智能遥控汽车门锁设计电子应用技术专业毕业设计毕业论文.docx

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智能遥控汽车门锁设计电子应用技术专业毕业设计毕业论文

智能遥控汽车门锁设计

苏州大学应用技术学院09电子转（学号0916936064）［庄尚］

智能遥控汽车门锁设计

苏州大学应用技术学院09电子转（学号0916936064）［庄尚］

【摘要】：

滚动码技术是一种使数据传输具有极高保密性加解密技术，且每次传输的代码都是唯一的。

该文详细分析了滚动码技术的编解码原理及发码格式。

利用HCS301滚动码编码器和解码芯片TDH6301，并应用Kelloq加密算法及非易失的同步参数使得由HCS301构成的系统具有极高的保密性，从而设计了一种可靠性和安全性较高的汽车车门控制电路。

系统编码信号由发射模块nRF905进行高频发射，经接收电路的接收模块接收解调。

文中给出了该设计方法详细的原理说明和具体的设计电路。

该设计的电路和控制方法适用于一般的简单的遥控系统设计，硬件设计也有一定的实用性和通用性。

【关键词】：

滚动码技术；Keeloq；编码器；解码器

[Abstract]:

Thehoppingcodetechnologyisanencryptionanddecryptiontechniqueofhighsecuritydatatransfer,andthehoppingcodemechanismmakeseachtransmissionunique.Thispaperparticularlyintroduceshoppingcodetheoryandsendingcodeformat.TheapplicationofHCS301hoppingcodeencoderanddecoderchipTDH6301,withKelloqcryptographicalgorithmandnon-volatilesynchronousparametermaketheHCS301systemconsistingofhighconfidentiality,whichcontributestothedesignofacardoorcontrolcircuithigherinreliabilityandsafety.SystemencodedsignalislaunchedinhighfrequencybytransmittermodulenRF905,andisreceivedanddemodulatedbyreceivermoduleofthereceivingcircuitedpapergivesdetailsofthedesignmethodandtheprincipleaswellasthespecificdesigncircuit.Thedesignofthiscircuitandcontrolmethodsisapplicabletogeneralandsimpleremotecontrolsystemdesign,andthehardwaredesignisalsopracticalandversatile.

[Keywords]:

hoppingcode；Keeloq；encoder；decoder

前言

随着人们生活水平的不断提高，汽车越来越多地进入千家万户，但随着社会汽车数量的增多，汽车被盗数量也逐年上升，车辆安全已成为汽车用户关注的问题。

因此，开发高可靠的汽车防盗系统具有重要的经济价值和社会意义。

汽车电子钥匙是汽车防盗的一个关键技术，随着微电子工业制造技术的飞速发展，无线通信功能的短程、便捷、廉价的无线通信技术正引起越来越多的关注，单片机以其简单、可靠、控制功能强，成本极低的优势被迅速应用到汽车门锁的控制系统的设计中，使得智能门锁开门的“钥匙”摆脱传统的金属钥匙，发展到如今具有远程控制功能的智能门锁。

