手机磁条卡读卡器参考设计应用报告

　　1 硬件框图
　　本设计包含硬件和软件部分，其中软件部分包括MCU 侧的固件以及智能手机侧的应用(安卓平台)。如图1，系统硬件由MCU，供电电路，磁头信号调理电路，加密电路以及通讯电路构成。

　　2 硬件设计
　　2.1 MCU
　　MCU 采用MSP430F5310，供电范围较宽(1.8V～3.6V)，且运行功耗以及待机功耗均非常低。其运行在8MHz@3V 时功耗仅为195uA/MHz。具有多种工作模式，待机时仅1.1uA @ 3V (RAM保持)，在此模式下可以实现快速启动。另外该器件具有较大的RAM 以及丰富的外设，定时器资源较丰富。这些特点非常适合本应用的特点即要求的低功耗。
　　2.2 供电电路
　　供电电路的选择比较多，如图 1 中所示：可以利用智能手机的耳机接口获得运行所需的电力，但是这种方式的限制是手机的硬件各不相同，耳机电路输出功率从几毫瓦到数十毫瓦不等。为了能够让设备工作，需要20 毫瓦左右甚至更多的功率输出，但是相当多的手机的耳机电路无法输出足够的功率供本设备使用。为了兼容尽可能多的手机，较实际的做法是在设备内置小型锂电池或者纽扣电池，以相近的成本提供了较高的兼容性。当设备整体功耗降低到几毫瓦数量级时，使用一颗小型纽扣电池可以支持足够的使用次数。本文的方案为通过耳机获得电力和使用小型锂电池两种场合设计了相应的电路，可以按照性能和成本需求选择。
　　2.3 磁头及磁卡介绍
　　2.3.1 磁头
　　读卡设备的部件就是磁头，磁头是将磁信号转换为电信号的关键器件，只有将磁卡上的磁信号转换成电信号，上面存储的信息才能够被读取使用。磁头主要由磁性材料以及盘绕在其上的线圈构成，如图 2 所示，当有磁场的磁条通过磁头时，因为磁头磁性材料的磁阻较小，磁条磁场的磁力线会从磁头磁性材料中通过，从而在磁头线圈中感应出电信号，这个信号被进一步放大以后就可以进行处理。

　　2.3.2 磁卡
　　磁卡的读取与以前广泛使用的磁带机相似，磁卡和磁带都是使用磁场来保存变化的信号，也都是通过磁道与磁头的相对运动以实现磁场到电场的转换。 如图3，按照标准规定，磁卡上多可以有三个磁道，这三个磁道中一和二磁道是只读磁道，第三个磁道是读写磁道。磁道中存储的信息由标准决定，使用哪些磁道受实际应用需求决定。在国内来说，银行磁卡主要是信用卡和借记卡，除了一二磁道外，很多信用卡并未使用第三磁道，而大部分借记卡都会使用第三磁道。

　　2.3.3 磁道
　　在磁道上覆盖有磁性材料，当需要写入数据时，将磁头线圈通电，电流按照信号变化，由电流产生的磁场将磁道磁化即可，是读取的反向操作。本文只涉及的读取操作，对写入过程不做介绍。对于银行卡来说，上面存储的都是数字信号即“0”和“1”，数字信号是利用磁场的方向的变化和频率的变化来表示的.

　　如图4，是ISO-7811 中对于磁条信号的规定。左边是磁条表面实际磁场强度的分布情况，可以看到磁条上的磁场的方向始终在交替变化，即每一个数据位(bit)之间反向都是相反的。此外，为了表示“0”和“1”，标准还规定在单位时间内磁场方向变化为“0”，而在相同时间内磁场方向变化两次则为“1”。所以，ISO-7811 规定的信号编码实际是基于频率变化的，如图4 中的右侧图所示，每个位都携带了时钟信息，不会产生累积误差。
　　2.3.4 数据及编码格式
　　从前面描述可知，在磁条上面可以有3 个磁道，每个磁道都由一系列“0”和“1”构成。ISO-7811 规定下，这些“0”和“1”组成了一个个字符。不同磁条的编码方式不同，本文只针对磁条2 和磁道3，这两个磁条的编码格式相同如图5 所示。从表中可以看出，该编码方式下只有16 个可能的字符，即仅仅能表示数字和一些特定的控制字符如开始字符和结束字符等。该编码用5 个bit 组成一个字符，位是奇校验位，剩下4 个位是字符本身。