（通信与信息系统专业论文）基于滚动码技术的车库门禁系统的设计与实现.pdf

摘要 摘要 随着汽车产业的迅猛发展，汽车电子业也得到蓬勃发展。人们生活水平的 提高，又对此类产品提出了更高的要求。无线射频技术的发展和应用，特别是 r k e ( r e m o t ek e y l e s se n t r y ) 技术和微控制技术的结合，使得汽车电子技术越来越 趋于自动化、智能化和人性化。 本文涉及一款基于滚动码加密技术的家用智能车库门禁系统的设计和实 现。 通过对目前市场上家用车库门禁系统的深入分析和市场调研，得知目前大 多数的遥控车库门产品采用单向固定码加密方式，其安全性受芯片所能提供的 编码长度的限制，对“拦截密码重发 ，或“穷举法”( 尝试所有可能的编码组 合的方法) 破解的安全性较差，产品功能的适用性和人性化设计也有待改善。 市场已经出现利用滚动码加密技术实现家用车库门禁的产品。滚动码加密 技术是一种非线性的加密技术，具有变化多和抗拦截的特点。采用此类技术的 遥控器每次产生的滚动码都是不重复和无法预测的，并只产生一次效用，通常 的拦截、跟踪破解方法都无效，因此可以有效克服常规车库门禁系统的缺点。 通过对珠三角地区出口企业的调研，了解到此类产品的市场前景很好，出 口需求很大，但是目前市场产品的设计尚不够成熟，因此国内市场的占有率不 高。本文的目的是开发一款实用性较强、性价比较高的产品。 本文的设计利用滚动码加密方法增强了安全性；采用单片机软解码方法降 低了成本；同时设计了门体的遇阻反向、延时关门、红外感应等人性化功能， 并采取了一定的抗干扰的措施。经实地测试，本系统基本满足性能指标，在功 能和性价比方面能较好满足使用者的要求。本文主要包括以下内容： 1 、家用车库门禁系统的硬件原理与电路、软件的结构与流程： 2 、对滚动码加密、解密算法的原理进行了详细的分析； 3 、阐述了单片机对滚动码软件解码的原理和过程： 4 、从提高系统可靠性出发，采取了系统硬件和软件的抗干扰措施； 5 、若干附加功能的设计，使产品更具适用性和更加人性化。 关键词：车库门禁系统；滚动码；遥控；p i c l 6 f 7 3 r k e i a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l ei n d u s t r y ，t h ea u t o m o b i l ee l e c t r o n i c i n d u s t r i e sh a v ea l s ob e e nf l o u r i s h e d t h er e q u i r e m e n t so fa u t o m o b i l ee l e c t r o n i c p r o d u c t sa r eb e c o m i n gh i g h e r b e c a u s eo ft h ei m p r o v e m e n t so fp e o p l e l i v i n g s t a n d a r d s t h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fr a d i ot e c h n o l o g y ，p a r t i c u l a r l yt h e c o m b i n a t i o no fr k e ( r e m o t ek e y l e s se n t r y ) t e c h n o l o g ya n dt h em i c r o - c o n t r o l t e c h n o l o g y ，m a k et h ee l e c t r o n i cp r o d u c t sm o r ea u t o m a t e d ，i n t e l l i g e n ta n d h u m a n i z e d t h i sp a p e ri n v o l v e st h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no fas m a r th o m eg a r a g ea c c e s s c o n t r 0 1s y s t e mb a s e do nt h er o l l i n gc o d ee n c r y p t i o nt e c h n o l o g y b yi n v e s t i g a t i o n so nt e c h n o l o g ya n dm a r k e to f h o m eg a r a g ed o o r ，i ti sf o u n dt h a t m o s to ft h er e m o t ec o n t r o lg a r a g es y s t e m so nt h em a r k e tu s i n gt h ew a y o ff i x e dc o d e e n c r y p t i o nm e t h o d s t h es e c u r