目前，我国很多的汽车无线门禁钥匙系统由钥匙发射模块和车内接收模块组成，用户按下钥匙上的按钮开关触发系统工作，进行自动遥控车门和寻车的功能。

目前国际上的遥控、防盗、安全产品中已越来越多的采用跳码型编解码芯片。

如目前国外的豪华车如宝马奔施等均配备了原装的跳码型汽车防盗报警器。

无论采用何种方法都不能破译跳码型防盗报警器的密码，使高级汽车的安全得到极大的保证。

第1章绪论

第1.1节汽车车门控制电路的现状

汽车车门控制电路，即是在控制端把控制指令以某种编码方式形成易于传输的信号，通过无线传输，在受控端经解码等处理形成相应的控制操作,实现汽车车门的开与关。

无线控制方式多种多样，可以根据不同的应用需要采用适宜的方式。

各种遥控方式的不同，主要在于信息的编码处理方式和信息的传输方式。

所传信息的形式以及信息量的大小决定采用何种信息编码和处理方式。

在编码方式上，目前在简单信息的遥控中常采用的是PCM方式和DTMF方式。

这两种方式均具有实现简单、可靠性高的优点。

对于复杂以及大量信息的遥控，可以采用相应的信号处理方式，经过适当的信源信道编码以及数字调制等处理来生成易于传输的信号。

对于这些编码处理方式，可以根据系统功能需要进行灵活选择。

无线遥控编解码技术根据所使用的编解码芯片类型的划分，主要有固定编码、学习码、滚动码加密技术三大类。

1.1.1.固定码加密技术

固定码加密无线遥控识别技术是采用专门的编码／解码芯片，通过改变编码芯片和与之配对的解码芯片地址位的不同状态，即：

将地址位通过选择悬空、搭铁、接电源正（三态编码芯片）的不同组合，来获得不同的钥匙量，只有编码芯片的地址位与解码芯片的地址位状态完全一致，解码芯片才能输出信号。

发射和接收的多位地址数据密码是确认用户合法性的关键。

由固定型编解码芯片组成的遥控装置，缺点是线路复杂，保密性较差。

这些芯片用于加密的地址码是通过地址线的连接来设置的，只要打开遥控装置的外壳，根据线路板的连线即可读出地址码。

同时，6～12条地址线所能形成的地址编码总数也不够大，如果使用一种被称为“编码扫描器”的设备，通过单片机自动将全部的编码依次编出，并通过无线电发射出去，一直到接收电路响应为止，对于PT2262所形成的编码，破解的时间不会超过2小时。

1.1.2.学习码加密技术

为了克服固定码技术的缺点，近年来研发了学习型编解码芯片，采用软件编码的方式，电路简单，地址编码总数也有明显的提高，价格与固定编码型芯片差不多，因此有人认为可以成为固定型编解码芯片的替代产品。

与固定编码解码芯片相比，使用学习型编解码芯片有以下好处。

（1）由固定码芯片组成的遥控装置，需要在线路板上手工编码，编解码地址设置要一一对应，费时费力。

采用学习码芯片时则不存在这些问题，因为密码是厂家通过软件设置的，不同密码的发射电路在线路板焊接上并无差别，因此可以自动焊接。

（2）同样多的数据位，学习码芯片编码总组数大大高于固定编码芯片。

（3）对于学习码芯片编码，既可以采用专用芯片解码（称为硬件解码），也可以通过单片机解码（称为软件解码）。

由于有上述优点，学习型编解码组成的遥控电路特别适用于保密性要求较高的场合，例如卷帘门遥控、汽车车门遥控、家庭门禁、电子锁等。

但学习型编解码方式仍有明显的缺点，这就是使用时，其密码容易从空中被截获，只要在发射芯片附近（一般为十几米范围内）安置一个具有存储功能的无线接收装置，盗窃者即可轻易地获得密码，使用这一密码就能顺利打开车门、电子锁等。

1.1.3.滚动码加密技术

进一步提高保密性的编解码技术是滚动码技术。

滚动码加密又称跳码技术，是目前最先进的编解码技术。

它是采用一种非线性加密算法对原代码进行随机加密，从而产生长度为66位的高保密度的密码控制信号（典型应用于提供4路数据三态（瞬态、锁存、双稳态信号），并且每次所发射的密码都是惟一的，不重复。

系统具有钥匙学习记忆功能，若遥控器丢失，系统可以重新学习新的遥控器，而原来的遥控器即被擦除，即使他人使用原来的遥控器，系统也会拒绝读取。

滚动码解码电路由微处理器（单片机CPU）、外接电可擦存储器（EEPROM）及相应的软件程序组成。

第1.2节课题研究的意义

随着人们生活水平的提高，汽车已逐渐进入人们的生活，但是经常发生汽车被盗窃事件，究其原因密码容易被截获破译，盗窃者使用这一密码即可轻易打开车门。

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。

因此，研究开发一种能进一步提高保密性、密码不易被破译的汽车车门控制电路，有着非常现实的意义。

基于KEELOQ技术的滚动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。

滚动码又称跳码，是一种复杂的非线性加密算法，使数据传输具有极高的保密性．每次传输的代码都是唯一的、不规则的、且不重复．使得任何通过非法捕捉和扫描跟踪等破译手段都难以奏效。

