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(yīng)用于三表行業(yè)，實(shí)現(xiàn)預(yù)付費(fèi)功能，使人們生活質(zhì)量有了很大的提高。射頻卡技術(shù)應(yīng)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(duì)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(yīng)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(jìn)的調(diào)制和解調(diào)概念，完全集成了13.56MHz下所有類型的被動(dòng)非接觸式通讀方式和協(xié)議。MF RC522支持ISO14443A所有的層，傳輸速度最高達(dá)424kbps，具有三種主機(jī)接口方式：SPI模式、UART模式、I2C模式。

本設(shè)計(jì)采用MSP430系列超低功耗16位單片機(jī)為主控芯片，系統(tǒng)3.3V供電完全適合MFRC522供電要求，實(shí)現(xiàn)了低功耗的完美結(jié)合。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)以TI MSP430F413單片機(jī)為核心，工作電壓為1.8V～3.6V，內(nèi)置LCD驅(qū)動(dòng)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(nèi)部Flash保存用水?dāng)?shù)據(jù)、剩余水量和水表狀態(tài)信息；電源監(jiān)控采用理光R3111E（可根據(jù)設(shè)定的門限電壓選擇相應(yīng)的型號(hào)）；水表閾門采用2.5V～6V直流電機(jī)，當(dāng)人為破壞水表或所購買水量低于設(shè)定值時(shí)，水表報(bào)警并及時(shí)關(guān)掉閥門，同時(shí)將數(shù)據(jù)保存在內(nèi)部Flash中；采用MFRC522讀寫芯片讀寫Mifare 1 S50卡片實(shí)現(xiàn)預(yù)付費(fèi)功能。系統(tǒng)框如圖1所示。

本設(shè)計(jì)利用RC522 UART模式與單片機(jī)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(duì)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(nèi)部有64個(gè)寄存器，共分4頁：PAGE0：COMMAND AND STATUS；PAGE1：COMMAND；PAGE2：CFG；PAGE3：TEST。MF RC522通過內(nèi)部寄存器的讀寫控制與Mifare 1 IC卡數(shù)據(jù)通信。

CommandReg命令控制字如表1所示。

Command命令類別如表2所示。

2．2 基本指令集

MF RC522有14種基本指令集，實(shí)現(xiàn)不同方式的數(shù)據(jù)傳輸，如表3所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

MSP430F413首先對(duì)MF RC522進(jìn)行初始化配置，寄存器設(shè)置好后，MF RC522可以接收控制執(zhí)行命令執(zhí)行操作，實(shí)現(xiàn)與Mifare 1 S50卡片通信；Mifare 1 S50卡根據(jù)接收到的指令進(jìn)行相應(yīng)操作。但是MSP430F413并不是通過簡(jiǎn)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(qǐng)求喚醒；（2）防重疊；（3）選擇卡片；（4）密碼認(rèn)證；（5）讀寫操作。

MSP430F413對(duì)Mifare 1 S50卡片操作流程，如圖3所示。

3．1 請(qǐng)求Request Std/Request All

當(dāng)在天線有效工作距離內(nèi)檢測(cè)到卡片，MF RC522發(fā)送Request Std/Request All請(qǐng)求指令，卡片接收到請(qǐng)求指令后返回握手信號(hào)，從而判斷操作是否成功。

Request Std（0x26）連續(xù)讀卡指令

Request All（0x52）非連續(xù)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(shù)據(jù)錯(cuò)誤。當(dāng)在天線有效工作距離內(nèi)檢測(cè)到多張卡片時(shí)，MCU讀取序列號(hào)進(jìn)行判斷檢測(cè)。

Mifare 1 S50卡具有全球唯一4個(gè)字節(jié)的序列號(hào)，SN存放在Sector0的Block0內(nèi)前4個(gè)字節(jié)，第5個(gè)字節(jié)存放校驗(yàn)碼（4字節(jié)異或結(jié)果），MCU控制循環(huán)讀取序列號(hào)，直到讀取一個(gè)校驗(yàn)正確的序列號(hào)后，保存并退出循環(huán)；當(dāng)然出錯(cuò)也會(huì)退出循環(huán)。

Sector0的Block0數(shù)據(jù)格式如表4所示。

3．3 Select（選擇卡片）

將Anticollision操作讀取的序列號(hào)SN 4個(gè)字節(jié)還有異或的校驗(yàn)碼發(fā)送到Mifare 1 S50卡上，卡片接收后與自身SN及校驗(yàn)碼核對(duì)，只有完全一樣才能選定卡片。

3．4 Authentication（密碼認(rèn)證）

Mifare 1 S50卡有1KB容量，分為16個(gè)扇區(qū)：Sector0到Sector15，每個(gè)Sector（扇區(qū)）包括4個(gè)Block（塊），每個(gè)Block具有16個(gè)byte的存儲(chǔ)容量。Block被分為Block0至Block3；整個(gè)Mifare 1 S50非接觸式智能卡共有64個(gè)Block。

每個(gè)Sector的Block3都存放著本扇區(qū)自己的密碼KeyA、KeyB和Access Bits。通過Access Bits設(shè)置密碼方式和數(shù)據(jù)塊類型（Write/Read或Value）。

只有密碼完全認(rèn)證通過后，才可以對(duì)卡片進(jìn)行Write/Read操作。

3．5 Write/Read（讀寫操作）

Authentication密碼認(rèn)證通過后，可以對(duì)64Block進(jìn)行讀寫操作。其中Sector0中的Block0只能執(zhí)行讀操作。Mifare 1 S50讀寫時(shí)是以Block為單位的，讀或?qū)懚际轻槍?duì)整個(gè)Block 16字節(jié)的數(shù)據(jù)，不能單個(gè)字節(jié)讀寫。為了確保數(shù)據(jù)的正確性，可進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)。

3．6 Decrement/Increment（增值和減值操作）

當(dāng)數(shù)據(jù)塊通過設(shè)置Access bits配置成Value型時(shí)，可以對(duì)其進(jìn)行Decrement/Increment操作。為了防止數(shù)據(jù)出錯(cuò)，Value Block設(shè)有復(fù)雜的數(shù)據(jù)格式。Value重復(fù)存放3次，其中原碼存放2次，補(bǔ)碼再存放1次；Adr重復(fù)存放4次，其中原碼存放2次，補(bǔ)碼再存放2次。

Value：增值或減值 Adr：操作Block地址

執(zhí)行Decrement/Increment后，把結(jié)果存放在內(nèi)部數(shù)據(jù)緩沖寄存器中，等待Transfer指令操作寫入指定的目標(biāo)Block中。

3．7 Restore

Restore指令是將Mifare 1 S50內(nèi)某一Block內(nèi)容讀出，存放在內(nèi)部數(shù)據(jù)緩沖寄存器中，等待Tranfer指令操作寫入指定的目標(biāo)Block中，相當(dāng)于復(fù)制Block a到Block b中。

3.8 Transfer（傳送）

Transfer指令操作是將內(nèi)部數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)傳送到目標(biāo)Block中。執(zhí)行Decrment/Increment和Restore指令操作都需要Transfer指令，數(shù)據(jù)才能成功傳輸。

3.9 Halt（停機(jī)）

Halt指令操作將結(jié)束MF RC522與Mifare S50通信。

MF RC522作為新一代非接觸IC卡與傳統(tǒng)的IC卡相比有著很大的優(yōu)勢(shì)，具有較強(qiáng)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(jī)結(jié)合實(shí)現(xiàn)低功耗預(yù)付費(fèi)水表的設(shè)計(jì)。

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