磁卡讀寫器用於讀寫磁卡
、存折的磁條信息
，可廣泛應用於金融
、郵電、商業、交通
、海關、會員卡消費和積分消費等領域。

本文通過磁卡讀寫器的實際設計案例剖析它的技術原理。

通過磁性圖案存儲信息的技術最早出現在音頻記錄領域。從那以後，這個概念已被擴展應用於許多不同產品，如軟盤、音頻/視頻磁帶、硬盤以及磁條卡。本文將主要討論在全球金融交易和門禁控製中得到廣泛使用的磁條卡。

讀(du)取(qu)磁(ci)條(tiao)卡(ka)除(chu)了(le)需(xu)要(yao)解(jie)碼(ma)數(shu)據(ju)的(de)數(shu)字(zi)邏(luo)輯(ji)外(wai)還(hai)要(yao)求(qiu)很(hen)重(zhong)要(yao)的(de)模(mo)擬(ni)電(dian)路(lu)。在(zai)磁(ci)卡(ka)上(shang)記(ji)錄(lu)數(shu)據(ju)是(shi)數(shu)字(zi)化(hua)的(de)過(guo)程(cheng)，通(tong)過(guo)沿(yan)著(zhe)磁(ci)條(tiao)長(chang)度(du)磁(ci)化(hua)粒(li)子(zi)完(wan)成(cheng)。而(er)成(cheng)功(gong)讀(du)取(qu)磁(ci)卡(ka)具(ju)有(you)相(xiang)當(dang)大(da)的(de)挑(tiao)戰(zhan)性(xing)，因(yin)為(wei)在(zai)實(shi)際(ji)應(ying)用(yong)中(zhong)傳(chuan)感(gan)器(qi)信(xin)號(hao)的(de)幅(fu)度(du)會(hui)隨(sui)著(zhe)劃(hua)卡(ka)速(su)度(du)

、cikazhilianghedukacitoudelingminduerbianhua。ciwai，pinlvyehuisuizhehuakasudubianhuaerbianhua。zhejiuyaoqiumonidianlunenggoushiyingzhezhongbianhua，wushizhendichulichuanganqixinhao。benwenjiangjieshaoruhechulichuanganqixinhaobianhuadejizhi。

磁性與磁卡

為了理解劃卡速度、cikazhilianghechuanganqilingmindudeyingxiang

，lejiexinxishiruhecunchuzaikashangdeyijiruhebeidukatoujiancechulaihenzhongyao。zaicixingcunchuxitongzhong

，xinxiyongzhuruyanghuatiedengcihuacailiaoshangdejixingtuanbiaoshi。tu1顯(xian)示(shi)了(le)塗(tu)覆(fu)在(zai)磁(ci)化(hua)材(cai)料(liao)上(shang)的(de)磁(ci)條(tiao)。磁(ci)化(hua)材(cai)料(liao)上(shang)的(de)顆(ke)粒(li)可(ke)能(neng)處(chu)於(yu)某(mou)種(zhong)特(te)定(ding)的(de)排(pai)列(lie)方(fang)向(xiang)
，或(huo)者(zhe)因(yin)以(yi)前(qian)沒(mei)有(you)受(shou)到(dao)特(te)定(ding)方(fang)向(xiang)磁(ci)場(chang)的(de)照(zhao)射(she)而(er)處(chu)於(yu)隨(sui)機(ji)方(fang)向(xiang)。然(ran)而(er)，如(ru)果(guo)施(shi)加(jia)一(yi)定(ding)的(de)外(wai)部(bu)磁(ci)場(chang)，磁(ci)條(tiao)上(shang)的(de)顆(ke)粒(li)將(jiang)按(an)照(zhao)外(wai)部(bu)磁(ci)場(chang)排(pai)列(lie)方(fang)向(xiang)。

圖1:在外部磁場的影響下磁化材料按特定方向排列

在(zai)實(shi)用(yong)化(hua)係(xi)統(tong)中(zhong)需(xu)要(yao)用(yong)到(dao)一(yi)個(ge)寫(xie)入(ru)磁(ci)頭(tou)，它(ta)其(qi)實(shi)就(jiu)是(shi)繞(rao)在(zai)磁(ci)心(xin)上(shang)的(de)一(yi)個(ge)線(xian)圈(quan)。通(tong)過(guo)控(kong)製(zhi)線(xian)圈(quan)中(zhong)的(de)電(dian)流(liu)方(fang)向(xiang)可(ke)以(yi)很(hen)容(rong)易(yi)編(bian)程(cheng)磁(ci)場(chang)方(fang)向(xiang)。這(zhe)有(you)助(zhu)於(yu)在(zai)磁(ci)卡(ka)上(shang)形(xing)成(cheng)南(nan)北(bei)極(ji)圖(tu)案(an)。磁(ci)極(ji)之(zhi)間(jian)的(de)空(kong)隙(xi)越(yue)窄(zhai)，磁(ci)卡(ka)上(shang)能(neng)夠(gou)編(bian)程(cheng)的(de)數(shu)據(ju)密(mi)度(du)就(jiu)越(yue)高(gao)。

