NM95HS01/NM95HS02 HiSeC 高安全滚动码发生器：助力远程无钥匙进入系统的设计

在电子工程领域，安全和可靠性一直是设计的关键要素。对于远程无钥匙进入（RKE）系统而言，如何确保信号的加密传输和高安全性是一个重要挑战。Fairchild 半导体推出的 NM95HS01/NM95HS02 HiSeC 高安全滚动码发生器为这一问题提供了出色的解决方案。今天，我们就来深入探讨这款发生器的特点、工作原理和应用设计。

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一、产品概述

NM95HS01/02 是一款小尺寸、单芯片 CMOS 设备，旨在为 RKE 应用中的加密信号生成提供完整、低成本且高安全的解决方案。它每次激活最多 4 个开关输入之一时，都会生成一个完全编码的位流。其专利编码方案利用 248 种可能的用户可编程编码组合，具有高线性复杂度和相关性免疫能力，为每次传输生成唯一的滚动码，还可根据客户需求定制算法，确保每个钥匙都具有独特性和高安全性。

该发生器支持红外（IR）或射频（RF）信号发射器，NM95HS01 可使用 RC 时钟，NM95HS02 则使用晶体振荡器。它在 2.2V 至 6.5V 的电压范围内工作，并为电池应用提供低功耗待机模式（<1μA）。产品有 8 引脚和 14 引脚 SO 封装，分别提供 2 个或 4 个按键开关输入，可用于客户预设（如座椅位置）和车辆操作功能（如车门锁定/解锁）。

二、产品特点剖析

1. 高安全性编码

• 采用 248 种组合的高安全编码方案，提供了极高的编码复杂度，有效防止信号被破解。
• 具有高线性复杂度和相关性免疫能力，进一步增强了编码的安全性。

2. 宽电压范围与低功耗

• 支持 2.2V 至 6.5V 的工作电压，适应多种电源环境。
• 待机电流小于 1μA，大大延长了电池使用寿命。

3. 灵活的时钟选项

• 提供 RC 或 XTAL 时钟选项，最高可支持 4.1MHz 操作，满足不同设计需求。

4. 多种信号传输支持

• 支持 IR 和 RF 信号传输，可根据应用场景灵活选择。

5. 个性化定制

• 具备 13 字节的片上非易失性配置存储器，用户可根据需求进行个性化配置。
• 提供独特的定制算法选项，满足特定应用的安全需求。

6. 节省空间的封装

• 采用窄体 SO8 或 SO14 封装，节省电路板空间。

三、工作原理详解

1. 编码生成逻辑

NM95HS01/02 通过非线性方式组合多个动态数据寄存器的内容，生成编码输出。寄存器中的数据包括用户可编程数据、工厂可编程数据和随机数据。这些数据通过非线性逻辑块进行加密，并将部分输出反馈，最终生成具有高线性复杂度和相关性免疫的编码输出。

2. 寄存器配置

• 产品内置 13 字节的非易失性 EEPROM 存储器，用于配置设备寄存器。用户可对其进行编程，设置所需的配置，然后禁用写入功能，防止篡改。
• 用户可编程数据包括 24 位的代码块、24 位的密钥 ID 寄存器和 8 位的同步字段寄存器。密钥 ID 寄存器可配置大量唯一密钥，每个密钥将产生唯一的编码输出位流。

3. 输出处理

代码生成块的输出被送入 24/36 位缓冲寄存器，在这里 40 位数据被重新组合，生成 24 位或 36 位输出（用户可选）。8 位同步字段寄存器可由用户配置，为发射器和接收器之间的同步提供模式。

四、电路设计与配置

1. 连接图与引脚说明

产品提供 8 引脚和 14 引脚的封装，不同封装的引脚配置有所不同。主要引脚包括 KEYn（按键输入）、RFEN/LED（RF 使能/LED）、CKO/LED（XTAL 时钟/LED）、TX（数据传输）、CKI（RC 时钟输入）、GND（接地）和 VCC（电源电压）。

2. 典型发射电路配置

图 3 展示了基于 HiSeC 的 RKE 系统发射器的几种典型电路配置。这些电路除了电池和发射器级外，所需的外部组件很少。通过 EEPROM 数组中的定时器块设置，可以优化 IR 和 RF 位定时，从而在所选设计范围内选择最小和最经济的时钟组件。

