手機(jī)磁條卡讀卡器參考設(shè)計(jì)應(yīng)用報(bào)告

德州儀器半導(dǎo)體MCU SAE 

 

簡(jiǎn)介 

在現(xiàn)實(shí)生活中，磁卡是較常見(jiàn)的用來(lái)識(shí)別用戶的卡片，無(wú)論是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織還是中國(guó)國(guó)標(biāo)均對(duì)這種使用磁介質(zhì)的存儲(chǔ)技術(shù)制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。磁卡技術(shù)廣泛被商業(yè)，政府，醫(yī)療等機(jī)構(gòu)所采用，但較大規(guī)模使用還是銀行發(fā)行的各種信用卡，借記卡等卡片。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO 發(fā)布了ISO 7811 系列磁卡的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，從1995 年發(fā)布第一版標(biāo)準(zhǔn)后持續(xù)再修訂和增加內(nèi)容，涵蓋了從機(jī)械結(jié)構(gòu)到存儲(chǔ)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(jī)或者 ATM 以及銷售終端來(lái)完成，這些設(shè)備都是由商家提供的，維護(hù)成本較高。這一切隨 2009 年出現(xiàn)在美國(guó)的方形支付（square）而出現(xiàn)改變，方形支付使用非常廉價(jià)的小型終端，這些終端非常小巧，售價(jià)低廉甚至免費(fèi)提供給客戶，利用客戶的智能手機(jī)進(jìn)行銀行交易。僅僅 2 年時(shí)間，這一新的商業(yè)形式得到大規(guī)模發(fā)展，并且在國(guó)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?yàn)檫@種商業(yè)模式中重頭還是在網(wǎng)銀平臺(tái)支持，本參考設(shè)計(jì)僅關(guān)注終端本身的設(shè)計(jì)。 

硬件系統(tǒng)  

1 硬件框圖 

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

 

圖 1.  硬件框圖 

2 硬件設(shè)計(jì) 

2.1 MCU 

MCU 采用MSP430F5310，供電范圍較寬（1.8V～3.6V），且運(yùn)行功耗以及待機(jī)功耗均非常低。其運(yùn)行在8MHz@3V 時(shí)功耗僅為195uA/MHz。具有多種工作模式，待機(jī)時(shí)僅1.1uA @ 3V  (RAM保持)，在此模式下可以實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)。另外該器件具有較大的RAM 以及豐富的外設(shè)，定時(shí)器資源較豐富。這些特點(diǎn)非常適合本應(yīng)用的特點(diǎn)即要求絕對(duì)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(jī)的耳機(jī)接口獲得運(yùn)行所需的電力，但是這種方式的限制是手機(jī)的硬件各不相同，耳機(jī)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(dāng)多的手機(jī)的耳機(jī)電路無(wú)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(jī)，較實(shí)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(dāng)設(shè)備整體功耗降低到幾毫瓦數(shù)量級(jí)時(shí)，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(guò)耳機(jī)獲得電力和使用小型鋰電池兩種場(chǎng)合設(shè)計(jì)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(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的關(guān)鍵器件，只有將磁卡上的磁信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，上面存儲(chǔ)的信息才能夠被讀取使用。磁頭主要由磁性材料以及盤(pán)繞在其上的線圈構(gòu)成，如圖 2 所示，當(dāng)有磁場(chǎng)的磁條通過(guò)磁頭時(shí)，因?yàn)榇蓬^磁性材料的磁阻較小，磁條磁場(chǎng)的磁力線會(huì)從磁頭磁性材料中通過(guò)，從而在磁頭線圈中感應(yīng)出電信號(hào)，這個(gè)信號(hào)被進(jìn)一步放大以后就可以進(jìn)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(jī)相似，磁卡和磁帶都是使用磁場(chǎng)來(lái)保存變化的信號(hào)，也都是通過(guò)磁道與磁頭的相對(duì)運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)到電場(chǎng)的轉(zhuǎn)換。 如圖3，按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，磁卡上較多可以有三個(gè)磁道，這三個(gè)磁道中一和二磁道是只讀磁道，第三個(gè)磁道是讀寫(xiě)磁道。磁道中存儲(chǔ)的信息由標(biāo)準(zhǔn)決定，使用哪些磁道受實(shí)際應(yīng)用需求決定。在國(guó)內(nèi)來(lái)說(shuō)，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(huì)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(dāng)需要寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)，將磁頭線圈通電，電流按照信號(hào)變化，由電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)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(duì)寫(xiě)入過(guò)程不做介紹。對(duì)于銀行卡來(lái)說(shuō)，上面存儲(chǔ)的都是數(shù)字信號(hào)即“0”和“1”，數(shù)字信號(hào)是利用磁場(chǎng)的方向的變化和頻率的變化來(lái)表示的.  