滚动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。

目前，基于滚动密码的无线遥控技术已经发展的很成熟了。

将该技术融人汽车车门的控制电路，是汽车防盗系统最有潜力的发展方向。

第2章系统设计

第2.1节汽车车门控制电路系统的总体结构

系统总体框图如图2-1

图2-1系统框架图

本系统主要由无线发射、接收电路和驱动电路三部分组成，基于滚动码加密技术来设计高性能遥控的汽车车门控制电路。

遥控器是这个系统的控制端，遥控器在这个系统中起着控制功能。

当系统正常工作时，无线接收电路接收到信息后，将信息传输给滚动码解码器，解码器对数据进行鉴别、提取和相应的处理，驱动执行电路，从而实现对汽车车门的无线控制。

即可以通过操作遥控器的键来控制汽车的中控门锁，实现汽车车门的自动开和关的功能。

第2.2节方案的选择及比较

2.2.1.滚动码技术实现方式的选择

本项目的研究关键在于滚动码技术的实现。

本质而言，滚动码技术就是一种复杂的协议。

其实现有硬件方式和软件方式两种。

前者有诸多显著优点，同时亦存在不足之处：

成本较高，需单片机MCU控制，大批量时尤为突出；Keeloq技术对按键指令编码只停留于检错层面，未作纠错层面编码；按键指令只有4种功能，即使采用组合方式最多亦只有l5种功能。

既不方便，功能扩展亦困难；某特定型号芯片的序列和同步计数器长度均固定，系统建成后，无法以软件方式升级、扩容、提高系统性能；灵活性较差，特别是核心技术受制于人。

后者核心是Keeloq算法的软件实现，优点主要表现为：

灵活性强，可按需要进行设计；序列号、加密钥匙、同步计数器长度可根据需要选择，其升级、修改均较容易；按键指令进行纠错编码，用加密钥匙对发送信息编码时可有重点地选择较复杂的变换处理；节约成本，系统设计较少依赖硬件。

虽然如此，考虑到技术成熟性，特别是应用系统的稳定性、可靠性等，所以本项目研究主要采用硬件方式来实现。

2.2.2.滚动码芯片的选择

方案中编码解码电路选用编码芯片HCS301与解码芯片TDH6301相配对的一组滚动码芯片。

当两芯片的地址相同时，才能正常接发收编码。

编码电路以HCS301为核心加上少量的外围元件组成。

HCS301的工作电压为+3.5-+13.0V。

解码电路以TDH6301加上少量的外围元件组成，TDH6301的工作电压为2.0-5.5V。

2.2.3.无线发射、接收模块的选择

方案中发射、接收电路选用的是无线收发芯片nRF905。

nRF905是挪威NordicVLSI公司推出的单片射频收发器，工作电压为1.9～3.6V，32引脚QFN封装（5×5mm），工作于433/868/915MHz三个ISM（工业、科学和医学）频道，频道之间的转换时间小于650us。

2.2.4.驱动电路的方案选择

方案中的驱动电路用电动机的正转反转来表示汽车车门的开与关，电动机的工作电压为6V。

第2.3节KEELOQ滚动加密技术

2.3.1.汽车门锁的硬件实现方法与加密方法

如图3-9所示为汽车门锁的结构图，编码部分即遥控器,用户只要操作遥控器上的几个按键就可以实现开锁、闭锁和允许汽车点火等操作。

解码部分安装在汽车内，它同样是通过射频接收遥控器的数据，然后将接收的数据利用单片机进行KEELOQ解码技术将其解密，最终获得按键信息而执行相应的操作。

图3-9汽车门锁硬件结构图

Microchip公司以KEELOQ技术为基础开发了滚动码系统专用芯片，HCS301是其中较典型的一款，8引脚封装的编码IC芯片，里面集成了KEELOQ算法和其他一些功能，带有4个按键接口，实现15位的功能/命令码。

