基于MSP430F413单片机和MFRC522芯片实现低功耗预付费水表的设计

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%26;#215;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。

Command命令类别如表2所示。

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。

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。

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