NM95HS01/NM95HS02 HiSeC 高安全滾動(dòng)碼發(fā)生器：助力遠(yuǎn)程無(wú)鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在電子工程領(lǐng)域，安全和可靠性一直是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素。對(duì)于遠(yuǎn)程無(wú)鑰匙進(jìn)入（RKE）系統(tǒng)而言，如何確保信號(hào)的加密傳輸和高安全性是一個(gè)重要挑戰(zhàn)。Fairchild 半導(dǎo)體推出的 NM95HS01/NM95HS02 HiSeC 高安全滾動(dòng)碼發(fā)生器為這一問(wèn)題提供了出色的解決方案。今天，我們就來(lái)深入探討這款發(fā)生器的特點(diǎn)、工作原理和應(yīng)用設(shè)計(jì)。

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一、產(chǎn)品概述

NM95HS01/02 是一款小尺寸、單芯片 CMOS 設(shè)備，旨在為 RKE 應(yīng)用中的加密信號(hào)生成提供完整、低成本且高安全的解決方案。它每次激活最多 4 個(gè)開(kāi)關(guān)輸入之一時(shí)，都會(huì)生成一個(gè)完全編碼的位流。其專(zhuān)利編碼方案利用 248 種可能的用戶(hù)可編程編碼組合，具有高線性復(fù)雜度和相關(guān)性免疫能力，為每次傳輸生成唯一的滾動(dòng)碼，還可根據(jù)客戶(hù)需求定制算法，確保每個(gè)鑰匙都具有獨(dú)特性和高安全性。

該發(fā)生器支持紅外（IR）或射頻（RF）信號(hào)發(fā)射器，NM95HS01 可使用 RC 時(shí)鐘，NM95HS02 則使用晶體振蕩器。它在 2.2V 至 6.5V 的電壓范圍內(nèi)工作，并為電池應(yīng)用提供低功耗待機(jī)模式（<1μA）。產(chǎn)品有 8 引腳和 14 引腳 SO 封裝，分別提供 2 個(gè)或 4 個(gè)按鍵開(kāi)關(guān)輸入，可用于客戶(hù)預(yù)設(shè)（如座椅位置）和車(chē)輛操作功能（如車(chē)門(mén)鎖定/解鎖）。

二、產(chǎn)品特點(diǎn)剖析

1. 高安全性編碼

• 采用 248 種組合的高安全編碼方案，提供了極高的編碼復(fù)雜度，有效防止信號(hào)被破解。
• 具有高線性復(fù)雜度和相關(guān)性免疫能力，進(jìn)一步增強(qiáng)了編碼的安全性。

2. 寬電壓范圍與低功耗

• 支持 2.2V 至 6.5V 的工作電壓，適應(yīng)多種電源環(huán)境。
• 待機(jī)電流小于 1μA，大大延長(zhǎng)了電池使用壽命。

3. 靈活的時(shí)鐘選項(xiàng)

• 提供 RC 或 XTAL 時(shí)鐘選項(xiàng)，最高可支持 4.1MHz 操作，滿(mǎn)足不同設(shè)計(jì)需求。

4. 多種信號(hào)傳輸支持

• 支持 IR 和 RF 信號(hào)傳輸，可根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景靈活選擇。

5. 個(gè)性化定制

• 具備 13 字節(jié)的片上非易失性配置存儲(chǔ)器，用戶(hù)可根據(jù)需求進(jìn)行個(gè)性化配置。
• 提供獨(dú)特的定制算法選項(xiàng)，滿(mǎn)足特定應(yīng)用的安全需求。

6. 節(jié)省空間的封裝

• 采用窄體 SO8 或 SO14 封裝，節(jié)省電路板空間。

三、工作原理詳解

1. 編碼生成邏輯

NM95HS01/02 通過(guò)非線性方式組合多個(gè)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容，生成編碼輸出。寄存器中的數(shù)據(jù)包括用戶(hù)可編程數(shù)據(jù)、工廠可編程數(shù)據(jù)和隨機(jī)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)通過(guò)非線性邏輯塊進(jìn)行加密，并將部分輸出反饋，最終生成具有高線性復(fù)雜度和相關(guān)性免疫的編碼輸出。

