??? 关键词：MF RC522 MSP430单片机 低功耗 水表
非接触式智能卡（射频卡）以其高度安全保密性、通信高速性、使用方便性广泛应用于三表行业，实现预付费功能，使人们生活质量有了很大的提高。射频卡技术应用于水表将是智能水表的一次伟大革命。
??? MF RC522是Philips公司针对三表最新推出的一款非接触式低功耗读写基站芯片，它是应用于13.56MHz非接触式通信中高集成读卡IC系列中的一员。该读卡IC系列利用了先进的调制和解调概念，完全集成了13.56MHz下所有类型的被动非接触式通读方式和协议。MF RC522支持ISO14443A所有的层，传输速度最高达424kbps，具有三种主机接口方式：SPI模式、UART模式、I2C模式。
本设计采用MSP430系列超低功耗16位单片机为主控芯片，系统3.3V供电完全适合MFRC522供电要求，实现了低功耗的完美结合。
1 系统设计
该系统以TI MSP430F413单片机为核心，工作电压为1.8V～3.6V，内置LCD驱动器24×4段，可以缩小体积、降低成本，在休眠模式下典型电流仅为0.7μA；采用内部Flash保存用水数据、剩余水量和水表状态信息；电源监控采用理光R3111E（可根据设定的门限电压选择相应的型号）；水表阈门采用2.5V～6V直流电机，当人为破坏水表或所购买水量低于设定值时，水表报警并及时关掉阀门，同时将数据保存在内部Flash中；采用MFRC522读写芯片读写Mifare 1 S50卡片实现预付费功能。系统框如图1所示。
本设计利用RC522 UART模式与单片机通信，由于MSP430F413没有硬件串口，故需使用TIMERA模拟串口，如图2所示。
对于MSP430F413而言，P1.0(TimerA捕获/比较输出口)口是UART的TX，P1.1(TimerA捕获/比较输出口)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内部有64个寄存器，共分4页：PAGE0：COMMAND AND STATUS；PAGE1：COMMAND；PAGE2：CFG；PAGE3：TEST。MF RC522通过内部寄存器的读写控制与Mifare 1 IC卡数据通信。
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命令类别如表2所示。
表2 Command命令类型
| COMMAND(命令) | 命令代码 |
| Idle(空闲) | 0000 |
| CalcCRC(校验) | 0011 |
| Transmit(发送) | 0100 |
| NoCmd Change(无命令改变) | 0111 |
| Recceive(接收) | 1000 |
| Transceive(收发) | 1100 |
| MFAuthent(认证) | 1110 |
| Soft Reset(软件复位) | 1111 |
2．2 基本指令集
MF RC522有14种基本指令集，实现不同方式的数据传输，如表3所示。
表3 14种基本指令集
| 基本指令 | 指令代码 |
| Request Std | 0x26 |
| Request All | 0x52 |
| AntiCollision(防重叠) | 0x93 |
| select Tag(选卡片) | 0x93 |
| Authentication_A | 0x60 |
| Authentication_B | 0x61 |
| Read(读) | 0x30 |
| Write(写16Bytes) | 0xA0 |
| Write4(写4Bytes) | 0xA2 |
| Increment(增值) | 0xC1 |
| Destore(减值) | 0xC0 |
| Restore(重储) | 0xC2 |
| Transfer(传送) | 0xB0 |
| No command | 0x50 |
3 软件设计
MSP430F413首先对MF RC522进行初始化配置，寄存器设置好后，MF RC522可以接收控制执行命令执行操作，实现与Mifare 1 S50卡片通信；Mifare 1 S50卡根据接收到的指令进行相应操作。但是MSP430F413并不是通过简单的指令就可以读写IC卡片，需要一系列的操作才能完成通信。主要包括：（1）请求唤醒；（2）防重叠；（3）选择卡片；（4）密码认证；（5）读写操作。
MSP430F413对Mifare 1 S50卡片操作流程，如图3所示。
3．1 请求Request Std/Request All
当在天线有效工作距离内检测到卡片，MF RC522发送Request Std/Request All请求指令，卡片接收到请求指令后返回握手信号，从而判断操作是否成功。
??? Request Std(0x26)连续读卡指令
Request All(0x52)非连续读卡指令
3．2 Atcollision(防重叠)
MF RC522能够防止多张卡片重叠造成的数据错误。当在天线有效工作距离内检测到多张卡片时，MCU读取序列号进行判断检测。
Mifare 1 S50卡具有全球唯一4个字节的序列号，SN存放在Sector0的Block0内前4个字节，第5个字节存放校验码（4字节异或结果），MCU控制循环读取序列号，直到读取一个校验正确的序列号后，保存并退出循环；当然出错也会退出循环。
Sector0的Block0数据格式如表4所示。
3．3 Select(选择卡片)
将Anticollision操作读取的序列号SN 4个字节还有异或的校验码发送到Mifare 1 S50卡上，卡片接收后与自身SN及校验码核对，只有完全一样才能选定卡片。
3．4 Authentication(密码认证)
Mifare 1 S50卡有1KB容量，分为16个扇区：Sector0到Sector15，每个Sector(扇区)包括4个Block（块），每个Block具有16个byte的存储容量。Block被分为Block0至Block3；整个Mifare 1 S50非接触式智能卡共有64个Block。
每个Sector的Block3都存放着本扇区自己的密码KeyA、KeyB和Access Bits。通过Access Bits设置密码方式和数据块类型（Write/Read或Value）。
只有密码完全认证通过后，才可以对卡片进行Write/Read操作。
3．5 Write/Read(读写操作)
Authentication密码认证通过后，可以对64Block进行读写操作。其中Sector0中的Block0只能执行读操作。Mifare 1 S50读写时是以Block为单位的，读或写都是针对整个Block 16字节的数据，不能单个字节读写。为了确保数据的正确性，可进行数据校验。
3．6 Decrement/Increment(增值和减值操作)
当数据块通过设置Access bits配置成Value型时，可以对其进行Decrement/Increment操作。为了防止数据出错，Value Block设有复杂的数据格式。Value重复存放3次，其中原码存放2次，补码再存放1次；Adr重复存放4次，其中原码存放2次，补码再存放2次。
Value:增值或减值 Adr:操作Block地址
执行Decrement/Increment后，把结果存放在内部数据缓冲寄存器中，等待Transfer指令操作写入指定的目标Block中。
3．7 Restore
Restore指令是将Mifare 1 S50内某一Block内容读出 存放在内部数据缓冲寄存器中 等待Tranfer指令操作写入指定的目标Block中 相当于复制Block a到Block b中.
3.8 Transfer(传送)
Transfer指令操作是将内部数据缓冲区内数据传送到目标Block中.执行Decrment/Increment和Restore指令操作都需要Transfer指令 数据才能成功传输.
3.9 Halt(停机)
Halt指令操作将结束MF RC522与Mifare S50通信。
MF RC522作为新一代非接触IC卡与传统的IC卡相比有着很大的优势，具有较强的保密性能和防碰撞功能，特别是采用低电压供电大大降低功耗，能够与超低功耗MSP430单片机结合实现低功耗预付费水表的设计。
（出处：赛尔电子技术中心）
