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本應(yīng)用筆記解釋了如何在DS5250安全微控制器上輕松實(shí)現(xiàn)磁條卡讀取和解碼。本文還演示了如何開發(fā)將磁條卡讀取功能與安全微控制器的更高級(jí)別安全性和加密功能相結(jié)合的應(yīng)用。本例使用DS5250評(píng)估（EV）板與磁條讀卡器接口。提供源代碼，可輕松移植到Maxim其他基于8051的微控制器。

概述

背面帶有磁性編碼條紋的卡通常稱為磁條卡，用于大量銀行、儲(chǔ)值和其他金融應(yīng)用。信用卡、ATM 卡和借記卡都是典型的磁條卡，有時(shí)還嵌入了智能卡芯片。其他例子是其他例子，例如用于游戲、復(fù)印機(jī)和公共交通的許多禮品卡、安全卡或房間鑰匙卡以及儲(chǔ)值卡。當(dāng)使用標(biāo)準(zhǔn)ISO格式時(shí)，這些磁條卡的最大容量約為160字節(jié)，通常不會(huì)存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)。與智能卡或便攜式閃存驅(qū)動(dòng)器相比，磁條卡的存儲(chǔ)容量足以滿足最常使用這些卡的金融和銀行應(yīng)用。此外，磁條卡堅(jiān)固耐用，價(jià)格低廉，不需要內(nèi)部電源，并且相對(duì)容易讀取。

本應(yīng)用筆記介紹如何使用DS5250安全微控制器與磁條讀卡器接口。之所以選擇DS5250，是因?yàn)樗峁┝藰?gòu)建讀取磁條卡的通用器件（即銷售點(diǎn)（POS）終端）所需的關(guān)鍵安全和加密功能。

磁條讀卡器包含執(zhí)行低級(jí)任務(wù)的電路：將磁條上的磁通量解碼為比特流。DS5250管理更高層次的任務(wù)：將這些位轉(zhuǎn)換為字符，然后讀取和驗(yàn)證數(shù)據(jù)字段。

硬件和軟件要求

硬件

本示例應(yīng)用使用DS5250評(píng)估（EV）板（修訂版B），修改如下：

端口 0 引腳的上拉電阻組（RN2）已被移除。

示例應(yīng)用程序還需要以下硬件：

讀卡器—MagTek 三軌刷卡讀卡器，帶 3V 解碼器 ASIC;部件號(hào) 21030001 修訂版 G 或更高版本

兩個(gè)上拉電阻（約10kΩ）

線性穩(wěn)壓器（能夠從5V電源產(chǎn)生3V至3.6V電壓）

用于測(cè)試的磁條卡（ATM卡，信用卡等）

以下各節(jié)介紹示例應(yīng)用程序的實(shí)現(xiàn)。完整的示例C代碼可從Analog的FTP站點(diǎn)下載。

連接讀卡器

MagTek 讀卡器有五個(gè)接口引腳（包括電源和接地）：

引腳 1 - 頻閃

該信號(hào)始終是讀卡器的輸入。它由主微控制器驅(qū)動(dòng)，以輸出卡數(shù)據(jù)位并置位復(fù)位序列。

引腳 2 - 數(shù)據(jù)

該信號(hào)通常用作讀卡器的輸出。它攜帶來自磁道 A/B/C 的卡數(shù)據(jù)位，這些磁道由 STROBE 信號(hào)計(jì)時(shí)輸出。在某些情況下（例如，當(dāng)置位復(fù)位序列時(shí)），該信號(hào)可由主微控制器驅(qū)動(dòng)。

