基站芯片RC522的14443A读卡器设计

基站芯片RC522的14443A读卡器 理中心上位机，便于建立对卡数据的综合管理系统。 1 硬件系统设计 读卡器硬件框图如图1所示。 单片机PICl6F7x通过SPI总线与RC522和Flash芯片AT45D011相连，同时用简化的ISA总线连接以太网接口芯片C58900，以提供连接到局域网的能力。AT45D0ll存储容量为lMb，可同时存储7400多组MIFARE的E2PROM块和UID号，提供了足够读卡器一天内读取的信息量的存放容量。对于RC522天线部分的设计，Philips公司有专门的手册详细介绍，本文不再赘述。RC522的SPI总线接口有其自身的时序要求。它只能工作于从模式，最高传输速率为10 Mbps，数据与时钟相位关系满足“空闲态时钟为低电平，在时钟上升沿同步接收和发送数据，在下降沿数据转换”的约束关系。PICl6F7x系列单片机的片上外设包括1个SSP模块。该模块可配置为SPI接口使用，通过相应的寄存器可控制SPI接口的数据传输率、数据一时钟相位天系等通信参数。本文中配置SSP模块工作于SPI主模式下，时钟为1,4单片机主频，接收和发送数据都在时钟上升沿发生。 需要注意的是，由于RC522支持的数字接口形式多种多样，因此芯片在每次复位时都会检测外部引脚连接关系。对于SPI接口，RC522的相关引脚必须按照图2所示的连接关系配置。 除了通用的4条SPI信号线(时钟线SCK、输入数据线MOSI、输出数据线MOSO和选通线NSS)以外，RC522要求额外的2个引脚I2C和EA分别 固定接低电平和高电平。这2个引脚不参与SPI总线传输，只起设定RC522数字界面采用SPI接口的作用。另外，片选信号必须保证在写入数据流期问为低电平，而在无数据流写入时则为高电平;用户不得为节省PIC单片机引脚资源而一直将NSS置为低电平。 2 软件系统设计 相对于Philips公司生产的其他14443基站芯片(如RC500、RC530等)，RC522简化了内部系统结构，去掉了片内E2PROM。从而大大缩减了芯片命令集。另外，对载波调制电路，发送电路和解调、解码电路的控制也相应简化，去掉了校准接收电路I时钟、Q时钟、校准发送与接收时钟相位等繁琐的操作。一般而言，单片机与RC522的通信流程如图3所示。 根据RC522和MIFARE卡问传送的控制流数据的不同，通信过程中可能会出现不同的状态。对各种状态须作不同处理，这正是软件系统开发的难度所在。下面给出RC522命令 集中2个最基本命令(Tranceive和MFAuthe-nt)执行过程中可能遇到的通信状态及处理。这两个命令分别实现向MIFARE卡发送,接收数据和加密认证功能。实际上，通过它们即可完成对MIFARE卡的所有操作，包括Request、Anticollision、Select、READ、WRITE等。 2(1 RC522命令集的实现 RC522主要的状态指示寄存器包括ComIrqReg、Er-rorReg、Status2Reg和 FIFOLevelReg等。软件处理的思路:通过ComIrgReg得到RC522内部中断状态;由中断判断RC522与MIFARE卡的通信流程信息，从而决定是 否进行下一流程处理;若中断指示有错误发生，则需进一步读取ErrorReg的内容，据此返回错误字。 新一代Mifare射频基站IC MF RC522在水中的应用 摘要:介绍了Philips公司最新推出的Mifare非接触IC卡读写芯片MF RC522的主要特性、引脚功能和基本指令集;简述以MSP430系列超低功耗16位单片机为内核的水表设计以及与MFRC522的硬件接口电路设 计;重点阐述了MSP430对MF RC522的读写控制流程。 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。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 Command命令类别如表2所示。 表2 Command命令类型 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 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。