基于GMR 傳感器三磁道磁卡讀卡器設(shè)計(jì)*

劉 雯，錢正洪，白 茹，孫宇澄，李健平

(1.杭州電子科技大學(xué) 磁電子中心，浙江 杭州310018;2.湖北省磁電子工業(yè)技術(shù)研究院，湖北 宜昌443003)

0 引 言

磁卡是指帶有磁條的卡片，磁條中存儲(chǔ)有用戶、發(fā)卡行、賬號(hào)等信息。20 世紀(jì)60 年代，磁卡最先作為信用卡應(yīng)用于金融領(lǐng)域，由于具有保密性好、不易偽造、成本低、防水、防油污等優(yōu)點(diǎn)，在此后的20 余年間磁卡發(fā)展進(jìn)入極盛，成為一種普遍的支付手段［1］，并一直使用至今。

磁卡讀卡器是用讀頭讀取磁卡上的信號(hào)并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的一種裝置，廣泛應(yīng)用于金融、郵電、商業(yè)、交通、海關(guān)及日常消費(fèi)等領(lǐng)域。通常磁卡信息，通過傳統(tǒng)薄膜感應(yīng)(traditional film induction，TFI)磁頭讀?。?］，TFI 磁頭實(shí)際上是繞線的磁芯。電流在通過繞線的磁芯時(shí)會(huì)在磁頭上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，通過感應(yīng)電壓的變化去感應(yīng)信號(hào)幅度。基于巨磁電阻(GMR)自旋閥材料的讀頭芯片相比于TFI，其具有顯著的靈敏度和體積優(yōu)勢(shì)，與TFI 磁頭最大的區(qū)別在于刷卡速度不會(huì)影響所讀取的信號(hào)電壓幅度。

基于GMR 讀頭芯片，本文提出了一種用于解析磁卡數(shù)據(jù)的解碼電路。

1 磁卡與GMR 磁頭

1.1 磁卡與編碼方式

磁卡是一種磁記錄卡片，它利用磁性載體記錄一些信息，用來標(biāo)識(shí)身份和用途。磁卡的一面印刷有說明性信息，另一面有磁層和磁條。磁卡具有2 ～3 個(gè)磁道，每個(gè)磁道記錄著相應(yīng)的信息。磁卡記錄標(biāo)準(zhǔn)是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC7811的記錄原理，如表1 所示。

磁卡采用F/2F 的記錄方式［2］，在同一個(gè)磁道中記錄的數(shù)據(jù)和始終脈沖疊加信號(hào)如圖1 所示。這種方法允許串行自動(dòng)計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)記錄。編碼包括數(shù)據(jù)和時(shí)鐘轉(zhuǎn)換。在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，磁通方向發(fā)生改變表示為“1”，不發(fā)生改變表示為“0”。

圖1 F/2F 編碼范例Fig 1 Examples of F/2F encoding

1.2 GMR 磁頭

GMR 磁頭所采用的GMR 材料的電阻將隨著外加磁場(chǎng)出現(xiàn)相當(dāng)大的變化，具有非常高的磁場(chǎng)分辨率、超快的磁場(chǎng)響應(yīng)速度，近直線的磁場(chǎng)響應(yīng)曲線和磁滯小等諸多優(yōu)點(diǎn)，它的磁場(chǎng)分辨率高達(dá)1～10 μOe，其磁場(chǎng)響應(yīng)速度也遠(yuǎn)高于1 MHz，是目前生產(chǎn)具有超快反應(yīng)速度、高靈敏度傳感器的理想材料［4］。

本文采用的是GMR 半橋梯度結(jié)構(gòu)傳感器芯片，感應(yīng)方向垂直于檢測(cè)面。該芯片半橋電路由2 個(gè)磁電阻器串聯(lián)組成，梯度磁場(chǎng)的感應(yīng)方向與磁電阻方向平行。有一個(gè)輸出端和兩個(gè)輸入端。當(dāng)刷卡時(shí)，磁場(chǎng)發(fā)生變化，靠近磁卡一側(cè)的感應(yīng)磁場(chǎng)發(fā)生很大變化，另一端變化很弱，幾乎可忽略。等效電路圖如圖2 所示。其中，R1 與R2 的電阻值在4 kΩ左右，其電阻隨磁場(chǎng)變化靈敏度曲線如圖3 所示。

圖2 半橋結(jié)構(gòu)Fig 2 Half-bridge structure

圖3 靈敏度曲線Fig 3 Sensitivity curve

這種高靈敏度傳感器尺寸小，抗干擾能力強(qiáng)，還可應(yīng)用于電流檢測(cè)、接近開關(guān)、距離檢測(cè)等方面。

2 磁頭與信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的整體流程圖如圖4 所示，此次設(shè)計(jì)分為軟件模塊和硬件模塊，硬件模塊包括磁頭單元、電源單元、解碼單元、STM32 單元和顯示單元。磁卡信號(hào)通過磁頭輸入到解碼芯片，再進(jìn)一步送入STM32 內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合和處理運(yùn)算，并將結(jié)果送入顯示單元輸出。

圖4 整體設(shè)計(jì)流程圖Fig 4 Flow chart of overall design

2.2 GMR 磁頭的設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的磁卡讀頭采用3 個(gè)GMR 傳感器分別用于讀取磁卡磁條中的3 個(gè)磁道的信息，采用板上封裝(COB)技術(shù)直接將讀頭芯片封裝于PCB 上。