i t yi sl o w b e c a u s eo ft h el i m i t a t i o nb yt h ec o d el e n g t h o fe n c r y p t i o nw a y i ti sp o s s i b l ef o ro n et od e c o d ei tb yi n t e r c e p tt h ec o d ea n dc o p yi t , o rb yt h em e t h o do ft r y i n ga l lp o s s i b l ec o d e s f u r t h e r m o r et h ea s p e c to fh u m a n i t yi s a l s on e e d e dt ob ei m p r o v e d b yn o w t h ep r o d u c t sb a s e do nt h er o l l i n gc o d et e c h n o l o g yc o u l db es e e no nt h e m a r k e t r o l l i n gc o d ee n c r y p t i o nt e c h n o l o g yi s an o n - l i n e a re n c r y p t i o nt e c h n o l o g y ， w i t ht h ec h a r a c t e r so fv a r i a t i o na n da n t i i n t e r c e p t e a c ht i m et h er e m o t ec o n t r o l s e n d st h ed i f f e r e n tr o l l i n gc o d e ，t h ec o d ei su n p r e d i c t a b l e ，a n dc a l lo n l yb eu s e do n c e t h ee f f o r to fi n t e r c e p to rt r a c k i n gw i l ln o tb ea v a i l a b l es of a r t h e s ec h a r a c t e r s i m p r o v et h ef u n c t i o n so f t h et r a d i t i o n a lr e m o t ec o n t r o lg a r a g ed o o r i n v e s t m e n t so fe x p o r te n t e r p r i s e si ng u a n g d o n gs h o wt h a tt h i sp r o d u c th a sa g o o dm a r k e tp r o s p e c t , e s p e c i a l l yt h eb i gd e m a n do fe x p o r t b u tt h e r ea l es t i l ls o m e p r o b l e m sw i t ht h ep r o d u c t so nc u r r e n tm a r k e t , s ot h ed o m e s t i cm a r k e ts h a r ei s n o t h i g h t h ep u r p o s eo ft h i sp a p e r i st o d e s i g na n dr e a l i z e c o s t - e f f e c t i v eg a r a g e c o n t r o l l e ru s i n gr o l l i n gc o d et e c h n o l o g yw i t hs a t i s f a c t o r yf u n c t i o n s t h i sp a p e ru s et h er o l l i n gc o d ee n c r y p t i o nt e c h n o l o g yt oi m p r o v et h es a f e t yo f t h er e m o t eg a r a g ed o o r ，u s ep r o g r a m sd e v e l o p e di nc p u t od e c r y p tt h er o l l i n gc o d e a tt h es a m et i m e ，w ed e s i g nm o r eh u m a n i z a t i o nf u n c t i o n sl i k er e v e r s ew h i l em e e t i n g r e s i s t a n c e ，a u t od e l a yc l o s e ，i n f r a r e ds e n s o re t c r o b u s ta b i l i t yi se n h a n c