簡介

在現實生活中，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的存儲技術制定了相關標準。磁卡技術廣泛被商業，政府，醫療等機構所采用，但最大規模使用還是銀行發行的各種信用卡，借記卡等卡片。國際標準化組織ISO發布了ISO 7811系列磁卡的國際標準，從1995年發布第一版標準后持續再修訂和增加內容，涵蓋了從機械結構到存儲方式以及數據格式等一系列的內容。

以前的銀行系統中，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，這些設備都是由商家提供的，維護成本較高。這一切隨2009年出現在美國的方形支付（square）而出現改變，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，這一新的商業形式得到大規模發展，并且在國內出現了多家類似生產廠商且已經成功推出一系列產品。因為這種商業模式中重頭還是在網銀平臺支持，本參考設計僅關注終端本身的設計。

硬件系統

1 硬件框圖

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

圖1.硬件框圖

2 硬件設計

2.1 MCU

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快速啟動。另外該器件具有較大的RAM以及豐富的外設，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。

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十毫瓦不等。為了能夠讓設備工作，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備使用。為了兼容盡可能多的手機，較實際的做法是在設備內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。當設備整體功耗降低到幾毫瓦數量級時，使用一顆小型紐扣電池可以支持足夠的使用次數。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計了相應的電路，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

讀卡設備的核心部件就是磁頭，磁頭是將磁信號轉換為電信號的關鍵器件，只有將磁卡上的磁信號轉換成電信號，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。

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磁場到電場的轉換。如圖3，按照標準規定，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。

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，當需要寫入數據時，將磁頭線圈通電，電流按照信號變化，由電流產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，上面存儲的都是數字信號即“0”和“1”，數字信號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中對于磁條信號的規定。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，即每一個數據位（bit）之間反向都是相反的。此外，為了表示“0”和“1”，標準還規定在單位時間內磁場方向變化一次為“0”，而在相同時間內磁場方向變化兩次則為“1”。所以，ISO-7811 規定的信號編碼實際是基于頻率變化的，如圖4中的右側圖所示，每個位都攜帶了時鐘信息，不會產生累積誤差。