磁卡讀寫(xiě)器用于讀寫(xiě)磁卡、存折的磁條信息，可廣泛應(yīng)用于金融、郵電、商業(yè)、交通、海關(guān)、會(huì)員卡消費(fèi)和積分消費(fèi)等領(lǐng)域。
本文通過(guò)磁卡讀寫(xiě)器的實(shí)際設(shè)計(jì)案例剖析它的技術(shù)原理。
通過(guò)磁性圖案存儲(chǔ)信息的技術(shù)最早出現(xiàn)在音頻記錄領(lǐng)域。從那以后，這個(gè)概念已被擴(kuò)展應(yīng)用于許多不同產(chǎn)品，如軟盤(pán)、音頻/視頻磁帶、硬盤(pán)以及磁條卡。本文將主要討論在全球金融交易和門(mén)禁控制中得到廣泛使用的磁條卡。
讀取磁條卡除了需要解碼數(shù)據(jù)的數(shù)字邏輯外還要求很重要的模擬電路。在磁卡上記錄數(shù)據(jù)是數(shù)字化的過(guò)程，通過(guò)沿著磁條長(zhǎng)度磁化粒子完成。而成功讀取磁卡具有相當(dāng)大的挑戰(zhàn)性，因?yàn)樵趯?shí)際應(yīng)用中傳感器信號(hào)的幅度會(huì)隨著劃卡速度、磁卡質(zhì)量和讀卡磁頭的靈敏度而變化。此外，頻率也會(huì)隨著劃卡速度變化而變化。這就要求模擬電路能夠適應(yīng)這種變化，無(wú)失真地處理傳感器信號(hào)。本文將介紹如何處理傳感器信號(hào)變化的機(jī)制。
磁性與磁卡
為了理解劃卡速度、磁卡質(zhì)量和傳感器靈敏度的影響，了解信息是如何存儲(chǔ)在卡上的以及如何被讀卡頭檢測(cè)出來(lái)很重要。在磁性存儲(chǔ)系統(tǒng)中，信息用諸如氧化鐵等磁化材料上的極性圖案表示。圖1顯示了涂覆在磁化材料上的磁條。磁化材料上的顆?？赡芴幱谀撤N特定的排列方向，或者因以前沒(méi)有受到特定方向磁場(chǎng)的照射而處于隨機(jī)方向。然而，如果施加一定的外部磁場(chǎng)，磁條上的顆粒將按照外部磁場(chǎng)排列方向。
圖1:在外部磁場(chǎng)的影響下磁化材料按特定方向排列
在實(shí)用化系統(tǒng)中需要用到一個(gè)寫(xiě)入磁頭，它其實(shí)就是繞在磁心上的一個(gè)線圈。通過(guò)控制線圈中的電流方向可以很容易編程磁場(chǎng)方向。這有助于在磁卡上形成南北極圖案。磁極之間的空隙越窄，磁卡上能夠編程的數(shù)據(jù)密度就越高。
在F2F編碼機(jī)制中，如果在比特周期內(nèi)發(fā)生磁極轉(zhuǎn)換，那就代表邏輯1,否則代表邏輯0.例如圖3所示，如果比特周期是Δ，而磁極轉(zhuǎn)換發(fā)生在Δ/2處，那么這個(gè)比特就是邏輯1,否則就是邏輯0.注意，邏輯1和邏輯0在磁卡上占據(jù)的長(zhǎng)度是相同的。不過(guò)比特周期Δ會(huì)隨劃卡速度而變化，這個(gè)問(wèn)題在讀卡中必須加以解決。
圖2:用電磁體磁化磁條表示邏輯1和邏輯0,其中用到了F2F編碼機(jī)制
圖3:磁極圖案和數(shù)據(jù)
值得注意的是，比特周期長(zhǎng)度對(duì)邏輯1和邏輯0來(lái)說(shuō)都是相同的。
根據(jù)信息量的多少，數(shù)據(jù)將被編碼在不同的行，這個(gè)行被稱為磁道。一個(gè)磁卡上最多可以有3條磁道。
圖4:磁卡上的磁道