引腳 3 — VDD

為讀卡器供電（2.7V 至 3.6V）。

引腳 4 - 接地

引腳 5 - 接地

由于STROBE和數(shù)據(jù)引腳工作在3V電平，DS5250不能用標(biāo)準(zhǔn)端口引腳直接驅(qū)動(dòng)它們。因此，使用端口0的引腳（工作在漏極開路模式），當(dāng)DS5250對(duì)引腳進(jìn)行三電平時(shí)，電阻將信號(hào)電平拉至3.6V。DS5250直接從數(shù)據(jù)線讀取數(shù)據(jù)信號(hào)，因?yàn)樽钚IHDS5250端口引腳的電平足夠低，可以兼容3V I/O電平。（請(qǐng)參考DS5250數(shù)據(jù)資料了解更多詳細(xì)信息。

讀卡器工作在 3V 電平;它不能直接由DS5250使用的5V電源供電。由于DS5250評(píng)估板不提供3V電源，因此使用單獨(dú)的線性穩(wěn)壓器（如MAX1658）為讀卡器供電。參見圖1。

圖1.例如應(yīng)用程序的連接。

執(zhí)行復(fù)位序列

首次上電后，主微控制器必須重置讀卡器，然后才能接受刷卡。每次刷卡后也必須執(zhí)行此重置序列，以清除內(nèi)部讀卡器ASIC的內(nèi)存，并使讀卡器準(zhǔn)備好接受新的刷卡。

為了復(fù)位讀卡器，主微控制器（即本應(yīng)用中的DS5250）必須按以下順序驅(qū)動(dòng)頻閃和數(shù)據(jù)。（有關(guān)確切的電壓電平和時(shí)序參數(shù)，請(qǐng)參閱 MagTek 文檔。

DATA 和 STROBE 都從高（空閑）狀態(tài)開始。

強(qiáng)制數(shù)據(jù)降低。

在數(shù)據(jù)保持低電平的情況下，將頻閃驅(qū)動(dòng)為低電平，然后再次驅(qū)動(dòng)為高電平。

再次將頻閃驅(qū)動(dòng)為低電平，然后釋放數(shù)據(jù)，使其浮高。

在數(shù)據(jù)浮動(dòng)高電平時(shí)，將頻閃驅(qū)動(dòng)為低電平，然后再次高電平。此時(shí)，讀卡器被重置并處于低功耗等待狀態(tài)。

將頻閃驅(qū)動(dòng)為低，然后再次高。此操作“武裝”讀卡器并準(zhǔn)備接受刷卡。

// Generate a long delay for card reset and read intervals.

void longDelay()
{
   int i, j;

   for (i = 1; i < 5; i++) {
      for (j = 1; j < 5000; j++) {
         ;
      }
   }
}

// Generate a shorter delay (used between STROBE/DATA transitions).

void delay()
{
   int i;

   for (i = 1; i < 1000; i++) {
      ;
   }
}

// Release the DATA line (P0.0) and allow it to float high.

void dataHigh()
{
   P0 |= 0x01;
   delay();
}

// Drive the DATA line (P0.0) low.

void dataLow()
{
   P0 &= 0xFE;
   delay();
}



// Release the STROBE line (P0.1) and allow it to float high.

void strobeHigh()
{
   P0 |= 0x02;
   delay();
}

// Drive the STROBE line (P0.1) low.

void strobeLow()
{
   P0 &= 0xFD;
   delay();
}

void resetCardReader()
{
   dataHigh();
   strobeHigh();
   longDelay();

   dataLow();                // Force DATA low.
   longDelay();   
   strobeLow();              // Drive STROBE low, then high again.
   strobeHigh();
   strobeLow();              // Drive STROBE low, then release DATA.
   dataHigh();
   longDelay();

   strobeHigh();             // Drive STROBE low and high again two more times
   strobeLow();              //    to complete the reset and leave the card reader
   strobeHigh();             //    in the ready state, prepared to scan a card.
   strobeLow();
}