e di nt h e d e s i g nt o o t h ea c t u a lt e s t ss h o wt h a tt h es y s t e mm e e t sa l ld e s i g nr e q u i r e m e n t sa n d t h ep e r f o r m a n c ei ss a t i s f a c t o r ya n dr e l i a b l e 1 1 1 ef o l l o w i n ga s p e c t sa l ei n c l u d e di nt h i sp a p e r 1 t h eh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r ed e s i g n sa r eg i v e n t h ep r i n c i p l e sa n df l o w c h a r t so ff u n c t i o nm o d u l e sa r ed e s c r i b e di nd e t a i l s 2 a n a l y z e di nd e t a i l so ft h ep r i n c i p l e so fe n c r y p ta n dd e c i p h e ro fr o l l i n gc o d e t e c h n o l o g y 3 d e s c r i b e dt h ep r i n c i p l ea n dp r o c e s sa b o u tt h em e t h o do fd e c i p h e rt h er o l l i n g c o d eu s e db yt h ep r o g r a m si nc p u 4 n em e t h o d so fa n t i - i n t e r f e r e n c ew h i c hm a k et h es y s t e mb e i n gm o r er e l i a b l e a r eg i v e nb o t hi nh a r d w a r ea n ds o f t w a r e 5 s o m ea d d i t i o n a lf e a t u r e sa r ed e s i g n e dt oi m p r o v et h eh u m a n i z a t i o no ft h e s y s t e m k e y w o r d s ：g a r a g ea c c e s sc o n t r o ls y s t e m ；r o l l i n gc o d e ；r e m o t ec o n t r o l ； p i c l 6 f 7 3 ；r k e i h 1 绪论 1 绪论 1 1 课题背景 随着人们的生活质量逐渐提高，人们对日常生活中常用的门禁控制系统的 要求也日益增高，安全可靠、人性化和功能齐全是最主要的要求。因此，门禁 控制系统的生产厂商都在不断努力完善他们的产品，使之不断改进，符合人们 的新需求和社会的新潮流。 目前家用汽车已经发展成为人民生活与工作中的交通工具，进入了越来越 多的家庭中，也带动其相关产业蓬勃发展，车库门禁系统就是其中之一。对车 库门禁系统的主要要求是产品的安全性和使用的方便性。传统的基于固定码的 车库门禁系统，其安全性能的提高是依靠编码长度的提高来实现的，因而不可 以无限扩展，只能依靠有限的编码组合提供有限的安全保护。目前，大部分的 安防设备还是使用这种固定码方式的遥控器，而专业的偷盗设备已经可以靠密 码扫描和拦截重发的方式进行盗窃。偷盗者利用专业设备拦截到无线传播的固 定码，重新发射或者发射所有可能的编码组合，来进行盗窃。所以，在车库数 量大大增加的情况下，固定码的安全性变得很差【l 】，亟待获得改善。 采用滚动码加密技术可以大大改善固定码方式的安全性。每次遥控器发出 的编码信息是不同的，每一个编码组合在使用一次后将被视为无效【2 1 ，这样可有 效地防止拦截重发。另外滚动码的编码有足够的长度，保密性较高，通过穷举 法破除密码也十分困刑引。 1 2 车库门禁系统发展现状 车库门禁系统的产品在我国发展十分迅速。8 0 年代以前传统的手动式和卷 帘门占据大部分市场；8 0 年代初期，随着我国与全球各国在各行业的交流逐渐 增多，在当时的工业产品展览会上，瑞典展示了上滑道车库门，其特点是车库 门包含一套平衡系统、固定导轨和多块门板连接而成的门扇，门扇侧边装有 滚轮，开启时门扇沿导轨运动，向上转折提升。可利用驱动装置启闭，也 可单独使用人工手动启闭。之后，国内企业也开始加强车库门以及控制系统 的研剔4 1 ，本文的设计也是基于上滑道车库门的。 1 1 绪论 我国加入w t o 后，企业有机会更多地参与国际交流和市场竞争，弥补产品 的不足。我国车库门禁行业已经有了自己的标准，由建设部标准定额研究所提 出，中国建筑金属结构协会联合各车库门企业根据g b t1 1 2 0 0 0 和g b t 1 2 2 0 0 2 制定了上滑道车库门标准j g t 1 5 3 t 引。