讀過(guò)程正好相反，它需要使用一個(gè)結(jié)構(gòu)上與圖2所示的線圈-磁芯相同的讀卡頭。需要注意的是，每個(gè)磁道要有一個(gè)傳感器。在劃卡時(shí)，源自磁條的磁場(chǎng)將在讀卡頭線圈中感應(yīng)出電壓。圖5顯示了從讀卡頭得到的波形。
圖5:讀卡頭（傳感器）信號(hào)
信號(hào)在每次磁通量轉(zhuǎn)換時(shí)出現(xiàn)峰值。這是因?yàn)樵诖艠O邊緣具有高密度的磁通量。正如你看到的那樣，信息是用信號(hào)峰值的位置表示的。峰值檢測(cè)器電路可以解碼這個(gè)信號(hào)，或者使用閾值非常接近信號(hào)峰值的磁滯比較器。不過(guò)在我們將這個(gè)信號(hào)交給檢測(cè)器電路之前，還需要進(jìn)行額外的處理，原因如下：
劃卡速度：劃卡速度的單位規(guī)定為英寸/每秒（IPS）。一般來(lái)說(shuō)，要求磁卡讀卡器能在5 IPS至50 IPS的劃卡速度范圍內(nèi)正常工作。傳感器信號(hào)的幅度隨劃卡速度變化而變化。劃卡速度增加，讀卡頭中的線圈切割的磁通量變化速度也增加，因此信號(hào)幅度會(huì)變大。與之相反，當(dāng)劃卡速度變慢時(shí)，信號(hào)幅度將降低，從而增加數(shù)據(jù)讀取的難度。
磁卡質(zhì)量：隨著時(shí)間的推移以及使用量的增加，卡的質(zhì)量將隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的降低以及由于磁卡上的灰塵與刮擦而引起的失真加大而下降。這些因素綜合在一起將降低傳感器信號(hào)的幅度。
讀卡頭靈敏度：讀卡頭靈敏度取決于線圈匝數(shù)以及讀卡頭與磁條之間的間距。
由于所有這些參數(shù)的影響，信號(hào)幅度可能在幾百個(gè)uV至幾十個(gè)mV之間變化。這個(gè)范圍可以用放大器進(jìn)行補(bǔ)償。但不能用固定增益放大器。當(dāng)劃卡速度很高，卡的質(zhì)量又很好時(shí)，放大器輸出可以飽和到電源軌電壓。而當(dāng)信號(hào)飽和時(shí)，用兩個(gè)連續(xù)峰值之間的時(shí)間差代表的信息將丟失。因此如實(shí)地放大傳感器信號(hào)、不至于使波形發(fā)生飽和或改變很重要。這就要求使用增益可配置的放大器，以便我們隨時(shí)調(diào)整增益。要做到這一點(diǎn)，系統(tǒng)必須能夠檢測(cè)信號(hào)變?nèi)醯臅r(shí)刻。這可以用跟蹤傳感器信號(hào)的ADC尋找近似的信號(hào)峰值來(lái)實(shí)現(xiàn)。
圖6顯示了一個(gè)完整的系統(tǒng)。最好將放大電路做成兩級(jí)，用ADC接收第一級(jí)電路的輸出。這樣就無(wú)需高分辨率ADC,8位ADC就足以滿足這種應(yīng)用需求。第一級(jí)可以是固定增益的放大器，也可以是可變?cè)鲆娣糯笃鳌５诙?jí)是可變?cè)鲆娣糯笃?。CPU讀取ADC結(jié)果，并通過(guò)調(diào)整增益使第二級(jí)放大器的信號(hào)輸出達(dá)到最佳。第二級(jí)放大器的輸出送到峰值檢測(cè)器/磁滯比較器電路進(jìn)行峰值檢測(cè)。來(lái)自檢測(cè)器的脈沖輸出被饋送至定時(shí)器進(jìn)行時(shí)間差測(cè)量，然后由CPU解碼出1和0。
圖6:磁卡讀卡器框圖