 

圖 4.  磁條磁場(chǎng)分布示意圖 

如圖4，是ISO-7811 中對(duì)于磁條信號(hào)的規(guī)定。左邊是磁條表面實(shí)際磁場(chǎng)強(qiáng)度的分布情況，可以看到磁條上的磁場(chǎng)的方向始終在交替變化，即每一個(gè)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(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定在單位時(shí)間內(nèi)磁場(chǎng)方向變化一次為“0”，而在相同時(shí)間內(nèi)磁場(chǎng)方向變化兩次則為“1”。所以，ISO-7811 規(guī)定的信號(hào)編碼實(shí)際是基于頻率變化的，如圖4 中的右側(cè)圖所示，每個(gè)位都攜帶了時(shí)鐘信息，不會(huì)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(gè)磁道，每個(gè)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(gè)個(gè)字符。不同磁條的編碼方式不同，本文只針對(duì)磁條2 和磁道3，這兩個(gè)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(gè)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(kāi)始字符和結(jié)束字符等。該編碼用5 個(gè)bit 組成一個(gè)字符，較高位是奇校驗(yàn)位，剩下4 個(gè)位是字符本身。 

 

圖 5.  字符編碼格式 

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(duì)于磁條的高層應(yīng)用格式也做了規(guī)定如圖6.一個(gè)磁道的數(shù)據(jù)以字符“SF”（即“；”）開(kāi)始，以“EF”字符（即“？”）結(jié)束。較后一個(gè)字符“LRC”是校驗(yàn)碼，也由5 個(gè)bit 組成。該校驗(yàn)碼的每一個(gè)bit 都是由前述所有字符的相應(yīng)bit 的奇校驗(yàn)得到，所以磁條上的數(shù)據(jù)是進(jìn)行了雙重奇校驗(yàn)。 

圖 6.  磁條數(shù)據(jù)格式 

2.4 通訊接口 

當(dāng)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(jìn)一步處理，本文中的上層軟件就是智能手機(jī)系統(tǒng)如Android/iOS 中的應(yīng)用程序。 由于手機(jī)的通信接口有限，目前大都是使用耳機(jī)插孔做為接口，這是每臺(tái)智能手機(jī)一定會(huì)具備的基本硬件。由于歷史原因，帶有話筒功能的耳機(jī)插孔的信號(hào)排布并未被標(biāo)準(zhǔn)化，造成了所謂的“正向”和“反向”接口之分。如圖7，左右是兩個(gè)不同型號(hào)手機(jī)配備的耳機(jī)信號(hào)定義，主要區(qū)別是話筒和地線的互換了位置。至于哪個(gè)是“正”哪個(gè)是“反”，是沒(méi)有定義的也是無(wú)所謂的。

圖 7.  耳機(jī)接口定義：正向和反向

2.4.1 手機(jī)發(fā)送信息給終端 

當(dāng)手機(jī)內(nèi)的應(yīng)用軟件運(yùn)行后，會(huì)通過(guò)耳機(jī)發(fā)送音頻信號(hào)給終端，可以通過(guò)左聲道或者右聲道，信號(hào)由終端接收并解碼。 

2.4.2 終端發(fā)送信息給手機(jī) 

當(dāng)終端有信息需要與手機(jī)通信時(shí)，由于手機(jī)的耳機(jī)是手機(jī)的輸出設(shè)備，只能利用手機(jī)的話筒進(jìn)行。該通信過(guò)程是通過(guò)話筒發(fā)送音頻信號(hào)給手機(jī)應(yīng)用軟件，并由軟件接收解碼。  

軟件系統(tǒng) 

本設(shè)計(jì)軟件部分包括單片機(jī)中的固件以及運(yùn)行在智能手機(jī)操作系統(tǒng)中的應(yīng)用軟件，通過(guò)自定的通信協(xié)議進(jìn)行通信及應(yīng)答，以實(shí)現(xiàn)從刷卡到卡片信息傳遞的任務(wù)。 