在此标准下，我国产生了一 些在国内和国外成功运作的企业，如：北京中城门业有限公司、台湾巨光东元 遥控门有限公司等。他们依靠较强的人性化产品和优良的服务质量赢得了市场 的信任。主控机( 图2 1 所示的电子部分) 是车库门的核心，目前国内的主控机 生产企业就有百余家。 发达国家早己应用了智能化的电子密码门禁系统，使控制更安全可靠，实 现对门禁系统的管理和操作。电子密码门禁在我国的成本还比较高，尚没有得 到广泛应用。通过对技术的研究和创新，以及生活条件的改善，电子密码门禁 也将在我国得到广泛应用。目前市场上家用车库门禁系统主要有以下几种。 1 机械式门禁 机械式门禁是最传统、成本最低的门禁，广泛应用在车库门、仓库门上。 但操作不方便，无法实现自动操作。特别是驾车出入车库时，操作的繁琐性尤 为突出。并且安全性也较低。因而只适用于对保密性和方便性要求不高的场所。 2 遥控式密码门禁 使用不同技术的无线遥控门禁技术已经逐步进入市场，门禁系统的遥控化、 电子化发展是顺应人们对生活质量提高的要求的。目前市场的遥控式密码门禁 系统中，固定码方式的编码解码芯片占绝大多数，较典型的有p t 2 2 6 2 与 a x 5 3 2 7 。这类固定码方式编解码芯片的缺点如下。 ( 1 ) 芯片所能设定的编码位数有限，所以所能产生的编码组合也受到限制【6 1 。 专业设备的盗窃者可以通过发送大量的编码组合来破解这类密码系统。 ( 2 ) 硬件地址加密是这类芯片的特点。如果用户遥控器丢失或密码设定方式 遭到泄露，遥控器容易被复制，并且系统无法识别出被复制的遥控器，使盗窃 者有机可乘。 ( 3 ) 遥控编码芯片每次发出的编码组合是不变的，按键地址位一旦被设定， 只要用户按动遥控器上按键不变，输出的遥控器密码也不变，这就是此类技术 被称为固定式编码的原n r n 。盗窃者很容易截获到空中传播的密码，重新发送即 可成功打开门禁系统。 市场上也有少量使用滚动码加密方式的产品【引，但目前占有率并不高，功能 2 i 绪论 也不够完善，需要对产品进行更加系统全面的设计来促进这种技术的应用。 3 其它密码锁 目前市场上还出现了如手机遥控锁【9 , 1 0 】，磁卡式密码锁、指纹密码锁等。这 一类密码锁虽然增强了安全性，但用在车库门技术上方便性较差，成本较高， 不适用于广泛应用。 国内一些科研部门和高校，如天津大学、郑州磨料磨具磨削研究所、哈尔 滨工程大学等在车库门禁系统的控制系统、连杆机构和遥控系统方面进行了很 多研究和试验【1 1 1 。 主控机是整个车库门禁系统的关键部分，是车库门禁系统的控制中枢。其 研究主要集中在控制方式、联结方式以及驱动方式等方面。由于起步较早，不 少国外的主控机产品的性能指标均优于国产主控机【1 1 】，可靠性、功能性都达到 一个比较高的水准。知名的品牌有：l i f t m a s t e r ，g e n i e 等。 国外对主控机的开发已经做到了芯片层次，开发出了众多的专用芯片。我 国在这方面起步较晚，目前只能利用国外专用芯片，在产品性能和功能方面进 行开发。 1 3 课题研究的目的与意义 为了提高传统车库门禁系统的安全性，进一步增强车库门禁系统的人性化、 可靠性和便捷性，本项目结合了滚动码技术和无线遥控技术，研究设计出一套 家用车库门禁系统。微芯公司发布了基于滚动码加密技术的k e e l o q 技术，作 为各种遥控门禁系统的解决方案。它具有以下优点：( 1 ) 传输密码的总长度为6 4 位，完全满足高保密密码的要求；( 2 ) 每次传输的密码都是唯一的，不重复【1 2 】： ( 3 ) 系统具有“学习”功能，加密钥匙丢失，系统可立即“学习 新的钥匙，并 使原来的钥匙作废，整个系统不必完全更换。 w i i t la e r t s 1 3 】等对基于k e e l o q 技术的系统做了破解的尝试，他们开发出 一套设备，该设备耗费了7 8 天的时间，在6 4 位的电脑上对滚动码成功解码， 但必须用1 0 0 分钟左右的时间来获取解码需要的资料。这一实验说明了k e e l o q 技术的安全性能很好。本项目采用了k e e l o q 技术设计并开发了一套车库门禁 系统，增强了传统车库门禁系统的安全性，提高了车库门禁系统的方便性，使 之更加符合使用者的使用习惯。 3 1 绪论 1 4 主要研究内容 本课题的主要研究内容涉及无线射频通信技术、系统抗干扰设计、滚动码 技术的加密解密算法和产品的适用性设计。 无线射频通信技术：在r k e ( r e m o t ek e y l e s se n t r y ) 系统中，遥控器通过无线 射频r f ( r a d i of r e q u e n c y ) 信号与主控机进行单向数据通信。本系统采用4 3 3 m h z 的射频信号，实现遥控器与主控机之间的通信。 系统的抗干扰设计：因为涉及到无线数据的传输与接收，系统容易受到干 扰，因此在软件和硬件方面都增加了抗干扰能力的努力，使系统运行更加稳定、 可靠。 滚动码技术的加密解密算法：系统中采用了滚动码加密解密技术，克服 了固定码加密方式缺点。