檢測(cè)刷卡

一旦讀卡器重置并布防，它就可以接受刷卡了。MagTek 讀卡器在刷卡時(shí)執(zhí)行整個(gè)讀卡周期;主微控制器無需干預(yù)?？l上所有三個(gè)磁道（磁道 A、磁道 B 和磁道 C）的全部內(nèi)容都存儲(chǔ)在讀卡器 IC 上。在讀卡周期結(jié)束后，主微控制器可以一次一位地輸出這些數(shù)據(jù)。

讀卡器經(jīng)歷一個(gè)握手周期，以通知主設(shè)備何時(shí)開始讀卡并完成。

循環(huán)從頻閃低電平和數(shù)據(jù)高浮動(dòng)（空閑狀態(tài)）開始。

當(dāng)讀卡器檢測(cè)到磁條在讀卡器頭上移動(dòng)時(shí)，它開始掃描讀卡。它將數(shù)據(jù)線驅(qū)動(dòng)為低電平，以通知主站刷卡已經(jīng)開始。

主站的響應(yīng)是將STROBE驅(qū)動(dòng)為高電平，然后再次降低。

讀卡器將數(shù)據(jù)再次驅(qū)動(dòng)高電平。

讀卡周期完成后，讀卡器再次將數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)為低電平。此操作告知主節(jié)點(diǎn)刷卡已完成，并且卡數(shù)據(jù)已準(zhǔn)備好打卡。

// Wait for the DATA line to be driven low by the card reader.

void waitForDataLow()
{
   int i = 0xFF;

   dataHigh();               // Make sure that DATA is floating high.

   while ((i & 1) == 1) {
      i = P0;
   }
} 

....

   resetCardReader();
   printf("\r\n");
   printf("Waiting for card swipe...\r\n");
   printf("\r\n");

   waitForDataLow();      // DATA low indicates that card swipe has begun.
   strobeHigh();
   longDelay();
   strobeLow();
   longDelay();
   waitForDataLow();      // DATA low indicates that card swipe is complete.

讀取和解碼卡數(shù)據(jù)

刷卡完成并且所有卡數(shù)據(jù)由讀卡器ASIC解碼和存儲(chǔ)后，讀卡器將DATA線驅(qū)動(dòng)為低電平。如上所述，此操作會(huì)提醒DS5250卡數(shù)據(jù)已準(zhǔn)備好打卡。此時(shí)，DS5250可以按順序檢索卡數(shù)據(jù)中的每個(gè)位，方法是將STROBE驅(qū)動(dòng)為高電平，然后驅(qū)動(dòng)低電平，以便每個(gè)位輸出。在STROBE被驅(qū)動(dòng)為高電平然后被驅(qū)動(dòng)為低電平之后，下一個(gè)位由讀卡器ASIC在數(shù)據(jù)線上計(jì)時(shí)。ASIC 將數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)高電平 0 位，將數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)低電平 1 位。

// Clock a single bit value out of the card reader by driving STROBE high,
// then low, and reading the DATA line.  

int readBit()
{
   int i;

   strobeHigh();             // Drive STROBE high.
   strobeLow();              // Drive STROBE low (DATA line now contains bit).

   i = P0;
   if ((i & 1) == 0) {   
      return 1;              // Low on DATA line indicates a 1 bit.
   } else {
      return 0;              // High on DATA line indicates a 0 bit.
   }
}

從讀卡器輸出的前 16 位是一個(gè)“前導(dǎo)碼”，指示讀卡器 ASIC 的版本。應(yīng)用程序可以丟棄這些位，因?yàn)樗鼈儾槐硎究〝?shù)據(jù)。

翻譯軌道 A

在 16 位前導(dǎo)碼之后，DATA 線路上時(shí)鐘輸出的下一個(gè) 704 位包含從磁條卡上的磁道 A 讀取的數(shù)據(jù)。使用標(biāo)準(zhǔn) ISO 格式編碼時(shí)，磁道 A 最多包含 76 個(gè)字符，使用 7 位字符集，其中包括字母數(shù)字和各種其他符號(hào)。