3 固件框圖 

 

圖 8.  軟件架構(gòu) 

4 固件設(shè)計(jì)目標(biāo) 

本應(yīng)用面向微型低功耗讀卡器，對(duì)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(jī)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(shí)的主頻入手，盡量減少正常工作時(shí)的能量的損耗。 

對(duì)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(shí)也要能夠同時(shí)讀出兩個(gè)磁道（磁道2 和磁道3）的內(nèi)容。 

5 磁頭信號(hào)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(duì)磁頭信號(hào)進(jìn)行調(diào)理放大，然后通過(guò)MSP430F5310 單片機(jī)的ADC 單元進(jìn)行實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換分析，并較終得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)流。 

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

圖 9.  調(diào)理放大后的磁條信號(hào) 

利用ADC，我們可以對(duì)這些波形進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，并計(jì)算分析這些電流脈沖之間的時(shí)間。而這些時(shí)間間隔的長(zhǎng)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，我們可以較終知道在一張磁卡上到底隱藏了什么內(nèi)容。 

 

6 與手機(jī)軟件通信 

較終我們需要將磁卡中的內(nèi)容發(fā)送給上位機(jī)，這里就是發(fā)送給手機(jī)端的軟件，通過(guò)耳機(jī)插孔。當(dāng)然在傳送這些賬戶信息之前，很可能我們需要對(duì)這些信息進(jìn)行加密處理，可以使用包括RSA，3DES 等各種方法，本設(shè)計(jì)并未實(shí)現(xiàn)此功能。 

6.1.1 通信格式 

通信格式由設(shè)計(jì)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(guò)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(jī)應(yīng)用軟件均使用相同的格式。 

 

圖 10.  通信的位格式 

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(jì)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(kāi)始，高位在前。第二個(gè)字節(jié)為后續(xù)數(shù)據(jù)中包含的字符（4bit）長(zhǎng)度。 

 

圖 11.  命令幀格式 

在真正的產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(shí)際的數(shù)據(jù)/命令幀格式一定會(huì)有所區(qū)別。此外，為了確保通信正確，也可以附加校驗(yàn)碼如CRC16 等。 

7 智能手機(jī)人機(jī)界面（GUI）的實(shí)現(xiàn) 

如圖12 所示，為了配合評(píng)估板我們開(kāi)發(fā)了針對(duì)智能手機(jī)平臺(tái)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(jī)上測(cè)試及完成預(yù)期功能。 

圖12 中左側(cè)是刷卡界面，當(dāng)軟件檢測(cè)到讀卡器插入后，可以開(kāi)始進(jìn)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(gè)磁道的信息，如果讀卡失敗，也會(huì)得到相應(yīng)提示。 

 

圖 12.  Android 上的GUI

 8 功耗測(cè)試 

本設(shè)計(jì)的一個(gè)較重要的目標(biāo)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(jī)（或休眠）模式下，MSP430 具有無(wú)可比擬的低功耗優(yōu)勢(shì)，這一點(diǎn)無(wú)需在本測(cè)試中檢驗(yàn)。本測(cè)試只針對(duì)刷卡時(shí)的較大功耗，該功耗由三部分構(gòu)成即：MCU，運(yùn)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(yùn)行功耗的較直接的方法是降低主頻，但是這個(gè)做法受限于正常功能實(shí)現(xiàn)對(duì)MCU 的MIPS 需求。本設(shè)計(jì)要求MSP430 工作頻率較低為8MHz，故本測(cè)試只針對(duì)于8MHz 主頻和16MHz 主頻，實(shí)際功耗數(shù)據(jù)如下： 

8.1 測(cè)試環(huán)境 

工作主頻： 8MHz / 16MHz 

主時(shí)鐘源：使用內(nèi)部DCO 時(shí)鐘輸出 

工作電壓：3.3V DC 

ADC： 10 位模式， 100ksps/200ksps 

測(cè)試對(duì)象： MSP430, 運(yùn)放電路，輔助電路  

8.2 測(cè)試結(jié)果 

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

如果需要更低的運(yùn)行功耗和保密特性，需要使用TI 較新的MSP430RF 鐵電系列產(chǎn)品,其運(yùn)行功耗可以低至100uA/MIPS,在此配置下，本設(shè)計(jì)相關(guān)的電路消耗電流可以達(dá)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)