内置192b（12×16bwords）EEPROM，用来存放EN_KEY（加密密钥）、SN（序列号）、SYNC（同步码）、SEED（种子码）等。

序列号用来标识不同的对象，加密密钥用来对发送的数据进行加密,增加破译的难度，它不直接发送出去。

同步计数器用来抗截获，每次发送数据时，同步计数器的值都被更新，所以每次发送的数据都不一样，种子码用于安全学习时参与加密密钥的生成。

接收方必须先通过学习来获得并存储发送方的序列号、加解密密钥和当前同步计数器的值，学习相当于身份确认，只有经过学习的用户才能与主机通信。

主机在接收到信号后，首先比对序列号，然后利用学习过程中得到并存储的加密密钥对接收的数据进行解密。

接着检查同步计数器是否匹配,在确认其匹配后，再去处理接收到的按键信令，并根据接收到的按键信令做出相应的动作反应。

HCS301的系统使每次发送的密文都不相同，有效防止了空中截获法和数据重传带来的安全隐患。

图3-10所示为HCS301的硬件KEELOQ加密原理图。

图3-10　HCS301加密方法原理图

要启动编码器（HCS301）只需将按键按下即可，每次按键均会产生一组新的编码，内部IC的基本动作如下：

（1）同步计数值会自动加1后再存入其EEPROM；

（2）同步计数值、识别码和功能键会重新编码加密后

以产生一组新的跳码（hoppingcode），新产生的66bits资料码会被传送到接收器进行解码的动作。

产生编码密码（encryptionkey）有2种方法:

（1）简易编码法（simpleencode）

编码密码（encryptionkey）等于制造商代码,或者,编码密码（encryptionkey）不会随着序号改变。

（2）标准编码法（normalencode）

编码密码（encryptionkey）不等于制造商代码，或者编码密码（encryptionkey）是由制造商代码及序号共同产生，任何一项改变编码密码（encryptionkey）也会跟着改变。

2.3.2.汽车门锁的软件解密实现方法

为了使解码部分获得解密密钥，在这种硬件加密，软件解密的KEELOQ滚动码汽车防盗锁交付使用之前，它还需要学习以获得解密密钥，因为使用中的编码器和解码器必须一一配对，以防止多个遥控器打开同一个车门的情况。

在解码器未经过学习之前，除了制造商代码之外其他什么都不知道,接收解码器需要众多的解码资料存储在EEPROM中，而这些资料的提供者就是遥控发射器（即编码器）：

序号，同步计数值，识别码和编码密码。

KEELOQ有3种学习模式:

（1）简易学习模式

这种学习模式比较简单，其解密密钥就等于制造商代码,而制造商代码可以固化在程序中,或者事先存储在解码器的EEPROM中，在一次的学习过程中解码器就可以获得序号，识别码和同步计数值。

这些资料在学习的过程中存储在EEPROM中以供以后解密使用。

这种学习模式的优点在于简单易懂，解码程序较短。

但是假如制造商代码是公开的，则使用相同制造商代码的系统就有可能被破解。

（2）标准学习模式

标准学习模式必须通过两次学习得到解密密钥，第一次学习取得解密密码，序号，识别码和同步计数值，第二次学习检查同步计数值后存储在EEPROM中。

在这种学习模式中,解密密钥不等于制造商代码，它是通过制造商代码与序号过两次运算得到64b的解密密钥，也就是说固化在程序中的制造商代码并不是解密密钥，真正的解密密钥要在学习之后才能得知，它不为人所掌握。

（3）安全学习模式

在安全学习模式中，引入种子码以获得解密密钥。

利用种子码通过解密算法产生低32位的解密密钥，再利用序号通过解密算法产生高32位的解密密钥，计算出全部的64位则为真正的解密密钥。

不管在学习过程中，还是在使用过程中,接收的资料需要通过KEELOQ软件解码，其解密过程如下:

