值 ， 識(shí)別碼和編碼密碼。 KEELOQ 有 3 種學(xué)習(xí)模式 : （ 1） 簡(jiǎn)易學(xué)習(xí)模式 這種學(xué)習(xí)模式比較簡(jiǎn)單 ， 其解密密鑰就等于制造商代碼 ,而制造商代碼可以固化在程序中 ,或者事先存儲(chǔ)在解碼器的 EEPROM 中 ， 在一次的學(xué)習(xí)過程中解碼器就可以獲得序號(hào) ，識(shí)別碼和同步計(jì)數(shù)值。這些資料在學(xué)習(xí)的過程中存儲(chǔ)在 EEPROM 中以供以后解密使用。這種學(xué)習(xí)模式的優(yōu)點(diǎn)在于簡(jiǎn)單易懂 ， 解碼程序較短。但是假如制造商代碼是公開的 ， 則使用相同制 造商代碼的系統(tǒng)就有可能被破解。 （ 2） 標(biāo)準(zhǔn)學(xué)習(xí)模式 標(biāo)準(zhǔn)學(xué)習(xí)模式必須通過兩次學(xué)習(xí)得到解密密鑰 ， 第一次學(xué)習(xí)取得解密密碼 ， 序號(hào) ， 識(shí)別碼和同步計(jì)數(shù)值 ， 第二次學(xué)習(xí)檢查同步計(jì)數(shù)值后存儲(chǔ)在 EEPROM 中。在這種學(xué)習(xí)模式中 ,解密密鑰不等于制造商代碼 ， 它是通過制造商代碼與序號(hào)過兩次運(yùn)算得到 64 b 的解密密鑰 ， 也就是說固化在程序中的制造商代碼并不是解密密鑰 ， 真正的解密密鑰要在學(xué)習(xí)之后才能得知 ， 它不為人所掌握。 （ 3） 安全學(xué)習(xí)模式 在安全學(xué)習(xí)模式中 ， 引入種子碼以獲得解密密鑰。利用種子碼通過解密算法產(chǎn)生低 32 位的解密密鑰 ， 再利用序號(hào)通過解密算法產(chǎn)生高 32 位的解密密鑰 ， 計(jì)算出全部的 64 位則為真正的解密密鑰。不管在學(xué)習(xí)過程中 ， 還是在使用過程中 ,接收的資料需要通過KEELOQ 軟件解碼 ， 其解密過程如下 : 接收有效的 KEELOQ 資料 ， 共 66 b ； 檢查接收資料的固定碼部份是否與資料庫(kù)中的序號(hào)相同 ； 自資料庫(kù)中取出 64 b 解密密鑰 (encryption key) ； 蘇州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 9 頁(yè) 將接收到的資料加以解碼產(chǎn)生 4 種資料 ,即功能鍵、溢位、識(shí)別碼、同步計(jì)數(shù)值 ； 檢驗(yàn) 10 b 的“識(shí)別碼” ， 識(shí)別碼的值 (內(nèi)定 ) 與序號(hào) ( serial number) 的低 10 位元相等 ； 比較固定碼中的“功能鍵”值與解碼后的“功能鍵”值是否相等 ， 按鍵排列順序?yàn)?： S2(MSB)， S1， S0， S3(LSB)； 檢查“同步計(jì)數(shù)值”的變化是否正確。 蘇州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 10 頁(yè) 第 3章 主要選用芯片 第 編碼芯片 HCS301 . HCS301 的管腳及其功能 HCS301 的引腳排列如圖 31 所示 。 S01S12LED7VDD8PWM6VSS5S23S34HCS301 圖 31 HCS301引腳排列 引腳 14： S0S3，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 ++。 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） 次 。 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。通過二極管陣列， HCS301 最大可實(shí)現(xiàn) 15 個(gè)功能。 . HCS301 編碼原理 HCS301 在使用之前 ， 必須產(chǎn)生一個(gè)唯一的加密密鑰。密鑰產(chǎn)生過程 如圖 32 所示 ： 由工廠代碼和系列號(hào)起經(jīng)密鑰產(chǎn)生算法形成唯一的加密密碼 ， 然后寫人片內(nèi) EEPR0M。工廠代碼又稱系列碼或制造商碼，長(zhǎng)度為 64Bit。每一個(gè)制造商均不相同。它用于產(chǎn)生與每一個(gè)編碼器相對(duì)應(yīng)的唯一加密密鑰。工廠代碼是整個(gè)系統(tǒng)安全的關(guān)鍵。應(yīng)規(guī)范管理、保存。如工廠代碼泄密 ， 則整個(gè)系統(tǒng)沒有任何安全性可言。系列號(hào)為 28Bit，對(duì)應(yīng)于每一個(gè)編碼器，可作為用戶碼。 蘇州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 11 頁(yè) 圖 32 加密密鑰匙生成原理圖 . HCS301 的編碼過程 由原代碼，加密密鑰及同步碼等經(jīng) Keeloq 算法加密后，產(chǎn)生 32Bit 高度保密的滾動(dòng)代碼。由于 Keeloq 算法的復(fù)雜性和 16 位同步碼每次傳輸時(shí)都要更新。故每次傳輸代碼都和上一次 的代碼完全不同。 只有在傳輸 64K（ 216） 次后才可能重復(fù) ， 以每天傳送 10 次代碼計(jì)算 ， 時(shí)間間隔為 18 年之久 。編碼過程 如圖 33 所示 ： 圖 33 滾動(dòng)碼產(chǎn)生圖 . 片內(nèi) EEPR0M HCS301 片內(nèi)具有 192Bit (16 x12)EEPROM，用于存儲(chǔ)加密密鑰、序列號(hào)同步值和其它信息，在使用 HCS301 之前和使用之中都需要對(duì)其進(jìn)行操作。使用之前需對(duì)其進(jìn)行編程。為保密起見。只有在編程 EEPROM 之后相當(dāng)短的時(shí)間內(nèi)才能進(jìn)行回讀檢驗(yàn)。其它時(shí)間為禁讀狀態(tài)。使用之 中則讀 EEPROM 信息加密，產(chǎn)生發(fā)送代碼，并更新同步值。 . HCS301 發(fā)碼格式 HCS301 的發(fā)碼信息由幾個(gè)部分組成 如圖 34 所示 。每次發(fā)碼的碼字以引導(dǎo)碼標(biāo)志和頭標(biāo)開始，接著是滾動(dòng)和固定碼部分 ， 最后為每次發(fā)送的保護(hù)時(shí)