1引言 

    磁條卡是一種運(yùn)用磁性物質(zhì)制成的標(biāo)識(shí)卡。目前。它廣泛的被制作成為銀行卡，身份識(shí)別卡，公交卡，電話卡，公路交費(fèi)卡等等，有著比較廣泛的運(yùn)用領(lǐng)域。磁條卡有使用便利，數(shù)據(jù)可長(zhǎng)期保存，可反復(fù)擦寫，攜帶方便，價(jià)格低廉便于普及等優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)是一款智能金融終端的刷卡部分．運(yùn)用M3—2200作為磁信號(hào)的硬件轉(zhuǎn)換芯片，運(yùn)用一款以ARM7TDMI為內(nèi)核的東芯SEP3203作為主處理器 

2磁條卡原理

2．1磁條卡的材料及分類 

    磁條卡的正面由聚氯乙烯、聚氯醋酸乙烯或者是ABS工程塑料制作而成：反面則是具有磁性材料的一面．磁性面上有涂磁區(qū)一般分為三個(gè)磁道，用于記錄固定或可變數(shù)據(jù)及冗余數(shù)據(jù)。按照磁性材料分布，磁卡可分為：全面涂磁卡、貼磁條卡、局部涂磁卡；按照磁卡的矯頑力可分為：高矯頑力磁卡(1500奧斯特以上)、低矯頑力磁卡(300奧斯特)。

2．2磁卡的讀寫原理 

    磁條卡的讀寫都是由磁頭執(zhí)行的，磁頭由三部分組成：軟磁性磁芯、線圈、磁路間隙。軟磁性磁芯組成磁路，它由低矯頑力和 高導(dǎo)磁率的軟磁化材料構(gòu)成。線圈的作用是把線圈中的變化的電動(dòng)勢(shì)變成變化的磁通或者是將線圈中變化的磁通變成變化的電 動(dòng)勢(shì)。磁路間隙的作用是形成漏磁。

    為了將數(shù)據(jù)信息寫入磁卡，首先要進(jìn)行編碼如：調(diào)頻制(FM)。調(diào)相制(PM)，改進(jìn)調(diào)頻制(MFM，F(xiàn)2F)等。將經(jīng)過(guò)編碼的信號(hào)電流通人寫磁頭，并且使寫磁頭與磁卡磁性面貼近，寫磁頭與磁卡間以一定的速度進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)，磁軌被磁化，信息即被寫入到磁卡磁軌之上。 實(shí)際的操作是將磁軌貼近磁路間隙，并且以一定的速度通過(guò)磁頭，磁通因?yàn)榇怕烽g隙處的磁阻較大而主要通過(guò)磁卡的磁性體來(lái)構(gòu)成磁通回路，使磁軌被磁化，且借助剩磁效應(yīng)．完成數(shù)據(jù)信息的寫入。 

    磁卡數(shù)據(jù)的讀出是寫入的反向過(guò)程，是將磁軌上的磁信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，通過(guò)二進(jìn)制編碼轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制信號(hào)。最后將二進(jìn)制信號(hào)轉(zhuǎn)變成源信號(hào)。實(shí)際操作是將磁軌貼近磁路間隙，且磁軌以一定的速度通過(guò)磁頭，使磁頭磁路有磁通變化．根據(jù)電磁感應(yīng)定律，磁頭線圈產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，即磁軌上的磁信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，磁頭線圈兩端產(chǎn)生電壓信號(hào)，通過(guò)二進(jìn)制譯碼磁卡上的信息被讀出。

3數(shù)據(jù)譯碼方式 

3．1磁卡數(shù)據(jù)記錄方式 

    磁卡上的數(shù)據(jù)記錄是按照IS07811的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，有三個(gè)磁道。一磁道的數(shù)據(jù)記錄密度為210bpi，最多可記錄79個(gè)字母和數(shù)字，每個(gè)字符由7位編碼．一磁道是只讀磁道。二磁道的數(shù)據(jù)記錄密度為75bpi，最多可記錄40個(gè)數(shù)字，每個(gè)字符有5位編碼，二磁道也是只讀磁道。三磁道的數(shù)據(jù)記錄密度是210bpi，最多可以記錄107個(gè)數(shù)字，每一個(gè)字符由5位編碼，三磁道是讀寫磁道。在銀行系統(tǒng)的運(yùn)用中。所有的銀行磁條卡都運(yùn)用二磁道。根據(jù)各個(gè)銀行規(guī)定可以選擇運(yùn)用三磁道．一磁道暫不使用。
 