1、接收有效的KEELOQ资料，共66b；

2、检查接收资料的固定码部份是否与资料库中的序号相同；

3、自资料库中取出64b解密密钥（encryptionkey）；

4、将接收到的资料加以解码产生4种资料,即功能键、溢位、识别码、同步计数值；

5、检验10b的“识别码”，识别码的值（內定）与序号（serialnumber）的低10位元相等；

6、比较固定码中的“功能键”值与解码后的“功能键”值是否相等，按键排列顺序为：

S2（MSB），S1，S0，S3（LSB）；

7、检查“同步计数值”的变化是否正确。

第3章主要选用芯片

第3.1节编码芯片HCS301

3.1.1.HCS301的管脚及其功能

HCS301的引脚排列如图3-1所示。

图3-1HCS301引脚排列

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）次。

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。

3.1.2.HCS301编码原理

HCS301在使用之前，必须产生一个唯一的加密密钥。

密钥产生过程如图3-2所示：

由工厂代码和系列号起经密钥产生算法形成唯一的加密密码，然后写人片内EEPR0M。

工厂代码又称系列码或制造商码，长度为64Bit。

每一个制造商均不相同。

它用于产生与每一个编码器相对应的唯一加密密钥。

工厂代码是整个系统安全的关键。

应规范管理、保存。

如工厂代码泄密，则整个系统没有任何安全性可言。

系列号为28Bit，对应于每一个编码器，可作为用户码。

图3-2加密密钥匙生成原理图

3.1.3.HCS301的编码过程

由原代码，加密密钥及同步码等经Keeloq算法加密后，产生32Bit高度保密的滚动代码。

由于Keeloq算法的复杂性和16位同步码每次传输时都要更新。

故每次传输代码都和上一次的代码完全不同。

只有在传输64K（216）次后才可能重复，以每天传送10次代码计算，时间间隔为18年之久。

编码过程如图3-3所示：

图3-3滚动码产生图

3.1.4.片内EEPR0M

HCS301片内具有192Bit（16x12）EEPROM，用于存储加密密钥、序列号同步值和其它信息，在使用HCS301之前和使用之中都需要对其进行操作。

使用之前需对其进行编程。

为保密起见。

只有在编程EEPROM之后相当短的时间内才能进行回读检验。

其它时间为禁读状态。

使用之中则读EEPROM信息加密，产生发送代码，并更新同步值。

3.1.5.HCS301发码格式

HCS301的发码信息由几个部分组成如图3-4所示。

每次发码的码字以引导码标志和头标开始，接着是滚动和固定码部分，最后为每次发送的保护时间。

滚动码部分为32Bit加密数据；固定码部分为34Bit，包括状态位、功能位和28位系列号。

总计码组合多达7.38x10种。

图3-4发码格式

第3.2节滚动码解码芯片TDH6301

3.2.1.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3-6所示。

图3-6TDH6301引脚排列

TDH6301的工作电压为2.0-5.5V，工作温度为-40-+85℃，静态电流：

低功耗（待机状态<3uA）。

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；引脚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。

3.2.2.解码原理

解码器要正确地对接收到的PWM数据进行解码，首先必须对相应（指与解码器具有相同的厂商代码）的编码器进行学习，因为解码器在一开始只有厂商代码，没有其他用于解码用的数据，如系列号、密钥、同步值等。

根据HCS301工作于不同的加密方式，其学习后得到的数据是不一样的。

学习过程如图3-7所示。

图3-7学习编码器过程

用于对32位加密滚动码解密用的64位密钥产生原理同编码器的加密密钥，这与编码器的加密模式有关，因此必须要求编码器和解码器具有一致的加密和解密模式。

解码器在获得32位解密值后，必须经过系列号鉴别，若相同，则学习成功，并将系列号、同步值和解密密钥存入EEPROM中，为以后正确解码和相应的控制做好准备。

3.2.3.同步值识别

学习后解码器便可以正常工作。

解码器最终通过同步值识别来判断该次从编码器接收的数据是否合法，是否根据按键键值进行相应的控制。

解码器接收编码器发送来的数据后，先对接收到的滚动码进行解码，若该码合法，则继续对解码获得的同步值进行识别，识别方法如图3-8所示。

若解码获得的同步值与上次正常接收到的同步值的差值在l6K之内，则解码器工作在单操作窗口，就会马上根据键值进行相应的控制并更新EEPROM中的同步值；若差值在l6～32K之内，则解码器工作在双操作窗口等待接收下一次数据，若这两次同步值连续，则此次操作有效，并更新同步值；若差值在32K之外，则此次操作失败。

图3-8同步值识