手機磁條卡讀卡器參考設計應用報告

　　2.3.4 數據及編碼格式

　　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”構成。ISO-7811規定下，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，即僅僅能表示數字和一些特定的控制字符如開始字符和結束字符等。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。

　　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對于磁條的高層應用格式也做了規定如圖6.一個磁道的數據以字符“SF”(即“;”)開始，以“EF”字符(即“?”)結束。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bit的奇校驗得到，所以磁條上的數據是進行了雙重奇校驗。

　　圖6.磁條數據格式

　　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如Android/iOS中的應用程序。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。

　　圖7.耳機接口定義：正向和反向

　　2.4.1 手機發送信息給終端

　　當手機內的應用軟件運行后，會通過耳機發送音頻信號給終端，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備，只能利用手機的話筒進行。該通信過程是通過話筒發送音頻信號給手機應用軟件，并由軟件接收解碼。

　　軟件系統

　　本設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中的應用軟件，通過自定的通信協議進行通信及應答，以實現從刷卡到卡片信息傳遞的任務。

　　3 固件框圖

　　圖8.軟件架構

　　4 固件設計目標

　　本應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，如多種工作模式，智能外設等，有關這方面的應用數不勝數，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，要求能夠穩定的讀取卡片內容，適應不同的刷卡速度，同時也要能夠同時讀出兩個磁道(磁道2和磁道3)的內容。

　　5 磁頭信號的軟解碼

　　為了讀取磁卡中的內容并轉換成協議規定的字符，我們需要對磁頭信號進行調理放大，然后通過MSP430F5310 單片機的ADC單元進行實時轉換分析，并最終得到相應的數據流。

　　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，這個經放大后的磁頭感應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。

　　圖 9. 調理放大后的磁條信號

　　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。一旦能夠確定這些“0”“1”組合，根據圖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容。

　　6 與手機軟件通信

　　最終我們需要將磁卡中的內容發送給上位機，這里就是發送給手機端的軟件，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，本設計并未實現此功能。

　　6.1.1 通信格式

　　通信格式由設計者定義，以下為本應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，終端和應用軟件之間的高層命令幀格式也可以制定。本參考設計使用如圖-11中所示數據幀格式：首字節為命令，且以“1”開始，高位在前。第二個字節為后續數據中包含的字符(4bit)長度。

　　圖11.命令幀格式

　　在真正的產品設計中，由于所有的數據需要加密后才能發送給上層應用軟件，所以實際的數據/命令幀格式一定會有所區別。此外，為了確保通信正確，也可以附加校驗碼如CRC16等。