系统通过芯片h c s 3 0 1 产生保密性较强的滚动码，充分 利用了滚动码的唯一性，不可预测性【1 4 】，增强了系统的整体安全性能。 产品适用性设计：本系统设计了延时关门、遇阻反向等适用性功能，兼顾 了保密性和操作便捷性，并利用软件实现解码，降低了产品成本。 1 5 本文的组织结构 第一章绪论。简单介绍车库门技术的背景、发展现状，以及本文的结构和 研究内容。 第二章系统硬件设计。从硬件方面详细叙述了车库门禁系统的设计方案和 各项功能模块，主要包含主控机控制电路、无线射频接收电路和解码电路等。 第三章系统软件设计。阐述了车库门禁系统的软件设计方案，具体描述了 功能模块的工作流程。 第四章系统设计的技术要点和解决方案。主要针对设计中遇到的一些技术 要点和适用性设计方进行阐述。 第五章总结与展望。总结了本项目所做的工作，提出了需要改进的地方与 展望。 4 2 系统硬件设计 2 系统硬件设计 2 1 硬件系统概述 本项目中硬件结构系统主要包含两个部分：主控机部分和遥控部分。主控 机部分主要包括：微控制器、接收模块、电源系统、电机控制系统、功能键输 入部分、数码显示部分和外围功能模块部分。其中，微控制器采用微芯公司 ( m i c r o c h i p ) 生产的p i c l 6 f 7 3 单片机芯片：接收模块采用深圳晶美润公司生产的 超外差接收模块r x b 8 ；电源系统使用2 2 0 v 的交流电，然后经过变压和稳压电 路为整个系统供电；数码显示部分采用一块2 位的数码显示管，使用串并转换 芯片7 4 h c l 6 4 n 实现单片机对显示管的控制：电机控制系统使用达林顿晶体管 阵列芯片u 儿2 0 0 3 a 来驱动继电器，继而实现单片机对门体的开关控制；功能 键输入部分是利用单片机内部的a d 模块，来实现3 个功能按键的输入；其他 附加功能模块主要是红外感应功能和一些附属功能。 主控机部分结构如图2 1 。 图2 1 主控机结构框图 遥控部分从硬件上可分为两个部分：编码部分和射频发射部分。其中编码 部分采用微芯公司生产的滚动码编码芯片h c s 3 0 1 ；射频发射部分使用带声表面 谐振器的l c 振荡电路；使用1 2 v 的干电池为其供电。遥控部分结构如图2 2 所 示。 5 2 系统硬件设计 图2 2 遥控部分结构图 本系统的主要设计指标如下： 1 供电电源：2 2 0 v 4 - 5 ，5 0 h z 交流； 2 加密方式：滚动码加密； 3 控制电机：2 4 v 直流电机，功率1 0 0 1 5 0 w ； 4 遥控器发射频率：4 3 3 m h z ； 5 遥控距离：不小于5 0 米： 6 显示方式：数码管显示； 7 主控机和遥控器具有休眠功能。 2 2c p u 及复位电路介绍 c p u 是整个主控机部分的核心，主控机将完成无线密码的接收、解码以及 动作判断，对c p u 的选择主要考虑其片上资源是否满足设计需要及产品的成本。 本系统采用微芯公司生产的p i c l 6 f 7 3 单片机作为主控c p u ，它是8 位2 8 管脚 单片机，具有高性能、低功耗的特点。 p i c l 6 f 7 3 具有以下特点【1 5 】： 1 高性能类r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ) c p u ，共有3 5 条单字 指令； 2 4 k 字的f l a s h 程序存储器；1 9 2 字节的数据存储器限6 峋： 3 1 2 个内部外部中断源； 4 上电复位p o r ( p o w e r - o nr e s e t ) ； 6 2 系统硬件设计 5 可编程代码保护功能： 6 省电休眠模式： 7 3 个定时器咖t o 、n 瓜1 和n 积2 ； 8 两个捕捉比较脉宽调制模块； 9 8 位多通道数模转换器； 1 0 低功耗：工作在4 m h z 时钟下，在电源为5 v 时，典型工作电流值小于 2 m a 。 正是由于以上特点，考虑到i o 口、片内资源是否充足和与编码芯片相兼容 的问题，本文选用p i c l 6 f 7 3 作为主控芯片，此芯片不仅可以满足产品设计的需 求，还可以为产品升级留下扩展空间。由于和编码芯片h c s 3 0 1 同为微芯公司 生产，所以兼容性较好。 p i c l 6 f 7 3 的管脚图及其分配参考如图2 3 所示。 跹s 耵| j l c l r 红外输出堵了r o 弦留f u l 数码显示时钟编号眦 功能拔键输入r 3 红外输入竭子 r a 4 控制绺电嚣k e y lr a 5 g n d v s s 晶振输入o s c l 品振翰出o s c 2 数码鸷b r c 0 电机速鹰醯测r c i 牵制歼关i 极管r c 2 数鹃管a 段唾? r c 3 鹅7 像留 硒】6 挣踟缝电器k e w 髂5 臻r o m ，t 送情时c s r b 4 接r o m 的c ik r b 3 徭r i _ 舅l a 的数据输入端 r b 2 接车膨走开关 r b l 接收模块信号输入 r b 0 接低艨磕测 嘲5 v 电泌 7 5 5 g 舶 k 7 憬留 跹6僳魁 r ( = 5 绦留 耽4 栉冽缝电器k e 丫3 图2 3p i c l 6 f 7 3 