    以二磁道為例，每5個(gè)bit組成一個(gè)byte的數(shù)據(jù)，p1，c4，c3，c2，c1，其中p1表示奇偶校驗(yàn)位，e1一e4表示數(shù)據(jù)位，一共可以表示16 種字符．在這些字符當(dāng)中含有10個(gè)阿拉伯?dāng)?shù)字和6個(gè)其他字符。磁道上的數(shù)據(jù)是邏輯取反的，即磁道上取到的為1的數(shù)據(jù)，實(shí)際表示邏輯0。將取反后得到數(shù)據(jù)的低四位再加上0X30可以取到相應(yīng)ASIC碼。磁道上的數(shù)據(jù)可以大體分為6個(gè)部分(見表1)，磁道開始有一些冗余數(shù)據(jù)，緊接著是起始標(biāo)志位，再者是數(shù)據(jù)區(qū)，后是結(jié)束標(biāo)志位。在這之后是LRC(縱向冗余校驗(yàn)位)，最后又是冗余數(shù)據(jù)區(qū)。二磁道從開始標(biāo)志位到結(jié)束標(biāo)志位一共最多可以有40個(gè)數(shù)據(jù)。

    冗余數(shù)據(jù)區(qū)不含有效數(shù)據(jù)，只是用作磁道數(shù)據(jù)的同步，由若干的1組成，取反后全為數(shù)據(jù)0。一般在軟件譯碼時(shí)，只有當(dāng)檢測(cè)到連續(xù)出現(xiàn)5位連續(xù)1(即表示邏輯0)的冗余數(shù)據(jù)時(shí)，才認(rèn)為磁道已經(jīng)開始。開始標(biāo)志位。磁道上的數(shù)據(jù)是101O0，取反后是01011。值為0x0B，加上0X30后為字符‘；’。數(shù)據(jù)區(qū)(見表2)包含主賬號(hào)，字段分隔符，失效日期，服務(wù)代碼，附加數(shù)據(jù)。其譯碼方式與開始標(biāo)志位相同。結(jié)束標(biāo)志位值為OxlF。其轉(zhuǎn)化成ASIC碼為字符‘?’。LRC(縱向冗余校驗(yàn)位)為磁道上各字符的異或和。由于刷卡方向不定．可能為正向刷卡或者是反向刷卡。所以在判斷有效數(shù)值時(shí)以磁道上第一個(gè)0(取反即為1)為標(biāo)志，這是因?yàn)闊o(wú)論是使其標(biāo)志位0x0B還是OxlF其第一個(gè)有效位都是0 (取反即為1)。

3．2軟件譯碼方式 

    經(jīng)過(guò)硬件解調(diào)電路出來(lái)的信號(hào)共有5路，將兩個(gè)磁道分別對(duì)應(yīng)的時(shí)鐘CLK信號(hào)接主處理器的中斷信號(hào)，兩個(gè)磁道數(shù)據(jù)端分別接主處理器的I／O信號(hào)。GradPresent磁卡在線信號(hào)CP接主處理器的I／O信號(hào)。當(dāng)刷卡時(shí)CP信號(hào)為低，且在CLK中斷信號(hào)為低電平時(shí)觸發(fā)，主處理器在數(shù)據(jù)口取數(shù)據(jù)。(取其中的一路信號(hào)時(shí)序圖．見圖1)

    作正向刷卡數(shù)據(jù)處理，首先，將接收到的數(shù)據(jù)一起存放在一段內(nèi)存區(qū)內(nèi)，判斷當(dāng)?shù)谝晃粸?(取反為1)的數(shù)據(jù)開始作為有效數(shù)據(jù)每五個(gè)bit取反作為一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。第一個(gè)數(shù)據(jù)為0x0B且有能夠在40個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)之內(nèi)有OxlF判斷為正向數(shù)據(jù)接收成功。 

    反向刷卡有50％的幾率，作反向刷卡時(shí)，數(shù)據(jù)處理是從所有磁道上接收的數(shù)據(jù)的最后一個(gè)bit開始往前每5個(gè)bit組成一個(gè)byte。當(dāng)?shù)谝晃粸?(取反為邏輯1)的數(shù)據(jù)開始做每5個(gè)bit取反作為一個(gè)字節(jié)的解碼操作，第一個(gè)數(shù)據(jù)為0XOB且在107數(shù)據(jù)之內(nèi)有0x1F出現(xiàn)判斷為反向數(shù)據(jù)接收成功。之后將接收成功的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的ASIC碼。