2. 寄存器配置

• 產(chǎn)品內(nèi)置 13 字節(jié)的非易失性 EEPROM 存儲(chǔ)器，用于配置設(shè)備寄存器。用戶(hù)可對(duì)其進(jìn)行編程，設(shè)置所需的配置，然后禁用寫(xiě)入功能，防止篡改。
• 用戶(hù)可編程數(shù)據(jù)包括 24 位的代碼塊、24 位的密鑰 ID 寄存器和 8 位的同步字段寄存器。密鑰 ID 寄存器可配置大量唯一密鑰，每個(gè)密鑰將產(chǎn)生唯一的編碼輸出位流。

3. 輸出處理

代碼生成塊的輸出被送入 24/36 位緩沖寄存器，在這里 40 位數(shù)據(jù)被重新組合，生成 24 位或 36 位輸出（用戶(hù)可選）。8 位同步字段寄存器可由用戶(hù)配置，為發(fā)射器和接收器之間的同步提供模式。

四、電路設(shè)計(jì)與配置

1. 連接圖與引腳說(shuō)明

產(chǎn)品提供 8 引腳和 14 引腳的封裝，不同封裝的引腳配置有所不同。主要引腳包括 KEYn（按鍵輸入）、RFEN/LED（RF 使能/LED）、CKO/LED（XTAL 時(shí)鐘/LED）、TX（數(shù)據(jù)傳輸）、CKI（RC 時(shí)鐘輸入）、GND（接地）和 VCC（電源電壓）。

2. 典型發(fā)射電路配置

圖 3 展示了基于 HiSeC 的 RKE 系統(tǒng)發(fā)射器的幾種典型電路配置。這些電路除了電池和發(fā)射器級(jí)外，所需的外部組件很少。通過(guò) EEPROM 數(shù)組中的定時(shí)器塊設(shè)置，可以?xún)?yōu)化 IR 和 RF 位定時(shí)，從而在所選設(shè)計(jì)范圍內(nèi)選擇最小和最經(jīng)濟(jì)的時(shí)鐘組件。

3. LED 引腳選擇

EEPROM 數(shù)組中的 LEDSEL 位決定了 RFEN/LED 或 CKO/LED 引腳是否用于特定電路配置中的 LED。具體選擇選項(xiàng)可參考表 1。

五、位編碼格式

NM95HS01/02 支持 11 種位編碼格式，可用于 IR 和 RF 傳輸。其中 7 種格式用于 RF 應(yīng)用，4 種用于 IR 應(yīng)用，還有 1 種格式保留供未來(lái)使用。通過(guò)配置 EEPROM 數(shù)組中的 4 位（IRSEL、PRSEL2、PRSEL1 和 PRSELO）來(lái)選擇位編碼格式。不同的位編碼格式具有不同的特點(diǎn)，適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景。

六、數(shù)據(jù)幀設(shè)計(jì)

1. 數(shù)據(jù)幀類(lèi)型

產(chǎn)品傳輸兩種類(lèi)型的數(shù)據(jù)幀：正常數(shù)據(jù)幀和同步（sync）幀。正常數(shù)據(jù)幀用于在一般操作中傳輸編碼數(shù)據(jù)，同步幀用于使 HiSeC 與其解碼器同步。

2. 數(shù)據(jù)幀組成

• 正常數(shù)據(jù)幀包含動(dòng)態(tài)代碼和按鍵應(yīng)用數(shù)據(jù)，最短為 29 位，最長(zhǎng)為 92 位。
• 同步幀包含起始代碼和固定的 4 位同步代碼（0000），最短為 45 位，最長(zhǎng)為 96 位。

3. 數(shù)據(jù)幀字段

數(shù)據(jù)幀由多個(gè)數(shù)據(jù)字段組成，包括前導(dǎo)碼、同步字段、密鑰 ID 字段、數(shù)據(jù)字段、動(dòng)態(tài)代碼字段、奇偶校驗(yàn)字段和停止位。大多數(shù)數(shù)據(jù)字段可通過(guò)編程片上 EEPROM 數(shù)組進(jìn)行用戶(hù)配置。

七、操作時(shí)序問(wèn)題

1. 數(shù)據(jù)幀暫停長(zhǎng)度

數(shù)據(jù)幀傳輸完成后，會(huì)插入一個(gè)暫停，暫停長(zhǎng)度可通過(guò)配置 EEPROM 中的 2 位 PauseLength 參數(shù)進(jìn)行修改。

2. 超時(shí)功能

如果啟用了 NM95HS01/02 的超時(shí)選項(xiàng)（TIMEOUTEN = 1），設(shè)備在按鍵首次激活 80 秒后將進(jìn)入停止模式，以防止按鍵卡住導(dǎo)致電池耗盡。