管脚图及其分配 p i c l 6 f 7 3 的i o 管脚使用情况如下：r a 0 ：红外感应对射输入端；墟：芯 片7 4 h c l 6 4 n 的时钟信号；r a 3 ：3 个功能键的输入端口；r a 4 ：红外感应对射 输出端；r a 5 ：控制继电器k e y l 的开合；r c 0 ：控制数码管b ，表示学习状态； r c l ：电机速度监测信号，用于对电机转动的圈数进行计数：r c 2 控制开关三 极管i r f z 4 8 n ，用来对电机转速进行调整；r c 3 ：芯片7 4 h c l 6 4 n 的码字输入 端；r c 4 ：控制继电器k e y 3 ，用于控制车库内照明灯的开关；r b 0 ：低压监测： 7 勰嚣瑟瑟锝勰盟髓撙孢h璩传 l 2 3 4 5 6 7 8 9心悸h 2 系统硬件设计 r e l ：射频接收模块的信号输入端；r b 2 ：车库内车库门开关；r b 3 r b 5 - 控制 外部e e p r o m ；r b 6 ：控制继电器k e y 2 。 本系统采用4 m h z 的晶振作为时钟信号。 下面介绍p i c l 6 f 7 3 在主控机中的复位电路。 微处理芯片正常工作开始的第一步就是复位，初始化寄存器、状态位和芯 片的i o 管脚。复位向量是程序开始执行的地方，一般是一条可以使程序跳转到 复位处理的跳转指令。复位发生时，复位处理程序立即被执行，不受时钟或其 他条件的限制。 p i c l 6 f 7 3 有以下几种复位方式： 1 上电复位( p o r p o w e ro nr e s e t ) 。当芯片电源电压上升到一定值( 一般在 1 2 1 7 v ) 时，产生一个上电复位脉冲。 2 外部复位。低电平在外部引脚m c l r 上持续的时间比最小脉冲宽度大时 微控制器发生外部复位。 3 看门狗复位。看门狗功能使能的前提下，看门狗定时器发生溢出时复位 发生。 4 掉电复位( a o r b r o w no u t r e s e t ) 。电源电压比掉电阈值电压v b o r 低，持 续时间超过t b o r ，并且掉电检测复位功能使能时，微控制器发生复位。 上电复位脉冲芯片内部电路产生。一旦v d d 低于阈值电平时即发生上电复 位。上电复位电路被用来检测电源故障或者在启动时触发复位。如图2 4 与图 2 5 所示，当v d d 达到上电门限电压后，芯片将启动延迟计数器。在计数器发 生溢出后，芯片从复位状态转变为正常工作状态。相反，当v d d 发生下降时， 一旦电压低于检测门限值，复位信号不用触发延迟计数器，立即产生。 图2 4 上电复位时序图( m c l r 不接v d d ) 8 二一 2 系统硬件设计 恤二二二二 嬲i 十 一r 一 一傩- o o r ：! = = ：= 一 n 解玎一诒酊： 断，睫鲫广一 图2 5 上电复位时序图2 ( m c l r 连接v d d ) 外部电路在m c l r 引脚上的低电平可触发外部复位。如图2 6 所示，当外 部低电平的持续时间大于最小脉冲宽度时，外部复位产生，并且不受时钟等条 件的限制。相反，当外加信号值上升到复位阈值电压v r s t 的上升沿时，延时周 期t t o t r r 开始计时。溢出后微控制器启动。 删晨! 尹一 i m e 瞰lr e se 1 - 图2 6 外部复位时序图 本系统考虑到成本和实际使用情况，将外部复位管脚m c l r 直接置高，只 保留了上电复位功能。 2 3 主控机的功能模块电路 主控机的功能模块包括：电源模块电路、电机控制控制模块电路、功能键 模块电路和数码显示模块电路。 9 2 系统硬件设计 2 3 1 电源部分设计 本系统的电源给下列设备供电：电机、照明灯、红外感应、继电器、单片 机和数码管等。其中，电机由大功率2 4 v 电源供电；照明灯直接由2 2 0 v 市电供 电；红外感应和继电器由小功率2 4 v 直流电源供电；单片机和数码管由5 v 直流 电源供电。本系统的直流电压由2 2 0 v 交流电经过整流、降压和滤波得到，如图 2 7 。 图2 7 电源模块电路 图2 7 中，照明灯直接采用2 2 0 v 市电供电。2 2 0 v 交流电经过2 4 v 抽头变压 器后，可得到2 4 v 和1 2 v 的交流电。2 4 v 交流电通过整流桥堆k b u 8 0 8 变为全波 脉动电压信号，再经过电容滤波，变为直流电压，为电机电源。整流滤波后的 电流进入参数可调的稳压芯片l m 3 1 7 t ，通过设置r 1 9 、r 2 0 的大小，可以使其 2 号管脚输出2 4 v 的直流电。l m 3 1 7 t 可以输出最高2 2 a 的电流，足以驱动红 外感应和继电器。同理，1 2 v 的交流电压经过二极管半波整流和电容滤波后，得 到的直流电压进入稳压芯片l 7 8 0 5 输出5 v 电源。 本系统中，5 v 电压供电的器件有数码管、p i c l 6 f 7 3 、7 4 h c l 6 4 n 等，所需 电流约2 0 0 m a ，1 2 v 交流电经过半波整流和滤波后的电压约8 v ，可以既满足驱 动需求，又可防止l 7 8 0 5 因施加过高输入电压产生额外功耗而过热。 