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非接觸式智能卡（射頻卡）以其高度安全保密性、通信高速性、使用方便性廣泛應用于三表行業，實現預付費功能，使人們生活質量有了很大的提高。射頻卡技術應用于水表將是智能水表的一次偉大革命。 MF RC522是Philips公司針對三表最新推出的一款非接觸式低功耗讀寫基站芯片，它是應用于13.56MHz非接觸式通信中高集成讀卡IC系列中的一員。該讀卡IC系列利用了先進的調制和解調概念，完全集成了13.56MHz下所有類型的被動非接觸式通讀方式和協議。MF RC522支持ISO14443A所有的層，傳輸速度最高達424kbps，具有三種主機接口方式：SPI模式、UART模式、I2C模式。 本設計采用MSP430系列超低功耗16位單片機為主控芯片，系統3.3V供電完全適合MFRC522供電要求，實現了低功耗的完美結合。 1 系統設計 該系統以TI MSP430F413單片機為核心，工作電壓為1.8V～3.6V，內置LCD驅動器24%26;#215;4段，可以縮小體積、降低成本，在休眠模式下典型電流僅為0.7μA；采用內部Flash保存用水數據、剩余水量和水表狀態信息；電源監控采用理光R3111E（可根據設定的門限電壓選擇相應的型號）；水表閾門采用2.5V～6V直流電機，當人為破壞水表或所購買水量低于設定值時，水表報警并及時關掉閥門，同時將數據保存在內部Flash中；采用MFRC522讀寫芯片讀寫Mifare 1 S50卡片實現預付費功能。系統框如圖1所示。 本設計利用RC522 UART模式與單片機通信，由于MSP430F413沒有硬件串口，故需使用TIMERA模擬串口，如圖2所示。 對于MSP430F413而言，P1.0(TimerA捕獲/比較輸出口)口是UART的TX，P1.1(TimerA捕獲/比較輸出口)是UART的RX。 2 MFRC522命令寄存器及基本指令集 2．1 命令寄存器CommandReg（0x01） MF RC522內部有64個寄存器，共分4頁：PAGE0：COMMAND AND STATUS；PAGE1：COMMAND；PAGE2：CFG；PAGE3：TEST。MF RC522通過內部寄存器的讀寫控制與Mifare 1 IC卡數據通信。 CommandReg命令控制字如表1所示。 表1 CommandReg命令控制字 commandReg Address 0x01 Reset value 0x20 7 6 5 4 3 2 1 0 0 0 Rcv OFF Power Down COMMAND Command命令類別如表2所示。 表2 Command命令類型 COMMAND(命令) 命令代碼 Idle(空閑) 0000 CalcCRC(校驗) 0011 Transmit(發送) 0100 NoCmd Change(無命令改變) 0111 Recceive(接收) 1000 Transceive(收發) 1100 MFAuthent(認證) 1110 Soft Reset(軟件復位) 1111 2．2 基本指令集 MF RC522有14種基本指令集，實現不同方式的數據傳輸，如表3所示。 表3 14種基本指令集 基本指令 指令代碼 Request Std 0x26 Request All 0x52 AntiCollision(防重疊) 0x93 Select Tag(選卡片) 0x93 Authentication_A 0x60 Authentication_B 0x61 Read(讀) 0x30 Write(寫16Bytes) 0xA0 Write4(寫4Bytes) 0xA2 Increment(增值) 0xC1 Destore(減值) 0xC0 Restore(重儲) 0xC2 Transfer(傳送) 0xB0 No command 0x50 3 軟件設計 MSP430F413首先對MF RC522進行初始化配置，寄存器設置好后，MF RC522可以接收控制執行命令執行操作，實現與Mifare 1 S50卡片通信；Mifare 1 S50卡根據接收到的指令進行相應操作。但是MSP430F413并不是通過簡單的指令就可以讀寫IC卡片，需要一系列的操作才能完成通信。主要包括：（1）請求喚醒；（2）防重疊；（3）選擇卡片；（4）密碼認證；（5）讀寫操作。 MSP430F413對Mifare 1 S50卡片操作流程，如圖3所示。 3．1 請求Request Std/Request All 當在天線有效工作距離內檢測到卡片，MF RC522發送Request Std/Request All請求指令，卡片接收到請求指令后返回握手信號，從而判斷操作是否成功。 Request Std(0x26)連續讀卡指令 Request All(0x52)非連續讀卡指令 3．2 Atcollision(防重疊) MF RC522能夠防止多張卡片重疊造成的數據錯誤。當在天線有效工作距離內檢測到多張卡片時，MCU讀取序列號進行判斷檢測。 Mifare 1 S50卡具有全球唯一4個字節的序列號，SN存放在Sector0的Block0內前4個字節，第5個字節存放校驗碼（4字節異或結果），MCU控制循環讀取序列號，直到讀取一個校驗正確的序列號后，保存并退出循環；當然出錯也會退出循環。 Sector0的Block0數據格式如表4所示。 3．3 Select(選擇卡片) 將Anticollision操作讀取的序列號SN 4個字節還有異或的校驗碼發送到Mifare 1 S50卡上，卡片接收后與自身SN及校驗碼核對，只有完全一樣才能選定卡片。 3．4 Authentication(密碼認證) Mifare 1 S50卡有1KB容量，分為16個扇區：Sector0到Sector15，每個Sector(扇區)包括4個Block（塊），每個Block具有16個byte的存儲容量。Block被分為Block0至Block3；整個Mifare 1 S50非接觸式智能卡共有64個Block。 每個Sector的Block3都存放著本扇區自己的密碼KeyA、KeyB和Access Bits。通過Access Bits設置密碼方式和數據塊類型（Write/Read或Value）。 只有密碼完全認證通過后，才可以對卡片進行Write/Read操作。 3．5 Write/Read(讀寫操作) Authentication密碼認證通過后，可以對64Block進行讀寫操作。其中Sector0中的Block0只能執行讀操作。Mifare 1 S50讀寫時是以Block為單位的，讀或寫都是針對整個Block 16字節的數據，不能單個字節讀寫。為了確保數據的正確性，可進行數據校驗。 3．6 Decrement/Increment(增值和減值操作) 當數據塊通過設置Access bits配置成Value型時，可以對其進行Decrement/Increment操作。為了防止數據出錯，Value Block設有復雜的數據格式。Value重復存放3次，其中原碼存放2次，補碼再存放1次；Adr重復存放4次，其中原碼存放2次，補碼再存放2次。 Value:增值或減值 Adr:操作Block地址 執行Decrement/Increment后，把結果存放在內部數據緩沖寄存器中，等待Transfer指令操作寫入指定的目標Block中。 3．7 Restore Restore指令是將Mifare 1 S50內某一Block內容讀出,存放在內部數據緩沖寄存器中,等待Tranfer指令操作寫入指定的目標Block中,相當于復制Block a到Block b中. 3.8 Transfer(傳送) Transfer指令操作是將內部數據緩沖區內數據傳送到目標Block中.執行Decrment/Increment和Restore指令操作都需要Transfer指令,數據才能成功傳輸. 3.9 Halt(停機) Halt指令操作將結束MF RC522與Mifare S50通信。 MF RC522作為新一代非接觸IC卡與傳統的IC卡相比有著很大的優勢，具有較強的保密性能和防碰撞功能，特別是采用低電壓供電大大降低功耗，能夠與超低功耗MSP430單片機結合實現低功耗預付費水表的設計。 |