在F2F編碼機製中
，如果在比特周期內發生磁極轉換
，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
，而磁極轉換發生在Δ/2處，那麼這個比特就是邏輯1,否則就是邏輯0.注意，邏輯1和邏輯0在磁卡上占據的長度是相同的。不過比特周期Δ會隨劃卡速度而變化，這個問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編碼機製

圖3:磁極圖案和數據

值得注意的是，比特周期長度對邏輯1和邏輯0來說都是相同的。

根據信息量的多少，數據將被編碼在不同的行

，這個行被稱為磁道。一個磁卡上最多可以有3條磁道。

圖4:磁卡上的磁道

讀過程正好相反

，它需要使用一個結構上與圖2所示的線圈-磁芯相同的讀卡頭。需要注意的是，每個磁道要有一個傳感器。在劃卡時，源自磁條的磁場將在讀卡頭線圈中感應出電壓。圖5顯示了從讀卡頭得到的波形。

圖5:讀卡頭（傳感器）信號

信xin號hao在zai每mei次ci磁ci通tong量liang轉zhuan換huan時shi出chu現xian峰feng值zhi。這zhe是shi因yin為wei在zai磁ci極ji邊bian緣yuan具ju有you高gao密mi度du的de磁ci通tong量liang。正zheng如ru你ni看kan到dao的de那na樣yang，信xin息xi是shi用yong信xin號hao峰feng值zhi的de位wei置zhi表biao示shi的de。峰feng值zhi檢jian測ce器qi電dian路lu可ke以yi解jie碼ma這zhe個ge信xin號hao，或huo者zhe使shi用yong閾yu值zhi非fei常chang接jie近jin信xin號hao峰feng值zhi的de磁ci滯zhi比bi較jiao器qi。不bu過guo在zai我wo們men將jiang這zhe個ge信xin號hao交jiao給gei檢jian測ce器qi電dian路lu之zhi前qian
，還hai需xu要yao進jin行xing額e外wai的de處chu理li
，原yuan因yin如ru下xia：

劃卡速度：劃卡速度的單位規定為英寸/每秒（IPS）。一般來說
，要求磁卡讀卡器能在5 IPS至50 IPS的de劃hua卡ka速su度du範fan圍wei內nei正zheng常chang工gong作zuo。傳chuan感gan器qi信xin號hao的de幅fu度du隨sui劃hua卡ka速su度du變bian化hua而er變bian化hua。劃hua卡ka速su度du增zeng加jia，讀du卡ka頭tou中zhong的de線xian圈quan切qie割ge的de磁ci通tong量liang變bian化hua速su度du也ye增zeng加jia
，因yin此ci信xin號hao幅fu度du會hui變bian大da。與yu之zhi相xiang反fan，當dang劃hua卡ka速su度du變bian慢man時shi，信xin號hao幅fu度du將jiang降jiang低di
，從cong而er增zeng加jia數shu據ju讀du取qu的de難nan度du。

磁卡質量：隨(sui)著(zhe)時(shi)間(jian)的(de)推(tui)移(yi)以(yi)及(ji)使(shi)用(yong)量(liang)的(de)增(zeng)加(jia)，卡(ka)的(de)質(zhi)量(liang)將(jiang)隨(sui)著(zhe)磁(ci)場(chang)強(qiang)度(du)的(de)降(jiang)低(di)以(yi)及(ji)由(you)於(yu)磁(ci)卡(ka)上(shang)的(de)灰(hui)塵(chen)與(yu)刮(gua)擦(ca)而(er)引(yin)起(qi)的(de)失(shi)真(zhen)加(jia)大(da)而(er)下(xia)降(jiang)。這(zhe)些(xie)因(yin)素(su)綜(zong)合(he)在(zai)一(yi)起(qi)將(jiang)降(jiang)低(di)傳(chuan)感(gan)器(qi)信(xin)號(hao)的(de)幅(fu)度(du)。

讀卡頭靈敏度：讀卡頭靈敏度取決於線圈匝數以及讀卡頭與磁條之間的間距。

由於所有這些參數的影響，信號幅度可能在幾百個uV至幾十個mV之zhi間jian變bian化hua。這zhe個ge範fan圍wei可ke以yi用yong放fang大da器qi進jin行xing補bu償chang。但dan不bu能neng用yong固gu定ding增zeng益yi放fang大da器qi。當dang劃hua卡ka速su度du很hen高gao，卡ka的de質zhi量liang又you很hen好hao時shi，放fang大da器qi輸shu出chu可ke以yi飽bao和he到dao電dian源yuan軌gui電dian壓ya。而er當dang信xin號hao飽bao和he時shi，用yong兩liang個ge連lian續xu峰feng值zhi之zhi間jian的de時shi間jian差cha代dai表biao的de信xin息xi將jiang丟diu失shi。因yin此ci如ru實shi地di放fang大da傳chuan感gan器qi信xin號hao、buzhiyushiboxingfashengbaohehuogaibianhenzhongyao。zhejiuyaoqiushiyongzengyikepeizhidefangdaqi，yibianwomensuishitiaozhengzengyi。yaozuodaozheyidian
，xitongbixunenggoujiancexinhaobianruodeshike。zhekeyiyonggenzongchuanganqixinhaodeADC尋找近似的信號峰值來實現。