1 0 2 系统硬件设计 2 3 2 电机控制电路 本系统共用三个继电器，其中两个与电机相连，控制电机的正转或反转； 另一个控制车库内照明灯的开与关。为提高单片机的驱动能力，本系统利用达 林顿晶体管阵列芯片u l n 2 0 0 3 a 来驱动控制电机的继电器，如图2 8 。 电觊徵 髓4 船晒 i 托2 r a 5 r c 0 图2 8 电机控制模块电路 其中，单片机的i o 口r b 6 和r a 5 分别通过达林顿晶体管阵列芯片 切2 0 0 3 a 来控制继电器k e y l 和k e y 2 ，用来控制电机的正转与反转，达林顿 阵列的端口并联用来增加驱动能力。在正常状态下，k e y l 和k e y 2 的a 点与c 点相连，c 点是开关三极管i r f z 4 8 n 的漏极，最高可通过6 4 a 的电流。电机未 启动的状态下，三极管处于截止状态，电机回路为断路。当需要电机正转或反 转时，控制k e y l 或k e y 2 闭合，使其中一个继电器的a 点与b 点连接，同时， 通过r c 2 产生脉冲信号控制三极管导通，使电机转动。整个电流的回路为电机 驱动电源一一k e y l 胝y 2 的b 点一一电机正极负极一一电机负极正极一一 k e y 2 k e y l 的c 点i l 强z 4 8 n g n d 。这样做不仅可以控制电机正转与反转， 也可以通过设置脉冲信号的占空比，调节三极管的导通与截止的时间，实现对 电机转动速度的控制。也可以使电机在启动和关闭的瞬间以较低的速度运转， 有效保护电机。同理，i o 口r c 4 通过控制继电器k e y 3 的通断，实现照明灯的 亮与灭。 2 系统硬件设计 2 3 3 功能键模块电路 主控机共需要三个按键：学习键l e n ，功能键f u n 和确认键c 。芯片 p i c l 6 f 7 3 共有2 2 个i o 口，如果三个按键占用三个i o 口资源，则全部功能将 消耗1 9 个i o 口，尚可留存3 个作为扩展备用。而在需要大量增加遥控器数量 的应用场合，需要扩展外存储器的容量，此时，将耗费较多的i o 资源。因此必 须留出足够的扩展余量。 为了节省单片机 d o 口，为以后的扩展留出余量，本系统使三个按键共用1 个i o 口，将三个按键连接不同的分压电阻，在三个按键按下时输入单片机的信 号是具有较大差别的分压值，利用p i c l 6 f 7 3 内置的a d 转换模块，将模拟电压 信号变为数字信号，再根据不同按键对应不同的分压值由单片机判别被按下的 按键。以上设计可留出5 个i o 口，为将来的功能扩展留有较多的余地。按键电 路与单片机的连接见图2 9 。 图2 9 功能键部分电路示意图 适当设置图2 9 中r 3 、r 4 和r 5 的阻值，就会在不同的按键按下的情况下， 进入i o 口r a 3 的模拟电压不同，在单片机的a d 模块处理后，变为数字电压， 根据不同按键对应不同的数字电压数值段，单片机做出键值的判断。可见键值 和单片机内存储的判别电压值不是一一对应的关系，而是和一段电压范围的对 1 2 阱赫翡弧驺i虬船鼹西“ r r r r r r r r v v r r r r 2 系统硬件设计 应关系，例如f u n 的电压值为1 5 v ，则只要模数转换的结果在范围o 7 5 - 2 2 5 v 内，就判断为f u n 键按下。其他两个按键同理。 2 3 4 数码显示电路 数码显示电路控制一块两位的共阳极数码显示管，如图2 1 0 所示。其中数 码管b 用来表示主控机处于待机状态，或者进入“学习”状态，数码管b 只需 要以不同方式显示数字“0 。单片机通过对达林顿晶体管阵列u l n 2 0 0 3 a 来驱 动数码管b ；数码管a 则需要显示数字“0 - 9 ”和若干字母，用以表示主控机的 当前的状态。由2 3 1 节所述，为了节省单片机的i o 口资源，本设计采用串行 输入并行输出芯片7 4 h c l 6 4 n 来驱动数码显示管a ，电路连接见图2 1 0 。 譬錾錾茎篷型鋈星雾鹭宅曼霉蒌 比比比世丝世澎芷= - j 比口t戈譬 图2 1 0 显示模块电路 其中，串行输入并行输出芯片7 4 h c l 6 4 n 的q o q 6 并行输出数码管a 的码 字，i o 口r c 3 来串行输入数码管a 的码字，r a 2 为7 4 h c l 6 4 n 的时钟信号。 r c 0 用来点亮数码管b 。 1 3 2 系统硬件设计 2 3 5 无线接收部分设计 本系统中的无线接收电路采用超外差接收模块r x b 8 完成，r x b 8 接收 4 3 3 m h z 的无线密码信号，并输入单片机p i c l 6 f 7 3 的r b l 管脚，进行软件解码 与动作判断。 2 4 遥控编码模块电路及其原理 本系统的遥控发射部分使用微芯公司生产的h c s 3 0 1 实现对按键的滚动码 编码，利用l c 振荡电路完成滚动码密码信号的发射，最终在接收端利用 p i c l 6 f 7 3 单片机进行软件解码。软解码的优点是免除额外的解码芯片，简化系 统的硬件成本，并增加无线信号的保密性。 