圖2 一個(gè)磁道的軟件譯碼流程圖 

    磁卡作為一種記錄數(shù)據(jù)的有效載體，其數(shù)據(jù)信息的安全性和準(zhǔn)確性是很高的。但是在一些操作不當(dāng)?shù)那闆r下，還是會(huì)出現(xiàn)一些數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的情況。在手動(dòng)刷卡時(shí)，要求速度控制在每秒3英寸到50英寸的范圍內(nèi)，過(guò)快、過(guò)慢或者是不必要的抖動(dòng)都會(huì)引起數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。在解碼軟件中，在判斷正向和反向處理的數(shù)據(jù)是否正確，除了判斷起始標(biāo)志位和結(jié)束標(biāo)志位。還要對(duì)每一個(gè)byte(取反后的數(shù)據(jù))的數(shù)據(jù)作奇偶校驗(yàn)位的檢測(cè)，在這里具體是作奇校驗(yàn)即一個(gè)byte中低四位數(shù)據(jù)加上奇偶校驗(yàn)位(即最高位)中1的個(gè)數(shù) 是奇數(shù)時(shí)有效，為偶數(shù)時(shí)，判斷為刷卡錯(cuò)誤。而且，若是刷卡到一半時(shí)就將卡從卡槽中拿出，也可通過(guò)在線信號(hào)CP是否為低來(lái)加以判斷。

4磁卡讀卡器硬件架構(gòu) 

    整個(gè)讀卡器部分有磁頭，譯碼芯片和以ARM 主處理器為核心的CUP模塊。選用的ARM芯片一東芯SEP3203是東南大學(xué)自主研制的一款以ARM7TDMI為IP內(nèi)核的32位RISC芯片，工作主頻可以達(dá)到75MHz，可以滿足刷卡器中斷的上來(lái)的頻率，該處理器有豐富的I／O資源和中斷口資源和其他的接口資源。刷卡得到的數(shù)據(jù)可以高效率的通過(guò)ARM 芯片處理，并且可以通過(guò)其他接口如串行口等將數(shù)據(jù)導(dǎo)出，或者是將數(shù)據(jù)保存到FLASH中。CUP模塊由SEP3203，F(xiàn)LSAH，SDRAM 和相應(yīng)的外圍電路組成。

    硬件譯碼芯片選擇了臺(tái)灣中青科技的M3—2200。該芯片可以同時(shí)接兩路信號(hào)進(jìn)行譯碼，滿足同時(shí)接二磁道和三磁道數(shù)據(jù)的要求，采用改進(jìn)調(diào)頻制(F2F)輸出信號(hào)，每秒鐘可以輸出200—10000個(gè)信號(hào)給CPU。此譯碼芯片的一端接磁頭，由磁頭上輸入兩路信號(hào)給芯片；輸出信號(hào)兩組，每一組有兩路信號(hào)，分別是：DATA和、CLK．其中DATA信號(hào)接CUP的GPIO口作普通信號(hào)使用，CLK接GPIO口作為中斷口使用，且是低電平觸發(fā)。此外，還有一路GradPresent磁卡在線信號(hào)cp，此信號(hào)低電平有效，接主處理器的GPIO口作為普通信號(hào)使用。

圖3 刷卡器部分硬件線路圖 

5結(jié)論 

    本設(shè)計(jì)在介紹磁卡的制作材料，分類，工作原理和磁卡記錄方式及讀寫原理，采用了一塊工作主頻達(dá)到75MHz的ARM芯片作為CUP模塊，同時(shí)運(yùn)用M3—2200作為硬件譯碼芯片，實(shí)現(xiàn)了刷卡器部分的硬件部分。并且，較為詳盡的介紹了軟件譯碼方式和正向刷卡和反向刷卡的軟件處理方案，設(shè)計(jì)思想和對(duì)刷卡速度的要求。同時(shí)，還給出了軟件譯碼流程圖。．作為智能交易終端的刷卡部分，經(jīng)過(guò)實(shí)際使用，情況良好。

作者簡(jiǎn)介：
龔翔宇(1982一)，男，東南大學(xué)國(guó)家ASIC 中心，碩士研究生，研究方向：芯片系統(tǒng)與嵌入式系統(tǒng)；
陳俊(1982一)，男，東南大學(xué)國(guó)家ASIC中心，碩士研究生，研究方向：嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)；
任毅(1983一)，男，東南大學(xué)國(guó)家ASIC 中心，碩士研究生，研究方向：芯片系統(tǒng)與嵌入式系統(tǒng)。

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