3. LED 引脚选择

EEPROM 数组中的 LEDSEL 位决定了 RFEN/LED 或 CKO/LED 引脚是否用于特定电路配置中的 LED。具体选择选项可参考表 1。

五、位编码格式

NM95HS01/02 支持 11 种位编码格式，可用于 IR 和 RF 传输。其中 7 种格式用于 RF 应用，4 种用于 IR 应用，还有 1 种格式保留供未来使用。通过配置 EEPROM 数组中的 4 位（IRSEL、PRSEL2、PRSEL1 和 PRSELO）来选择位编码格式。不同的位编码格式具有不同的特点，适用于不同的应用场景。

六、数据帧设计

1. 数据帧类型

产品传输两种类型的数据帧：正常数据帧和同步（sync）帧。正常数据帧用于在一般操作中传输编码数据，同步帧用于使 HiSeC 与其解码器同步。

2. 数据帧组成

• 正常数据帧包含动态代码和按键应用数据，最短为 29 位，最长为 92 位。
• 同步帧包含起始代码和固定的 4 位同步代码（0000），最短为 45 位，最长为 96 位。

3. 数据帧字段

数据帧由多个数据字段组成，包括前导码、同步字段、密钥 ID 字段、数据字段、动态代码字段、奇偶校验字段和停止位。大多数数据字段可通过编程片上 EEPROM 数组进行用户配置。

七、操作时序问题

1. 数据帧暂停长度

数据帧传输完成后，会插入一个暂停，暂停长度可通过配置 EEPROM 中的 2 位 PauseLength 参数进行修改。

2. 超时功能

如果启用了 NM95HS01/02 的超时选项（TIMEOUTEN = 1），设备在按键首次激活 80 秒后将进入停止模式，以防止按键卡住导致电池耗尽。

3. 定时器块

定时器块用于设置位定时和多个功能操作时间，包括 IR 和 RF 位定时信号、帧间暂停时间、自动同步时间和超时延迟。它由三个可编程 6 位预分频器和一个固定 16 位预分频器组成。

八、安全方面的考虑

1. 初始化与同步

初始化是使发生器与其解码器首次同步的过程。用户插入新电池后，LED 亮起，提示用户按下按键。按下按键后，发生器开始随机化寄存器并配置内部逻辑。释放按键后，LED 再次亮起，提示用户再次按下按键，此时发生器进入同步模式，传输至少四个同步帧，使解码器与发生器同步。

2. 重新同步

如果发生器和解码器之间的同步丢失，可使用同步帧进行重新同步。同步帧在两种情况下生成：电池移除并更换，或用户同时按住按键开关 1 和按键开关 2 5 秒。

3. 正常操作

初始化后，每次按下按键，NM95HS01/02 都会生成并传输新代码。如果按键一直按下，相同的帧（加上帧间暂停）会重复传输。如果按键按下时间超过 80 秒，发生器将进入停止模式以节省电池电量。

4. 前向计算和代码窗口

解码器可进行前向计算，预测发生器的下一个代码，以确保在正常操作中与发生器保持同步。增加代码窗口的深度可使解码器在错过更多代码的情况下仍能保持同步。

九、时钟设计参数

表 4、表 5 和表 6 为选择 RC 时钟发生器（NM95HS01）和晶体（XTAL）振荡器时钟发生器（NM95HS02）的组件值提供了依据。选择组件时，应考虑成本、可用性和可靠性，并确保电阻和电容值在允许范围内（3kΩ ≤ Rx ≤ 200kΩ 和 50pF ≤ Cx ≤ 200pF）。

十、电气特性与物理尺寸

1. 绝对最大额定值

包括环境存储温度、输入或输出电压、焊接温度、ESD 额定值、环境工作温度和电源电压范围等参数，使用时需确保不超过这些额定值。

2. 直流和交流电气特性

详细列出了供电电压、读写电压、超电压、电源电流、输入输出电压、上拉电流、泄漏电流等参数的最小值、典型值和最大值。

3. 电容特性

在特定条件下（TA = +25°C，f = 1MHz），输入电容最大为 7pF，输出电容最大为 12pF。

4. 物理尺寸

提供了不同封装（8 引脚和 14 引脚）的详细物理尺寸信息，方便工程师进行电路板设计。

十一、总结与思考

NM95HS01/NM95HS02 HiSeC 高安全滚动码发生器为 RKE 系统提供了全面、可靠的解决方案。其高安全性编码、灵活的配置选项和低功耗特性使其成为电子工程师设计 RKE 系统的理想选择。在实际应用中，工程师需要根据具体需求合理选择时钟组件、位编码格式和数据帧配置，以确保系统的性能和安全性。同时，对于安全方面的考虑，如初始化、重新同步和代码窗口的设计，也需要仔细规划，以应对可能出现的信号拦截和同步丢失问题。大家在使用这款发生器时，有没有遇到过什么特别的挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和想法。