2 4 1 滚动码编码技术及h c s 3 0 1 芯片简介 1 k e e l o q 技术分析 k e e l o q 技术为微芯公司专门为安防产品设计的一种滚动码加密技术，其 输入与输出之间的关系为非线性的。k e e l o q 技术相对于固定码方式加密技术 更安全、实用，它的特点如下。 ( 1 ) 编码器发射6 6 位的密码资料，其中完全不可预测的滚动码资料占3 2 位。 ( 2 ) 解码器只有知道加密资料所用的“编码密码”，才可以解码出正确的滚 动码资料。 ( 3 ) 编码器每次都传送唯一的密码，不易发生重复。可以避免盗码者使用扫 描机在短时间内就将全部的编码组合传送出去，以h c s 3 0 1 为例，即使以最快的 方式来产生滚动码( 一秒约1 0 笔资料) ，必须超过3 7 年才可能产生全部的滚动 码部分( 3 2 b i t ) ，若要全部6 6 b i t ，则需要2 2x1 0 1 1 年【1 6 】。 ( 4 ) 基于k e e l o q 算法的解码器，用户可以删除全部遥控编码器的资料信 息。删除后的遥控编码器，解码器将不再识别它们发送的数据。 正是基于以上特点，k e e l o q 技术越来越受到重视，在对遥控安全性要求 较高的应用场合，如安全锁、车库门遥控等领域应用越来越广泛。 2 固定码加密方式与滚动码加密方式的对比 固定码编码芯片由于受到可设定密码的长度的限制 1 7 , 1 8 1 ，只能提供安全性能 有限的保护。因为密码长度是固定的，不能有无限多变的密码组合方式。并且 1 4 2 系统硬件设计 同一个按键每次产生的编码都是不变的，用密码拦截的方式获取，再将密码重 新发送就能“合法地执行相关的操作，这样系统实际上无法应对专业的盗取 设备，安全性能大大降低。如果遥控器利用滚动码技术对按键资料加密，那么 不论按下的是否是同一个按键，遥控器也不会产生相同的编码，解码系统还会 将已经使用过的密码资料视为无效，所以可以有效防止代码被截获重传来执行 开门动作。 微芯公司生产的滚动码编码专用芯片有h c s 3 0 0 、h c s 3 0 1 和h c s 4 1 0 。其 中h c s 3 0 0 和h c s 3 0 1 是单向滚动码编码芯片，h c s 4 1 0 是双向传输滚动码编码 芯片，我们这里选用h c s 3 x x 系列，h c s 3 0 1 是h c s 3 0 0 的升级版本【1 9 1 。两者 的功能基本相同，h c s 3 0 1 的供电电压范围较h c s 3 0 0 更宽，增加了低压检测功 能，更适合应用于车库门遥控器。故本项目选用h c s 3 0 1 作为编码芯片。 3 h c s 3 0 1 的工作特性2 0 】 ( 1 ) 高保密性。可编程的数据包含2 8 位的序列号和6 4 位加密密码，且编程 后的数据不能被读取； ( 2 ) 可工作在3 5 v - 1 3 v 的电压范围内； ( 3 ) 带有四个按键输入接口； ( 4 ) 具有低电压检测功能，电池电量不足时可给出警示； ( 5 ) 在无按键按下时间超过2 5 s 后，芯片自动进入休眠模式，可节省电量， 休眠可由按键动作唤醒； ( 6 ) 保证密码传输的完整性： ( 7 ) 波特率可选。 图2 1 1h c s 3 0 1 管脚示意图 4 、h c s 3 0 1 的管脚功能 1 5 2 系统硬件设计 h c s 3 0 1 的8 个管脚和定义如图2 1 l 。其中，s 0 s 3 为按键输入端口；v s s 为地端；p w m 为滚动码输出端口；l e d 为l e d 驱动端口：v d d 为电源端口。 h c s 3 0 1 的内部结构如图2 1 2 所示。 图2 1 2h c s 3 0 1 内部结构图 2 4 2 片内e e p r o m 的分配 芯片h c s 3 0 1 需要烧写一些编码信息到内部的e e p r o m 中。h c s 3 0 1 芯片 内部e e p r o m 共有1 9 2 位，需要存储序列号、加密密钥、同步码、密钥种子和 配置字。其中加密密钥为6 4 位，序列号为2 8 位，同步码为1 6 位，密钥种子为 3 2 位，配置字为1 6 位【2 0 , 2 1 】。这些信息可以使用烧写器烧写到e e p r o m 中，但 烧写成功后的信息将禁止从芯片外部读出，这样做可以增强系统的安全性，用 户可以通过再次烧写来修改数据。表2 1 为各数据在芯片内部e e p r o m 存储单 元中的位置映射。表2 1 中各部分的具体意义及作用如下。 6 4 位加密密钥( k e y - 0 - k e y3 ) ：加密密钥对将要发送的信息进行加密运 算。在标准模式下，加密密钥由序列号和厂商代码经密钥生成算法生成，只有 厂商代码相同的芯片才能正确编、解码，完成“学习 功能，实现有效“注册”。 同步值( s y n c s y n c h r o n i z a t i o nc o u n m r ) ：同步值共有1 6 位，是用来生成滚 动码的元素之一。用同步值来记录按键的次数，按键每按一次，同步值加1 ，可 1 6 2 系统硬件设计 计数的范围达到6 5 ，5 3 6 次。由于滚动码加密算法具有非线性的特点，所以即使 只有同步值发生变化，所产生的滚动码的数