基于GMR 傳感器三磁道磁卡讀卡器設計*

劉 雯，錢正洪，白 茹，孫宇澄，李健平

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

0 引 言

磁卡是指帶有磁條的卡片，磁條中存儲有用戶、發卡行、賬號等信息。20 世紀60 年代，磁卡最先作為信用卡應用于金融領域，由于具有保密性好、不易偽造、成本低、防水、防油污等優點，在此后的20 余年間磁卡發展進入極盛，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并轉換為數字信號的一種裝置，廣泛應用于金融、郵電、商業、交通、海關及日常消費等領域。通常磁卡信息，通過傳統薄膜感應(traditional film induction，TFI)磁頭讀取［2］，TFI 磁頭實際上是繞線的磁芯。電流在通過繞線的磁芯時會在磁頭上產生感應電壓，通過感應電壓的變化去感應信號幅度。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勢，與TFI 磁頭最大的區別在于刷卡速度不會影響所讀取的信號電壓幅度。

基于GMR 讀頭芯片，本文提出了一種用于解析磁卡數據的解碼電路。

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，用來標識身份和用途。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 個磁道，每個磁道記錄著相應的信息。磁卡記錄標準是國際標準ISO/IEC7811的記錄原理，如表1 所示。

磁卡采用F/2F 的記錄方式［2］，在同一個磁道中記錄的數據和始終脈沖疊加信號如圖1 所示。這種方法允許串行自動計時數據記錄。編碼包括數據和時鐘轉換。在一個時鐘周期內，磁通方向發生改變表示為“1”，不發生改變表示為“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出現相當大的變化，具有非常高的磁場分辨率、超快的磁場響應速度，近直線的磁場響應曲線和磁滯小等諸多優點，它的磁場分辨率高達1～10 μOe，其磁場響應速度也遠高于1 MHz，是目前生產具有超快反應速度、高靈敏度傳感器的理想材料［4］。

本文采用的是GMR 半橋梯度結構傳感器芯片，感應方向垂直于檢測面。該芯片半橋電路由2 個磁電阻器串聯組成，梯度磁場的感應方向與磁電阻方向平行。有一個輸出端和兩個輸入端。當刷卡時，磁場發生變化，靠近磁卡一側的感應磁場發生很大變化，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，其電阻隨磁場變化靈敏度曲線如圖3 所示。

圖2 半橋結構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，還可應用于電流檢測、接近開關、距離檢測等方面。

2 磁頭與信號調理電路的設計

2.1 系統設計

本文設計的整體流程圖如圖4 所示，此次設計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。磁卡信號通過磁頭輸入到解碼芯片，再進一步送入STM32 內進行數據融合和處理運算，并將結果送入顯示單元輸出。

圖4 整體設計流程圖Fig 4 Flow chart of overall design

2.2 GMR 磁頭的設計

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

GMR 讀頭為單端輸出，其輸出信號存在一個與約等于VCC/2 的直流分量。由于制造過程中存在工藝偏差等原因，不同芯片輸出信號的直流分量會存在微小的偏差。因此，本文利用隔直采樣電路消除這一影響。電路結構如圖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 個磁道為制備完成的讀頭照片，為了與傳統讀頭安裝孔位匹配，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 信號調理電路

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 解碼規則，包含一個放大模塊和一個控制模塊。采集和跟蹤數據功能實現的傳輸速率范圍為300～15 000 bps，滿足此GMR 三軌道磁頭的刷卡要求［6］。信號調理電路設計如7 所示。磁卡讀頭通過HD1 ～HD6 口將信號輸入解碼芯片，因軌道一和軌道三的數據比特密度為210BPI，所以，選擇CP2 和CP5 為2200P;而軌道二的數據比特密度為75BPI，所以，選CP6 為6800P。

圖7 信號調理電路設計Fig 7 Design of sigal conditioning circuit

信號輸入M3—2300LOL 以后，通過引腳CLS 輸出卡加載信號，通過RDTA/B/C，RCPA/B/C 輸出三條磁道的各自的數據信號和時鐘信號。這時主處理器將響應低電平終端信號，中斷程序將按照時序圖8 所示的編碼規則，在各條磁道始終信號RCP 為低電平時在數據口讀取數據，并將該磁道的數據放入處理器內部數據存儲器內。圖9 所示為解碼電路實物照片。

圖8 理想輸出波形Fig 8 Ideal output waveform

圖9 解碼電路Fig 9 Decoding circuit

3 實驗分析

本文對三磁道磁卡(交通銀行卡為例)進行了刷卡測試，得出實驗結果。

3.1 磁頭輸出信號分析

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

根據多次實驗測量可知，在使用正常的刷卡速度(10～120 cm/s)進行刷卡時，可獲得頻率段為80～120 kHz，峰峰值為80～160 mV。

TFI 磁頭產生的感應電壓峰峰值為60～120 mV。但它是靠線圈在磁場中電流的變化來產生感應電壓，這與人工的刷卡速度密切相關，極容易出現由于刷卡速度不一，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，降低了解碼難度，提高了解碼準確率。因此，相比于TFI 讀頭，GMR 讀頭更具優勢。

3.2 解碼信號輸出

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

圖11 實驗測得的波形輸出Fig 11 Waveform output measured by experiment

如圖所示，刷卡時，當卡加載信號CLS 信號為低，M3—2300LOL 輸出時鐘信號RCP 和數據信號RDT。測試結果滿足F/2F 編碼規則，當CLS 跳躍到高電平時，信號讀取結束。

4 結束語

本文設計和實現了一種基于GMR 傳感器的三磁道磁卡閱讀器的設計。采用了較TFI 磁頭性能更好的GMR 磁頭，所采集的信號用濾波電路進行濾波處理后傳送給GMR磁頭匹配的解碼系統，該系統功耗低、性能穩定、滿足三磁道刷卡要求，輸出結果將進一步處理后送入上位機顯示。

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

［2］ 薛麗萍，李遠輝.用單片機實現的磁卡讀卡機［J］.電子技術應用，1998(5):66－68.

［3］ 王自力.GMR 自旋閥材料及器件的設計和制備［D］.成都:電子科技大學，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.