3. 定時(shí)器塊

定時(shí)器塊用于設(shè)置位定時(shí)和多個(gè)功能操作時(shí)間，包括 IR 和 RF 位定時(shí)信號(hào)、幀間暫停時(shí)間、自動(dòng)同步時(shí)間和超時(shí)延遲。它由三個(gè)可編程 6 位預(yù)分頻器和一個(gè)固定 16 位預(yù)分頻器組成。

八、安全方面的考慮

1. 初始化與同步

初始化是使發(fā)生器與其解碼器首次同步的過(guò)程。用戶(hù)插入新電池后，LED 亮起，提示用戶(hù)按下按鍵。按下按鍵后，發(fā)生器開(kāi)始隨機(jī)化寄存器并配置內(nèi)部邏輯。釋放按鍵后，LED 再次亮起，提示用戶(hù)再次按下按鍵，此時(shí)發(fā)生器進(jìn)入同步模式，傳輸至少四個(gè)同步幀，使解碼器與發(fā)生器同步。

2. 重新同步

如果發(fā)生器和解碼器之間的同步丟失，可使用同步幀進(jìn)行重新同步。同步幀在兩種情況下生成：電池移除并更換，或用戶(hù)同時(shí)按住按鍵開(kāi)關(guān) 1 和按鍵開(kāi)關(guān) 2 5 秒。

3. 正常操作

初始化后，每次按下按鍵，NM95HS01/02 都會(huì)生成并傳輸新代碼。如果按鍵一直按下，相同的幀（加上幀間暫停）會(huì)重復(fù)傳輸。如果按鍵按下時(shí)間超過(guò) 80 秒，發(fā)生器將進(jìn)入停止模式以節(jié)省電池電量。

4. 前向計(jì)算和代碼窗口

解碼器可進(jìn)行前向計(jì)算，預(yù)測(cè)發(fā)生器的下一個(gè)代碼，以確保在正常操作中與發(fā)生器保持同步。增加代碼窗口的深度可使解碼器在錯(cuò)過(guò)更多代碼的情況下仍能保持同步。

九、時(shí)鐘設(shè)計(jì)參數(shù)

表 4、表 5 和表 6 為選擇 RC 時(shí)鐘發(fā)生器（NM95HS01）和晶體（XTAL）振蕩器時(shí)鐘發(fā)生器（NM95HS02）的組件值提供了依據(jù)。選擇組件時(shí)，應(yīng)考慮成本、可用性和可靠性，并確保電阻和電容值在允許范圍內(nèi)（3kΩ ≤ Rx ≤ 200kΩ 和 50pF ≤ Cx ≤ 200pF）。

十、電氣特性與物理尺寸

1. 絕對(duì)最大額定值

包括環(huán)境存儲(chǔ)溫度、輸入或輸出電壓、焊接溫度、ESD 額定值、環(huán)境工作溫度和電源電壓范圍等參數(shù)，使用時(shí)需確保不超過(guò)這些額定值。

2. 直流和交流電氣特性

詳細(xì)列出了供電電壓、讀寫(xiě)電壓、超電壓、電源電流、輸入輸出電壓、上拉電流、泄漏電流等參數(shù)的最小值、典型值和最大值。

3. 電容特性

在特定條件下（TA = +25°C，f = 1MHz），輸入電容最大為 7pF，輸出電容最大為 12pF。

4. 物理尺寸

提供了不同封裝（8 引腳和 14 引腳）的詳細(xì)物理尺寸信息，方便工程師進(jìn)行電路板設(shè)計(jì)。

十一、總結(jié)與思考

NM95HS01/NM95HS02 HiSeC 高安全滾動(dòng)碼發(fā)生器為 RKE 系統(tǒng)提供了全面、可靠的解決方案。其高安全性編碼、靈活的配置選項(xiàng)和低功耗特性使其成為電子工程師設(shè)計(jì) RKE 系統(tǒng)的理想選擇。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師需要根據(jù)具體需求合理選擇時(shí)鐘組件、位編碼格式和數(shù)據(jù)幀配置，以確保系統(tǒng)的性能和安全性。同時(shí)，對(duì)于安全方面的考慮，如初始化、重新同步和代碼窗口的設(shè)計(jì)，也需要仔細(xì)規(guī)劃，以應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的信號(hào)攔截和同步丟失問(wèn)題。大家在使用這款發(fā)生器時(shí)，有沒(méi)有遇到過(guò)什么特別的挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和想法。