手機磁條卡讀卡器條卡參考設(shè)計應用介紹

在現(xiàn)實生活中，磁卡是最常見的用來識別用戶的卡片，無論是國際標準化組織還是中國國標均對這種使用磁介質(zhì)的存儲技術(shù)制定了相關(guān)標準。磁卡技術(shù)廣泛被商業(yè)，政府，醫(yī)療等機構(gòu)所采用，但最大規(guī)模使用還是銀行發(fā)行的各種信用卡，借記卡等卡片。國際標準化組織ISO發(fā)布了ISO 7811系列磁卡的國際標準，從1995年發(fā)布第一版標準后持續(xù)再修訂和增加內(nèi)容，涵蓋了從機械結(jié)構(gòu)到存儲方式以及數(shù)據(jù)格式等一系列的內(nèi)容。

以前的銀行系統(tǒng)中，讀取卡片的工作主要交給收銀機或者ATM以及銷售終端來完成，這些設(shè)備都是由商家提供的，維護成本較高。這一切隨2009年出現(xiàn)在美國的方形支付（square）而出現(xiàn)改變，方形支付使用非常廉價的小型終端，這些終端非常小巧，售價低廉甚至免費提供給客戶，利用客戶的智能手機進行銀行交易。僅僅2年時間，這一新的商業(yè)形式得到大規(guī)模發(fā)展，并且在國內(nèi)出現(xiàn)了多家類似生產(chǎn)廠商且已經(jīng)成功推出一系列產(chǎn)品。因為這種商業(yè)模式中重頭還是在網(wǎng)銀平臺支持，本參考設(shè)計僅關(guān)注終端本身的設(shè)計。

本設(shè)計包含硬件和軟件部分，其中軟件部分包括MCU側(cè)的固件以及智能手機側(cè)的應用（安卓平臺）。如圖1，系統(tǒng)硬件由MCU，供電電路，磁頭信號調(diào)理電路，加密電路以及通訊電路構(gòu)成。

MCU采用MSP430F5310，供電范圍較寬（1.8V～3.6V），且運行功耗以及待機功耗均非常低。其運行在8MHz@3V 時功耗僅為195uA/MHz。具有多種工作模式，待機時僅1.1uA@3V（RAM保持），在此模式下可以實現(xiàn)快速啟動。另外該器件具有較大的RAM以及豐富的外設(shè)，定時器資源較豐富。這些特點非常適合本應用的特點即要求絕對的低功耗。

供電電路的選擇比較多，如圖1中所示：可以利用智能手機的耳機接口獲得運行所需的電力，但是這種方式的限制是手機的硬件各不相同，耳機電路輸出功率從幾毫瓦到數(shù)十毫瓦不等。為了能夠讓設(shè)備工作，需要20毫瓦左右甚至更多的功率輸出，但是相當多的手機的耳機電路無法輸出足夠的功率供本設(shè)備使用。為了兼容盡可能多的手機，較實際的做法是在設(shè)備內(nèi)置小型鋰電池或者紐扣電池，以相近的成本提供了較高的兼容性。當設(shè)備整體功耗降低到幾毫瓦數(shù)量級時，使用一顆小型紐扣電池可以支持足夠的使用次數(shù)。本文的方案為通過耳機獲得電力和使用小型鋰電池兩種場合設(shè)計了相應的電路，可以按照性能和成本需求選擇。

讀卡設(shè)備的核心部件就是磁頭，磁頭是將磁信號轉(zhuǎn)換為電信號的關(guān)鍵器件，只有將磁卡上的磁信號轉(zhuǎn)換成電信號，上面存儲的信息才能夠被讀取使用。磁頭主要由磁性材料以及盤繞在其上的線圈構(gòu)成，如圖2所示，當有磁場的磁條通過磁頭時，因為磁頭磁性材料的磁阻較小，磁條磁場的磁力線會從磁頭磁性材料中通過，從而在磁頭線圈中感應出電信號，這個信號被進一步放大以后就可以進行處理。

磁卡的讀取與以前廣泛使用的磁帶機相似，磁卡和磁帶都是使用磁場來保存變化的信號，也都是通過磁道與磁頭的相對運動以實現(xiàn)磁場到電場的轉(zhuǎn)換。如圖3，按照標準規(guī)定，磁卡上最多可以有三個磁道，這三個磁道中一和二磁道是只讀磁道，第三個磁道是讀寫磁道。磁道中存儲的信息由標準決定，使用哪些磁道受實際應用需求決定。在國內(nèi)來說，銀行磁卡主要是信用卡和借記卡，除了一二磁道外，很多信用卡并未使用第三磁道，而大部分借記卡都會使用第三磁道。

在磁道上覆蓋有磁性材料，當需要寫入數(shù)據(jù)時，將磁頭線圈通電，電流按照信號變化，由電流產(chǎn)生的磁場將磁道磁化即可，是讀取的反向操作。本文只涉及的讀取操作，對寫入過程不做介紹。對于銀行卡來說，上面存儲的都是數(shù)字信號即“0”和“1”，數(shù)字信號是利用磁場的方向的變化和頻率的變化來表示的。

如圖4，是ISO-7811中對于磁條信號的規(guī)定。左邊是磁條表面實際磁場強度的分布情況，可以看到磁條上的磁場的方向始終在交替變化，即每一個數(shù)據(jù)位（bit）之間反向都是相反的。此外，為了表示“0”和“1”，標準還規(guī)定在單位時間內(nèi)磁場方向變化一次為“0”，而在相同時間內(nèi)磁場方向變化兩次則為“1”。所以，ISO-7811 規(guī)定的信號編碼實際是基于頻率變化的，如圖4中的右側(cè)圖所示，每個位都攜帶了時鐘信息，不會產(chǎn)生累積誤差。