簡介

在現(xiàn)實(shí)生活中，磁卡是最常見的用來識(shí)別用戶的卡片，無論是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織還是中國國標(biāo)均對這種使用磁介質(zhì)的存儲(chǔ)技術(shù)制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。磁卡技術(shù)廣泛被商業(yè)，政府，醫(yī)療等機(jī)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(biāo)準(zhǔn)化組織ISO發(fā)布了ISO 7811系列磁卡的國際標(biāo)準(zhǔn)，從1995年發(fā)布第一版標(biāo)準(zhǔn)后持續(xù)再修訂和增加內(nèi)容，涵蓋了從機(jī)械結(jié)構(gòu)到存儲(chǔ)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(jī)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(hù)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(jià)的小型終端，這些終端非常小巧，售價(jià)低廉甚至免費(fèi)提供給客戶，利用客戶的智能手機(jī)進(jìn)行銀行交易。僅僅2年時(shí)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?yàn)檫@種商業(yè)模式中重頭還是在網(wǎng)銀平臺(tái)支持，本參考設(shè)計(jì)僅關(guān)注終端本身的設(shè)計(jì)。

硬件系統(tǒng)

1 硬件框圖

本設(shè)計(jì)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(jī)側(cè)的應(yīng)用（安卓平臺(tái)）。如圖1，系統(tǒng)硬件由MCU，供電電路，磁頭信號(hào)調(diào)理電路，加密電路以及通訊電路構(gòu)成。

圖1.硬件框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 MCU

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

2.2 供電電路

供電電路的選擇比較多，如圖1中所示：可以利用智能手機(jī)的耳機(jī)接口獲得運(yùn)行所需的電力，但是這種方式的限制是手機(jī)的硬件各不相同，耳機(jī)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(dāng)多的手機(jī)的耳機(jī)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(jī)，較實(shí)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(dāng)設(shè)備整體功耗降低到幾毫瓦數(shù)量級(jí)時(shí)，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(jī)獲得電力和使用小型鋰電池兩種場合設(shè)計(jì)了相應(yīng)的電路，可以按照性能和成本需求選擇。

2.3 磁頭及磁卡介紹

2.3.1 磁頭

讀卡設(shè)備的核心部件就是磁頭，磁頭是將磁信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的關(guān)鍵器件，只有將磁卡上的磁信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，上面存儲(chǔ)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(dāng)有磁場的磁條通過磁頭時(shí)，因?yàn)榇蓬^磁性材料的磁阻較小，磁條磁場的磁力線會(huì)從磁頭磁性材料中通過，從而在磁頭線圈中感應(yīng)出電信號(hào)，這個(gè)信號(hào)被進(jìn)一步放大以后就可以進(jìn)行處理。

圖2.磁卡讀取示意圖

2.3.2 磁卡

磁卡的讀取與以前廣泛使用的磁帶機(jī)相似，磁卡和磁帶都是使用磁場來保存變化的信號(hào)，也都是通過磁道與磁頭的相對運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)磁場到電場的轉(zhuǎn)換。如圖3，按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，磁卡上最多可以有三個(gè)磁道，這三個(gè)磁道中一和二磁道是只讀磁道，第三個(gè)磁道是讀寫磁道。磁道中存儲(chǔ)的信息由標(biāo)準(zhǔn)決定，使用哪些磁道受實(shí)際應(yīng)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(huì)使用第三磁道。

圖3.磁道分布示意圖

2.3.3 磁道

在磁道上覆蓋有磁性材料，當(dāng)需要寫入數(shù)據(jù)時(shí)，將磁頭線圈通電，電流按照信號(hào)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(chǔ)的都是數(shù)字信號(hào)即“0”和“1”，數(shù)字信號(hào)是利用磁場的方向的變化和頻率的變化來表示的。

圖4.磁條磁場分布示意圖

如圖4，是ISO-7811中對于磁條信號(hào)的規(guī)定。左邊是磁條表面實(shí)際磁場強(qiáng)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(gè)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(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定在單位時(shí)間內(nèi)磁場方向變化一次為“0”，而在相同時(shí)間內(nèi)磁場方向變化兩次則為“1”。所以，ISO-7811 規(guī)定的信號(hào)編碼實(shí)際是基于頻率變化的，如圖4中的右側(cè)圖所示，每個(gè)位都攜帶了時(shí)鐘信息，不會(huì)產(chǎn)生累積誤差。