至此仍然存在增益更新之前是否有數(shù)據(jù)丟失的問(wèn)題。為了避免這個(gè)問(wèn)題，磁卡的兩頭會(huì)用前導(dǎo)零進(jìn)行編碼以實(shí)現(xiàn)同步（這樣可以支持雙向劃卡）。這樣做的目的是使解碼器同步于劃卡速度。舉例來(lái)說(shuō)，在磁道1中，共有約62個(gè)前導(dǎo)零。磁道1具有210個(gè)比特的數(shù)據(jù)密度。因此我們可以估算出劃卡速度為5 IPS時(shí)前導(dǎo)零將持續(xù)約60ms時(shí)間，劃卡速度為50 IPS時(shí)前導(dǎo)零將持續(xù)6ms.對(duì)另外兩個(gè)磁道來(lái)說(shuō)或多或少是相同的，如圖7所示。在人為劃卡時(shí)一開(kāi)始就是50 IPS的劃卡速度是不可能，因此系統(tǒng)具有比6ms長(zhǎng)得多的時(shí)間來(lái)測(cè)量峰值并調(diào)整增益。圖8顯示了增益控制過(guò)程。
圖7:磁卡中三個(gè)磁道的內(nèi)容
需要注意的是，CPU在劃卡期間可能會(huì)持續(xù)精細(xì)調(diào)整增益以適應(yīng)變化的幅度。正常情況下，順著劃卡的方向，劃卡速度會(huì)增加，從而增加信號(hào)幅度。注意，在使用以恒定速度劃卡的自動(dòng)劃卡機(jī)時(shí)這個(gè)觀點(diǎn)是不正確的。
圖8:增益改變過(guò)程
實(shí)現(xiàn)磁卡讀卡器
圖9顯示了基于賽普拉斯PSoC 1的雙磁道磁卡讀卡器實(shí)現(xiàn)方案。PSoC 1處理器具有與8位處理器內(nèi)核集成在一起的可配置模擬和數(shù)字塊，在單顆芯片上集成了所有的功能。需要注意的是，圖中所示的無(wú)源器件是在處理器的外部。
圖9:PSoC 1磁卡讀卡器
由于傳感器信號(hào)可能是負(fù)的，因此必須用直流進(jìn)行偏置。在PSoC 1中，模擬信號(hào)可以以不同于電源地的地為參考。這個(gè)地被稱為模擬地（AGND），輸入信號(hào)被鉗位到這個(gè)模擬地。信號(hào)隨后用可編程增益放大器（PGA）進(jìn)行兩級(jí)放大。PGA是用連續(xù)時(shí)間模擬模塊實(shí)現(xiàn)的。它具有一個(gè)電阻陣列，當(dāng)配置為放大器時(shí)用于改變?cè)鲆?。增益可以被配置?至48之間18個(gè)選項(xiàng)之一。CY8C28243 PSoC 1集成了一個(gè)最大采樣速率為150ksps的10位SAR ADC。
CPU讀取ADC,然后控制放大器增益。放大后的信號(hào)送到磁滯比較器產(chǎn)生邊沿接近信號(hào)峰值的數(shù)字信號(hào)。CPU隨后必須調(diào)整放大器增益，使其閾值接近峰值但不超過(guò)峰值。這有助于避免磁卡發(fā)生抖動(dòng)時(shí)出現(xiàn)定時(shí)誤差。磁滯比較器輸出則送到定時(shí)器進(jìn)行脈沖寬度測(cè)量。CPU讀取定時(shí)器輸出，并解碼為邏輯1或0的數(shù)據(jù)。當(dāng)劃卡結(jié)束時(shí)，CPU打包數(shù)據(jù)比特，檢查是否有錯(cuò)誤，然后通過(guò)I2C、SPI或UART接口將數(shù)據(jù)送給主機(jī)。
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