簡介

在現(xiàn)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(zhì)的存儲技術(shù)制定了相關(guān)標準。磁卡技術(shù)廣泛被商業(yè)，政府，醫(yī)療等機構(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。國際標準化組織ISO 發(fā)布了ISO 7811 系列磁卡的國際標準，從1995 年發(fā)布第一版標準后持續(xù)再修訂和增加內(nèi)容，涵蓋了從機械結(jié)構(gòu)到存儲方式以及數(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(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。因為這種商業(yè)模式中重頭還是在網(wǎng)銀平臺支持，本參考設(shè)計僅關(guān)注終端本身的設(shè)計。

硬件系統(tǒng)

1 硬件框圖

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

2 硬件設(shè)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(xiàn)快速啟動。另外該器件具有較大的RAM 以及豐富的外設(shè)，定時器資源較豐富。這些特點非常適合本應(yīng)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(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，但是相當多的手機的耳機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，較實際的做法是在設(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。當設(shè)備整體功耗降低到幾毫瓦數(shù)量級時，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獲得電力和使用小型鋰電池兩種場合設(shè)計了相應(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，磁頭是將磁信號轉(zhuǎn)換為電信號的關(guān)鍵器件，只有將磁卡上的磁信號轉(zhuǎn)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(gòu)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(yīng)出電信號，這個信號被進一步放大以后就可以進行處理。

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(xiàn)磁場到電場的轉(zhuǎn)換。 如圖3，按照標準規(guī)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(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使用第三磁道。

2.3.3 磁道

在磁道上覆蓋有磁性材料，當需要寫入數(shù)據(jù)時，將磁頭線圈通電，電流按照信號變化，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，上面存儲的都是數(shù)字信號即“0”和“1”，數(shù)字信號是利用磁場的方向的變化和頻率的變化來表示的.

如圖4，是ISO-7811 中對于磁條信號的規(guī)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(shù)據(jù)位(bit)之間反向都是相反的。此外，為了表示“0”和“1”，標準還規(guī)定在單位時間內(nèi)磁場方向變化一次為“0”，而在相同時間內(nèi)磁場方向變化兩次則為“1”。所以，ISO-7811 規(guī)定的信號編碼實際是基于頻率變化的，如圖4 中的右側(cè)圖所示，每個位都攜帶了時鐘信息，不會產(chǎn)生累積誤差。

2.3.4 數(shù)據(jù)及編碼格式

從前面描述可知，在磁條上面可以有3 個磁道，每個磁道都由一系列“0”和“1”構(gòu)成。ISO-7811 規(guī)定下，這些“0”和“1”組成了一個個字符。不同磁條的編碼方式不同，本文只針對磁條2 和磁道3，這兩個磁條的編碼格式相同如圖5 所示。從表中可以看出，該編碼方式下只有16 個可能的字符，即僅僅能表示數(shù)字和一些特定的控制字符如開始字符和結(jié)束字符等。該編碼用5 個bit 組成一個字符，最高位是奇校驗位，剩下4 個位是字符本身。

有了字符編碼，我們就可以在知道在磁條上面到底存放了什么信息。ISO-7811 對于磁條的高層應(yīng)用格式也做了規(guī)定如圖6.一個磁道的數(shù)據(jù)以字符“SF”(即“;”)開始，以“EF”字符(即“?”)結(jié)束。最后一個字符“LRC”是校驗碼，也由5 個bit 組成。該校驗碼的每一個bit 都是由前述所有字符的相應(yīng)bit 的奇校驗得到，所以磁條上的數(shù)據(jù)是進行了雙重奇校驗。

2.4 通訊接口

當我們完成了卡片的讀取后，需要將加密處理后的卡片信息發(fā)送到上層軟件進一步處理，本文中的上層軟件就是智能手機系統(tǒng)如Android/iOS 中的應(yīng)用程序。 由于手機的通信接口有限，目前大都是使用耳機插孔做為接口，這是每臺智能手機一定會具備的基本硬件。由于歷史原因，帶有話筒功能的耳機插孔的信號排布并未被標準化，造成了所謂的“正向”和“反向”接口之分。如圖7，左右是兩個不同型號手機配備的耳機信號定義，主要區(qū)別是話筒和地線的互換了位置。至于哪個是“正”哪個是“反”，是沒有定義的也是無所謂的。

2.4.1 手機發(fā)送信息給終端

當手機內(nèi)的應(yīng)用軟件運行后，會通過耳機發(fā)送音頻信號給終端，可以通過左聲道或者右聲道，信號由終端接收并解碼。

2.4.2 終端發(fā)送信息給手機

當終端有信息需要與手機通信時，由于手機的耳機是手機的輸出設(shè)備，只能利用手機的話筒進行。該通信過程是通過話筒發(fā)送音頻信號給手機應(yīng)用軟件，并由軟件接收解碼。

軟件系統(tǒng)

本設(shè)計軟件部分包括單片機中的固件以及運行在智能手機操作系統(tǒng)中的應(yīng)用軟件，通過自定的通信協(xié)議進行通信及應(yīng)答，以實現(xiàn)從刷卡到卡片信息傳遞的任務(wù)。

3 固件框圖

4 固件設(shè)計目標

本應(yīng)用面向微型低功耗讀卡器，對于功耗非常敏感，故必須盡可能降低主MCU 自身的功耗。降低MCU 功耗既要充分利用MSP430F 系列單片機所具備的低功耗特質(zhì)，如多種工作模式，智能外設(shè)等，有關(guān)這方面的應(yīng)用數(shù)不勝數(shù)，這里不在贅述;更重要的另一方面，也要從降低解碼時的主頻入手，盡量減少正常工作時的能量的損耗。

