计量型 Mifare 1 射频卡用水控制器的设计

刘江文

( 徐州建筑职业技术学院机电工程系， 江苏 徐州 221008)

摘 要： 节约资源类产品的开发具有较大的实用价值，本文介绍了以 STC89C58 单片机为核心， Mifare 1 射频卡为数据记忆载体， Atmel24c256 为存储芯片的用水控制器的设计。此智能用水控制器应用中适应性强，可靠性高，有良好的推广价值。

关键词： 单片机；射频卡；用水控制器

1 引言

    我国经济发展迅速，资源的制约矛盾日益突出，建设节约型社会以成为一项基本国策。结合当今科学技术，紧抓管水、控水环节，不白白浪费每一滴水。本文介绍一种以射频卡作为传输媒体的用水控制器，解决了公共场合用水管理问题，做到了谁用水谁付费，杜绝了因责任不清而造成的浪费现象。

  2 计量型射频卡用水控制系统的工作原理及功能

    整个系统由用水充值站点、用水控制器及射频储值卡组成。充值站点由一台 PC 机承担，管理软件采用 VB 编写， PC 机的串口 RS-232 连接射频卡读写器。用水控制器的核心为 STC89C58 单片机，由它完成用水计量、数据结算、余量显示、阀门控制、异常报警、读写卡接口、电源管理等功能。射频卡采用 PHILIPS 公司的 Mifare 1 S50 卡片。

    功能实现方式：将有储值水量的射频卡片靠近用水控制器读写器，控制器显示板显示卡中的用水余量，打开安装在自来水管上的控制阀，并开始计量，显示板显示水量减少过程。用水完毕，再用刚才使用过的射频卡靠近控制器读写器，用水控制器则关闭控制阀。射频卡中的储水量用尽时，控制器关闭阀门。

  3 计量型射频卡用水控制器的硬件设计

    本设计的用水控制器结构框图如图 1 所示，以单片机 STC89C58 为整个控制的核心，负责整个窗口机的监控。考虑到该系统需要大容量数据存储，这里采用了 Atmel 公司的 24C 256 EEPROM 存储器，读写器模块为 philips 公司的 mfRC500 。

图 1 射频卡用水控制器硬件结构框图

  （ 1 ）电源电路：取 220V 交流电源，经变压整流电路，稳压后一部分供给工作电路，一部分给 3.6V 镍氢电池充电。

图 2 电源电路

  （ 2 ）射频卡读写器电路：射频卡读写器电路如图 3 所示，由于采用了 philips 公司高集成度的 type a 读写器芯片 mfRC500 ，有效距离可达 10cm 。每次上电或硬启动后 , 芯片会复原其并行接口模式并检测当前的 MCU 接口类型， mfRC500 可支持不同的微控制器接口。本设计用复用的地址和数据总线与微控制器接口，将 mfRC500 的 ALE 引脚连接到微控制器的 ALE 信号。

图 3 射频卡读写器电路

  （ 3 ）存储器电路： AT24c256 是一个 256kb 的支持 i2c 总线数据传送协议的串行 CMOS EEPROM ，可编程自定时写周期（包括自动擦除时间不超过 10ms ，典型时间为 5ms ），其地址分配如表 1 所示。

表 1 24C256 地址的划分

  （ 4 ） 数据通信电路：采用 RS485 串行通信方式进行数据的传送。数据的采集存储由单片机系统完成 , 而数据的处理由 PC 完成，即将 PC 与单片机组成上位机、下位机分布式控制系统。下位单片机作为前端处理机，深入到现场，负责采集各种数据并记录，在需要时将各种数据传到上位机。

图 5 数据通信电路

  （ 5 ） 显示电路：消费机显示部分包括前后面板都有 8 位 LED 数码管，全部由 74LS164 驱动。显示部分采用的是普通的串行静态显示，由 STC89C58 的 P1.6 和 P1.7 构成模拟 I2c 串行口，通过 P89LPC932 将驱动信号分别送往前后显示面板。

  （ 6 ）脉冲采集电路：在普通转盘计数的水表中加装干簧管和永久磁铁，干簧管固定安装在计数转盘附近，永磁铁安装在计数盘位上，当转盘每转一圈，永磁铁经过干簧管一次即在信号端产生一个计量脉冲。

  （ 7 ）阀门控制电路：采用 2.5V ～ 6V 电磁阀 , 无压损，工作可靠性。控制器存储器中有用水余量时，阀门开启；用水余量低于设定值或控制器故障时 , 阀门关闭。

  4 计量型射频卡用水控制器的软件设计

      首先对 mfRC500 进行初始化配置 , 寄存器设置好后 ,MF RC500 可以接收控制命令执行操作 , 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 STC89C58 并不是通过简单的指令就可以读写卡片 , 需要一系列的操作才能完成通信。

  （ 1 ）复位应答： M1 射频卡的通讯协议和通讯波特率是定义好的，当有卡片进入读写器的操作范围时，读写器 MF RC500 以特定的协议与它通讯。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 。

  （ 2 ）防冲突机制：当有多张卡进入读写器 mfRC500 操作范围时，防冲突机制会从其中选择一张进行操作，未选中的则处于空闲模式等待下一次选卡，该过程会返回被选卡的序列号。

  （ 3 ）选择卡片：选择被选中的卡的序列号，并同时返回卡的容量代码。 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 ）三次互相确认：选定要处理的卡片之后，读写器就确定要访问的扇区号，并对该扇区密码进行密码校验，在三次相互认证之后就可以通过加密流进行通讯。

  （ 5 ）读卡 : 密码认证通过后 , 可以对 64 Block 进行读写操作。 其中 Sector0 中的 Block0 只能执行读操作。读出卡片中的用图 6 射频卡用水控制器 水余量，送到控制器内存中。

程序流程图

  （ 6 ）减值：根据脉冲采样的计量数值对控制器的内存数据进行减值。

  （ 7 ）写卡：用水完毕，再次将射频卡靠近控制器，将存储在控制器内存中的用水余量数据写入卡片。

  （ 8 ）控制阀门：根据工作流程，通过验证的卡片第一次检测到，则执行读卡操作，并根据卡中的用水余量确定是否开阀，第二次检测到时，则关闭水阀。

  （ 9 ）停 机： Halt 指令操作将结束 mfRC500 与 Mifare 1 S50 通信。

5 结束语

    本设计采用射频感应技术，可靠性高、保密性高、快速方便、使用寿命长；采用 i2c 总线简化了硬件电路结构；采用大容量的 EEPROM ，具有掉电后长期保存功能；具有自动识别非法卡并报警的功能；数据采集灵活；应用开发较为成熟的单片机 STC89C58 ，其他芯片也均是市场上的主流产品，价格比较合理，整个系统的性价比较高。节约型社会的建设任重道远，让我们运用现代科学技术，共同为我国的经济建设献力。

参考文献：

[1] 王爱英 . 智能卡技术 [M]. 北京 : 清华大学出版社 ,2000

[2] 姚 磊 , 单承赣 .MiFare1 非接触式 IC 卡读写核心模块 MCM200 及其编程方法 [J]. 国外电子元器件 ,2004, （ 4 ） :34-37 。

[3] 高集成度 TYPEA 读写器芯片 RFMC500 及其应用 [J].2004, （ 8 ） :34-37 。

收稿日期： 2007-06-21 修回日期： 2007-07-28

----------------    《中国西部科技》学术 2007年8月上    ----------------