每個(gè) 7 位字符首先輸出最低有效位（LSB）。最高位（即第七位）是奇偶校驗(yàn)位，可以選擇用于驗(yàn)證卡數(shù)據(jù)的完整性。不考慮奇偶校驗(yàn)位，其余 6 位定義可在磁道 A 上編碼的 64 個(gè)字符之一。例如，000000b 表示空格字符，000001b 表示感嘆號(hào)。char7bit［64］字符數(shù)組顯示在下面的代碼中。

//          0123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 123
char char7bit[64] = 
           " !'#$%&'()*+,-./0123456789:;<=>?@ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ[\\]^_";


// Clock out and decode a 7-bit character from the track memory, returning the
// character value.  7-bit (alphanumeric) characters are found on Track A only.

char read7BitChar()
{
   int i, c;

   // Each character is composed of 7 bits, which we clock out of the track memory
   // beginning with the least significant bit.  Bit 7 is parity, which is ignored.

   c = 0;
   for (i = 1; i < 128; i *= 2) {
      c |= (readBit() * i);
   }
   c &= 0x3F;

   return char7bit[c];       // Decode/return the character using the 7-bit table.
}

....

   // Track A - 76 characters, 7 bits per alphanumberic character including parity.

   printf("Track A > ");   
             
   for (i = 0; i < 76; i++) {
      putchar(read7BitChar());
   }
   printf("\r\n\r\n");

   // At this point, we have read 532 bits of the 704-bit Track A memory on the 
   // card reader IC.  Flush the remaining 172 bits.

   for (i = 0; i < 172; i++) {
      readBit();
   }

軌道 A 上保存的實(shí)際數(shù)據(jù)因卡類型而異。此外，軌道 A 可以包含字母字符。因此，軌道A通常用于存儲(chǔ)持卡人的姓名，可能的地址，帳號(hào)和其他數(shù)字信息。如上面的代碼所示，在時(shí)鐘輸出磁道B數(shù)據(jù)之前，必須讀出磁道A存儲(chǔ)器的所有704位（即使并非所有位都包含編碼數(shù)據(jù)）。

翻譯軌道 B

磁道 B 的編碼與磁道 A 類似，不同之處在于這些字符是 5 位（4 位，加 1 位奇偶校驗(yàn)位）編碼，而不是 7 位。軌道 B 字符集僅包含數(shù)字字符和符號(hào)，如下面的 char5bit［16］字符數(shù)組所示。

//                   0123456789012345
char char5bit[16] = "0123456789:;<=>?";

// Clock out and decode a 5-bit character from the track memory, returning the
// character value.  5-bit (numeric+symbol) characters are found on Tracks B and C.

char read5BitChar()
{
   int i, c;

   // Each character is composed of 5 bits, which we clock out of the track memory
   // beginning with the least significant bit.  Bit 5 is parity, which is ignored.

   c = 0;
   for (i = 1; i < 32; i *= 2) {
      c |= (readBit() * i);
   }
   c &= 0x0F;

   return char5bit[c];       // Decode/return the character using the 5-bit table.
}

....

   // Track B - 40 characters, 5 bits per numeric/symbol character including parity.

   printf("Track B > ");   
             
   for (i = 0; i < 40; i++) {
      putchar(read5BitChar());
   }
   printf("\r\n\r\n");

與磁道 A 結(jié)束時(shí)一樣，在繼續(xù)讀取磁道 C 之前，必須讀取磁道 B 存儲(chǔ)器中的所有剩余位（如果需要磁道 C）。由于代碼已經(jīng)從磁道 B 存儲(chǔ)器讀取了 200 位（40 個(gè)字符 x 5 位），因此在訪問磁道 C 數(shù)據(jù)之前，必須額外輸出 504 位。