圖6顯示了一個完整的係統。最好將放大電路做成兩級
，用ADC接收第一級電路的輸出。這樣就無需高分辨率ADC,8位ADC就足以滿足這種應用需求。第一級可以是固定增益的放大器
，也可以是可變增益放大器。第二級是可變增益放大器。CPU讀取ADC結果，並通過調整增益使第二級放大器的信號輸出達到最佳。第二級放大器的輸出送到峰值檢測器/磁滯比較器電路進行峰值檢測。來自檢測器的脈衝輸出被饋送至定時器進行時間差測量，然後由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據丟失的問題。為了避免這個問題，磁卡的兩頭會用前導零進行編碼以實現同步（這樣可以支持雙向劃卡）。這樣做的目的是使解碼器同步於劃卡速度。舉例來說，在磁道1中，共有約62個前導零。磁道1具有210個比特的數據密度。因此我們可以估算出劃卡速度為5 IPS時前導零將持續約60ms時間，劃卡速度為50 IPS時前導零將持續6ms.對另外兩個磁道來說或多或少是相同的，如圖7所示。在人為劃卡時一開始就是50 IPS的劃卡速度是不可能
，因此係統具有比6ms長得多的時間來測量峰值並調整增益。圖8顯示了增益控製過程。

圖7:磁卡中三個磁道的內容

需要注意的是
，CPU在zai劃hua卡ka期qi間jian可ke能neng會hui持chi續xu精jing細xi調tiao整zheng增zeng益yi以yi適shi應ying變bian化hua的de幅fu度du。正zheng常chang情qing況kuang下xia，順shun著zhe劃hua卡ka的de方fang向xiang
，劃hua卡ka速su度du會hui增zeng加jia，從cong而er增zeng加jia信xin號hao幅fu度du。注zhu意yi，在zai使shi用yong以yi恒heng定ding速su度du劃hua卡ka的de自zi動dong劃hua卡ka機ji時shi這zhe個ge觀guan點dian是shi不bu正zheng確que的de。

圖8:增益改變過程

實現磁卡讀卡器

圖9顯示了基於賽普拉斯PSoC 1的雙磁道磁卡讀卡器實現方案。PSoC 1處理器具有與8位wei處chu理li器qi內nei核he集ji成cheng在zai一yi起qi的de可ke配pei置zhi模mo擬ni和he數shu字zi塊kuai
，在zai單dan顆ke芯xin片pian上shang集ji成cheng了le所suo有you的de功gong能neng。需xu要yao注zhu意yi的de是shi，圖tu中zhong所suo示shi的de無wu源yuan器qi件jian是shi在zai處chu理li器qi的de外wai部bu。

圖9:PSoC 1磁卡讀卡器

由於傳感器信號可能是負的
，因此必須用直流進行偏置。在PSoC 1中
，模擬信號可以以不同於電源地的地為參考。這個地被稱為模擬地（AGND），輸入信號被鉗位到這個模擬地。信號隨後用可編程增益放大器（PGA）進行兩級放大。PGA是用連續時間模擬模塊實現的。它具有一個電阻陣列，當配置為放大器時用於改變增益。增益可以被配置為1至48之間18個選項之一。CY8C28243 PSoC 1集成了一個最大采樣速率為150ksps的10位SAR ADC。

CPU讀取ADC,然後控製放大器增益。放大後的信號送到磁滯比較器產生邊沿接近信號峰值的數字信號。CPU隨sui後hou必bi須xu調tiao整zheng放fang大da器qi增zeng益yi，使shi其qi閾yu值zhi接jie近jin峰feng值zhi但dan不bu超chao過guo峰feng值zhi。這zhe有you助zhu於yu避bi免mian磁ci卡ka發fa生sheng抖dou動dong時shi出chu現xian定ding時shi誤wu差cha。磁ci滯zhi比bi較jiao器qi輸shu出chu則ze送song到dao定ding時shi器qi進jin行xing脈mai衝chong寬kuan度du測ce量liang。CPU讀取定時器輸出
，並解碼為邏輯1或0的數據。當劃卡結束時，CPU打包數據比特
，檢查是否有錯誤
，然後通過I2C、SPI或UART接口將數據送給主機。




推薦閱讀：
 CPU還是FPGA：圖像處理誰更適合？ 
詳讀無線傳感器網絡方案構建的幾大要點 
解讀LCD量子點OLED三種技術的優勢和缺點 
 WiFi測試為何對智能手機如此重要
？