新一代Mifare射頻基站IC MF RC522在水表中的應用

摘要：介紹了Philips公司最新推出的Mifare非接觸IC卡讀寫芯片MF RC522的主要特性、引腳功能和基本指令集；簡述以MSP430系列超低功耗16位單片機為內核的水表設計以及與MFRC522的硬件接口電路設計；重點闡述了MSP430對MF RC522的讀寫控制流程。關鍵詞：MF RC522 MSP430單片機 低功耗 水表 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 0Rcv OFFPower DownCOMMANDCommand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)0000CalcCRC(校驗)0011Transmit(發送)0100NoCmd Change(無命令改變)0111Recceive(接收)1000Transceive(收發)1100MFAuthent(認證)1110Soft Reset(軟件復位)11112．2 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 Std0x26Request All0x52AntiCollision(防重疊)0x93Select Tag(選卡片)0x93Authentication_A0x60Authentication_B0x61Read(讀)0x30Write(寫16Bytes)0xA0Write4(寫4Bytes)0xA2Increment(增值)0xC1Destore(減值)0xC0Restore(重儲)0xC2Transfer(傳送)0xB0No command0x503 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。