基于GMR 传感器三磁道磁卡读卡器设计*

2015-03-30钱正洪孙宇澄李健平

传感器与微系统 2015年7期

刘雯，钱正洪，白茹，孙宇澄，李健平

(1.杭州电子科技大学磁电子中心，浙江杭州310018;2.湖北省磁电子工业技术研究院，湖北宜昌443003)

0 引言

磁卡是指带有磁条的卡片，磁条中存储有用户、发卡行、账号等信息。20 世纪60 年代，磁卡最先作为信用卡应用于金融领域，由于具有保密性好、不易伪造、成本低、防水、防油污等优点，在此后的20 余年间磁卡发展进入极盛，成为一种普遍的支付手段［1］，并一直使用至今。

磁卡读卡器是用读头读取磁卡上的信号并转换为数字信号的一种装置，广泛应用于金融、邮电、商业、交通、海关及日常消费等领域。通常磁卡信息，通过传统薄膜感应(traditional film induction，TFI)磁头读取［2］，TFI 磁头实际上是绕线的磁芯。电流在通过绕线的磁芯时会在磁头上产生感应电压，通过感应电压的变化去感应信号幅度。基于巨磁电阻(GMR)自旋阀材料的读头芯片相比于TFI，其具有显著的灵敏度和体积优势，与TFI 磁头最大的区别在于刷卡速度不会影响所读取的信号电压幅度。

基于GMR 读头芯片，本文提出了一种用于解析磁卡数据的解码电路。

1 磁卡与GMR 磁头

1.1 磁卡与编码方式

磁卡是一种磁记录卡片，它利用磁性载体记录一些信息，用来标识身份和用途。磁卡的一面印刷有说明性信息，另一面有磁层和磁条。磁卡具有2 ～3 个磁道，每个磁道记录着相应的信息。磁卡记录标准是国际标准ISO/IEC7811的记录原理，如表1 所示。

磁卡采用F/2F 的记录方式［2］，在同一个磁道中记录的数据和始终脉冲叠加信号如图1 所示。这种方法允许串行自动计时数据记录。编码包括数据和时钟转换。在一个时钟周期内，磁通方向发生改变表示为“1”，不发生改变表示为“0”。

图1 F/2F 编码范例Fig 1 Examples of F/2F encoding

1.2 GMR 磁头

GMR 磁头所采用的GMR 材料的电阻将随着外加磁场出现相当大的变化，具有非常高的磁场分辨率、超快的磁场响应速度，近直线的磁场响应曲线和磁滞小等诸多优点，它的磁场分辨率高达1～10 μOe，其磁场响应速度也远高于1 MHz，是目前生产具有超快反应速度、高灵敏度传感器的理想材料［4］。

本文采用的是GMR 半桥梯度结构传感器芯片，感应方向垂直于检测面。该芯片半桥电路由2 个磁电阻器串联组成，梯度磁场的感应方向与磁电阻方向平行。有一个输出端和两个输入端。当刷卡时，磁场发生变化，靠近磁卡一侧的感应磁场发生很大变化，另一端变化很弱，几乎可忽略。等效电路图如图2 所示。其中，R1 与R2 的电阻值在4 kΩ左右，其电阻随磁场变化灵敏度曲线如图3 所示。

图2 半桥结构Fig 2 Half-bridge structure

图3 灵敏度曲线Fig 3 Sensitivity curve

这种高灵敏度传感器尺寸小，抗干扰能力强，还可应用于电流检测、接近开关、距离检测等方面。

2 磁头与信号调理电路的设计

2.1 系统设计

本文设计的整体流程图如图4 所示，此次设计分为软件模块和硬件模块，硬件模块包括磁头单元、电源单元、解码单元、STM32 单元和显示单元。磁卡信号通过磁头输入到解码芯片，再进一步送入STM32 内进行数据融合和处理运算，并将结果送入显示单元输出。

图4 整体设计流程图Fig 4 Flow chart of overall design

2.2 GMR 磁头的设计

本文所设计的磁卡读头采用3 个GMR 传感器分别用于读取磁卡磁条中的3 个磁道的信息，采用板上封装(COB)技术直接将读头芯片封装于PCB 上。

GMR 读头为单端输出，其输出信号存在一个与约等于VCC/2 的直流分量。由于制造过程中存在工艺偏差等原因，不同芯片输出信号的直流分量会存在微小的偏差。因此，本文利用隔直采样电路消除这一影响。电路结构如图5 显示，图5(a)为单轨所采用一阶低通滤波电路［5］，图5(b)为整体三轨磁头的滤波电路输出。图6 为3 个磁道为制备完成的读头照片，为了与传统读头安装孔位匹配，读头PCB 安装于金属外壳中。

图5 低通滤波电路Fig 5 Low-pass filtering circuit

图6 三磁道磁头Fig 6 Three-track magnetic head

2.3 GMR 信号调理电路

解码电路使用中青科技出品的一种三磁道解码芯片M3—2300—33LOL。此芯片采用F/2F 解码规则，包含一个放大模块和一个控制模块。采集和跟踪数据功能实现的传输速率范围为300～15 000 bps，满足此GMR 三轨道磁头的刷卡要求［6］。信号调理电路设计如7 所示。磁卡读头通过HD1 ～HD6 口将信号输入解码芯片，因轨道一和轨道三的数据比特密度为210BPI，所以，选择CP2 和CP5 为2200P;而轨道二的数据比特密度为75BPI，所以，选CP6 为6800P。

图7 信号调理电路设计Fig 7 Design of sigal conditioning circuit

信号输入M3—2300LOL 以后，通过引脚CLS 输出卡加载信号，通过RDTA/B/C，RCPA/B/C 输出三条磁道的各自的数据信号和时钟信号。这时主处理器将响应低电平终端信号，中断程序将按照时序图8 所示的编码规则，在各条磁道始终信号RCP 为低电平时在数据口读取数据，并将该磁道的数据放入处理器内部数据存储器内。图9 所示为解码电路实物照片。

图8 理想输出波形Fig 8 Ideal output waveform

图9 解码电路Fig 9 Decoding circuit

3 实验分析

本文对三磁道磁卡(交通银行卡为例)进行了刷卡测试，得出实验结果。

3.1 磁头输出信号分析

图10 磁头刷卡输出Fig 10 Magnetic head card feeding output

根据多次实验测量可知，在使用正常的刷卡速度(10～120 cm/s)进行刷卡时，可获得频率段为80～120 kHz，峰峰值为80～160 mV。

TFI 磁头产生的感应电压峰峰值为60～120 mV。但它是靠线圈在磁场中电流的变化来产生感应电压，这与人工的刷卡速度密切相关，极容易出现由于刷卡速度不一，峰峰值差距很大，为一般解码电路增加难度［7］。而采用GMR 磁头刷卡，峰峰值与刷卡速度无关，降低了解码难度，提高了解码准确率。因此，相比于TFI 读头，GMR 读头更具优势。