對于刷卡器而言，要求能夠穩(wěn)定的讀取卡片內(nèi)容，適應(yīng)不同的刷卡速度，同時也要能夠同時讀出兩個磁道(磁道2 和磁道3)的內(nèi)容。

5 磁頭信號的軟解碼

為了讀取磁卡中的內(nèi)容并轉(zhuǎn)換成協(xié)議規(guī)定的字符，我們需要對磁頭信號進行調(diào)理放大，然后通過MSP430F5310 單片機的ADC 單元進行實時轉(zhuǎn)換分析，并最終得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)流。

首先，我們要了解磁頭信號是什么樣子的。圖-9 是一段真實的信號，這個經(jīng)放大后的磁頭感應(yīng)信號擁有與磁條磁場類似的波形。從前面對ISO-7811 的介紹中我們知道，這些交變的信號就隱藏著我們需要的信息。

利用ADC，我們可以對這些波形進行實時采樣，并計算分析這些電流脈沖之間的時間。而這些時間間隔的長短就成了我們判斷“0”或者“1”的依據(jù)。一旦能夠確定這些“0”“1”組合，根據(jù)圖5 中的表格，我們可以最終知道在一張磁卡上到底隱藏了什么內(nèi)容。

6 與手機軟件通信

最終我們需要將磁卡中的內(nèi)容發(fā)送給上位機，這里就是發(fā)送給手機端的軟件，通過耳機插孔。當然在傳送這些賬戶信息之前，很可能我們需要對這些信息進行加密處理，可以使用包括RSA，3DES 等各種方法，本設(shè)計并未實現(xiàn)此功能。

6.1.1 通信格式

通信格式由設(shè)計者定義，以下為本應(yīng)用筆記自定義的格式。

如圖-10 所示，通信過程中，使用不同的脈寬表示數(shù)位的“0”和“1”。其頻率分別是2.2KHz (“0”) 及 1.1KHz(”1”)，占空比固定為100%。終端和手機應(yīng)用軟件均使用相同的格式。

有了位格式定義，終端和應(yīng)用軟件之間的高層命令幀格式也可以制定。本參考設(shè)計使用如圖-11 中所示數(shù)據(jù)幀格式：首字節(jié)為命令，且以“1”開始，高位在前。第二個字節(jié)為后續(xù)數(shù)據(jù)中包含的字符(4bit)長度。

在真正的產(chǎn)品設(shè)計中，由于所有的數(shù)據(jù)需要加密后才能發(fā)送給上層應(yīng)用軟件，所以實際的數(shù)據(jù)/命令幀格式一定會有所區(qū)別。此外，為了確保通信正確，也可以附加校驗碼如CRC16 等。

7 智能手機人機界面(GUI)的實現(xiàn)

如圖12 所示，為了配合評估板我們開發(fā)了針對智能手機平臺的應(yīng)用程序，該程序已經(jīng)在基于Android 2.3 和Android 4.0 的手機上測試及完成預(yù)期功能。

圖12 中左側(cè)是刷卡界面，當軟件檢測到讀卡器插入后，可以開始進行讀卡操作。右側(cè)圖是讀卡器讀卡結(jié)束后返回的卡片兩個磁道的信息，如果讀卡失敗，也會得到相應(yīng)提示。

8 功耗測試

本設(shè)計的一個最重要的目標就是功耗，在能夠保證刷卡性能的前提下，需要盡可能降低系統(tǒng)功耗。由于在待機(或休眠)模式下，MSP430 具有無可比擬的低功耗優(yōu)勢，這一點無需在本測試中檢驗。本測試只針對刷卡時的最大功耗，該功耗由三部分構(gòu)成即：MCU，運放以及相應(yīng)的外圍電路如上下拉通信電路等。此外，減小運行功耗的最直接的方法是降低主頻，但是這個做法受限于正常功能實現(xiàn)對MCU 的MIPS 需求。本設(shè)計要求MSP430 工作頻率最低為8MHz，故本測試只針對于8MHz 主頻和16MHz 主頻，實際功耗數(shù)據(jù)如下：

8.1 測試環(huán)境

工作主頻： 8MHz / 16MHz

主時鐘源：使用內(nèi)部DCO 時鐘輸出

工作電壓：3.3V DC

ADC： 10 位模式， 100ksps/200ksps

測試對象： MSP430, 運放電路，輔助電路

8.2 測試結(jié)果

在讀卡過程中，8MHz 主頻和16MHz 主頻時，消耗的電流分別為1.956mA 和3.482mA。其中運放部分功耗約0.3mA,輔助部分約0.02mA.所以實測MCU 在8MHz 時的功耗約為200uA/MIPS,這和數(shù)據(jù)手冊中的基本一致。

如果需要更低的運行功耗和保密特性，需要使用TI 最新的MSP430RF 鐵電系列產(chǎn)品,其運行功耗可以低至100uA/MIPS,在此配置下，本設(shè)計相關(guān)的電路消耗電流可以達到1～2mA，且安全性能更加有保障。

參考資料

1. MSP430x5xx and MSP430x6xx Family USER’S GUIDE(SLAU208K)

2. ISO/IEC 7811-2

3. MSP430F530x, MSP430F5310 DATA SHEET(SLAS677B)