GMR 讀頭為單端輸出，其輸出信號(hào)存在一個(gè)與約等于VCC/2 的直流分量。由于制造過程中存在工藝偏差等原因，不同芯片輸出信號(hào)的直流分量會(huì)存在微小的偏差。因此，本文利用隔直采樣電路消除這一影響。電路結(jié)構(gòu)如圖5 顯示，圖5(a)為單軌所采用一階低通濾波電路［5］，圖5(b)為整體三軌磁頭的濾波電路輸出。圖6 為3 個(gè)磁道為制備完成的讀頭照片，為了與傳統(tǒng)讀頭安裝孔位匹配，讀頭PCB 安裝于金屬外殼中。

圖5 低通濾波電路Fig 5 Low-pass filtering circuit

圖6 三磁道磁頭Fig 6 Three-track magnetic head

2.3 GMR 信號(hào)調(diào)理電路

解碼電路使用中青科技出品的一種三磁道解碼芯片M3—2300—33LOL。此芯片采用F/2F 解碼規(guī)則，包含一個(gè)放大模塊和一個(gè)控制模塊。采集和跟蹤數(shù)據(jù)功能實(shí)現(xiàn)的傳輸速率范圍為300～15 000 bps，滿足此GMR 三軌道磁頭的刷卡要求［6］。信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)如7 所示。磁卡讀頭通過HD1 ～HD6 口將信號(hào)輸入解碼芯片，因軌道一和軌道三的數(shù)據(jù)比特密度為210BPI，所以，選擇CP2 和CP5 為2200P;而軌道二的數(shù)據(jù)比特密度為75BPI，所以，選CP6 為6800P。

圖7 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)Fig 7 Design of sigal conditioning circuit

信號(hào)輸入M3—2300LOL 以后，通過引腳CLS 輸出卡加載信號(hào)，通過RDTA/B/C，RCPA/B/C 輸出三條磁道的各自的數(shù)據(jù)信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)。這時(shí)主處理器將響應(yīng)低電平終端信號(hào)，中斷程序?qū)凑諘r(shí)序圖8 所示的編碼規(guī)則，在各條磁道始終信號(hào)RCP 為低電平時(shí)在數(shù)據(jù)口讀取數(shù)據(jù)，并將該磁道的數(shù)據(jù)放入處理器內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器內(nèi)。圖9 所示為解碼電路實(shí)物照片。

圖8 理想輸出波形Fig 8 Ideal output waveform

圖9 解碼電路Fig 9 Decoding circuit

3 實(shí)驗(yàn)分析

本文對(duì)三磁道磁卡(交通銀行卡為例)進(jìn)行了刷卡測(cè)試，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

3.1 磁頭輸出信號(hào)分析

圖10 磁頭刷卡輸出Fig 10 Magnetic head card feeding output

根據(jù)多次實(shí)驗(yàn)測(cè)量可知，在使用正常的刷卡速度(10～120 cm/s)進(jìn)行刷卡時(shí)，可獲得頻率段為80～120 kHz，峰峰值為80～160 mV。

TFI 磁頭產(chǎn)生的感應(yīng)電壓峰峰值為60～120 mV。但它是靠線圈在磁場(chǎng)中電流的變化來產(chǎn)生感應(yīng)電壓，這與人工的刷卡速度密切相關(guān)，極容易出現(xiàn)由于刷卡速度不一，峰峰值差距很大，為一般解碼電路增加難度［7］。而采用GMR 磁頭刷卡，峰峰值與刷卡速度無關(guān)，降低了解碼難度，提高了解碼準(zhǔn)確率。因此，相比于TFI 讀頭，GMR 讀頭更具優(yōu)勢(shì)。

3.2 解碼信號(hào)輸出

圖11 所示為M3—2300LOL 輸出的三磁道磁卡測(cè)試結(jié)果。解碼電路工作電壓為6V。

圖11 實(shí)驗(yàn)測(cè)得的波形輸出Fig 11 Waveform output measured by experiment

如圖所示，刷卡時(shí)，當(dāng)卡加載信號(hào)CLS 信號(hào)為低，M3—2300LOL 輸出時(shí)鐘信號(hào)RCP 和數(shù)據(jù)信號(hào)RDT。測(cè)試結(jié)果滿足F/2F 編碼規(guī)則，當(dāng)CLS 跳躍到高電平時(shí)，信號(hào)讀取結(jié)束。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種基于GMR 傳感器的三磁道磁卡閱讀器的設(shè)計(jì)。采用了較TFI 磁頭性能更好的GMR 磁頭，所采集的信號(hào)用濾波電路進(jìn)行濾波處理后傳送給GMR磁頭匹配的解碼系統(tǒng)，該系統(tǒng)功耗低、性能穩(wěn)定、滿足三磁道刷卡要求，輸出結(jié)果將進(jìn)一步處理后送入上位機(jī)顯示。

［1］ 朱玉存，劉義欣.磁卡及磁卡技術(shù)［J］.科技成果縱橫，1995(6):27.

［2］ 薛麗萍，李遠(yuǎn)輝.用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的磁卡讀卡機(jī)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，1998(5):66－68.

［3］ 王自力.GMR 自旋閥材料及器件的設(shè)計(jì)和制備［D］.成都:電子科技大學(xué)，2013:21－30.

［4］ Hodama T.Data processing apparatus with portable card having magnetic strip simulator:US，4 786 791［P］.1988—11—22.

［5］ Gallagher T，Henretty M.Method and apparatus for recording magnetic information on traveler’s checks:US，6 003 763［P］.1999—12—21.