翻譯軌道 C

磁道 C 以與磁道 B 相同的方式編碼，并使用與磁道 B 相同的字符集，最多 107 個(gè) 編碼的 7 位字符。軌道C最初旨在包含一個(gè)可重寫的數(shù)據(jù)區(qū)域以支持離線金融交易，但它并不常用。大多數(shù)磁條卡不包含磁道C上的編碼數(shù)據(jù)。

結(jié)論

磁條卡用于各種金融、訪問控制、政府和儲(chǔ)值應(yīng)用。通過在DS5250評(píng)估板中增加一個(gè)簡單的MagTek刷卡讀卡器和少量支持硬件，可以開發(fā)將磁條卡讀取功能與安全微控制器的更高級(jí)別的安全性和加密功能相結(jié)合的應(yīng)用。使用Keil的μVision C編譯器，可以在DS5250安全微控制器上輕松實(shí)現(xiàn)磁條卡讀取和解碼演示的應(yīng)用。

審核編輯：郭婷

// Generate a long delay for card reset and read intervals.

void longDelay()
{
   int i, j;

   for (i = 1; i < 5; i++) {
      for (j = 1; j < 5000; j++) {
         ;
      }
   }
}

// Generate a shorter delay (used between STROBE/DATA transitions).

void delay()
{
   int i;

   for (i = 1; i < 1000; i++) {
      ;
   }
}

// Release the DATA line (P0.0) and allow it to float high.

void dataHigh()
{
   P0 |= 0x01;
   delay();
}

// Drive the DATA line (P0.0) low.

void dataLow()
{
   P0 &= 0xFE;
   delay();
}



// Release the STROBE line (P0.1) and allow it to float high.

void strobeHigh()
{
   P0 |= 0x02;
   delay();
}

// Drive the STROBE line (P0.1) low.

void strobeLow()
{
   P0 &= 0xFD;
   delay();
}

void resetCardReader()
{
   dataHigh();
   strobeHigh();
   longDelay();

   dataLow();                // Force DATA low.
   longDelay();   
   strobeLow();              // Drive STROBE low, then high again.
   strobeHigh();
   strobeLow();              // Drive STROBE low, then release DATA.
   dataHigh();
   longDelay();

   strobeHigh();             // Drive STROBE low and high again two more times
   strobeLow();              //    to complete the reset and leave the card reader
   strobeHigh();             //    in the ready state, prepared to scan a card.
   strobeLow();
}

檢測(cè)刷卡

讀卡器經(jīng)歷一個(gè)握手周期，以通知主設(shè)備何時(shí)開始讀卡并完成。

循環(huán)從頻閃低電平和數(shù)據(jù)高浮動(dòng)（空閑狀態(tài)）開始。
當(dāng)讀卡器檢測(cè)到磁條在讀卡器頭上移動(dòng)時(shí)，它開始掃描讀卡。它將數(shù)據(jù)線驅(qū)動(dòng)為低電平，以通知主站刷卡已經(jīng)開始。
主站的響應(yīng)是將STROBE驅(qū)動(dòng)為高電平，然后再次降低。
讀卡器將數(shù)據(jù)再次驅(qū)動(dòng)高電平。
讀卡周期完成后，讀卡器再次將數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)為低電平。此操作告知主節(jié)點(diǎn)刷卡已完成，并且卡數(shù)據(jù)已準(zhǔn)備好打卡。

// Wait for the DATA line to be driven low by the card reader.

void waitForDataLow()
{
   int i = 0xFF;

   dataHigh();               // Make sure that DATA is floating high.

   while ((i & 1) == 1) {
      i = P0;
   }
} 

....

   resetCardReader();
   printf("\r\n");
   printf("Waiting for card swipe...\r\n");
   printf("\r\n");

   waitForDataLow();      // DATA low indicates that card swipe has begun.
   strobeHigh();
   longDelay();
   strobeLow();
   longDelay();
   waitForDataLow();      // DATA low indicates that card swipe is complete.

讀取和解碼卡數(shù)據(jù)

// Clock a single bit value out of the card reader by driving STROBE high,
// then low, and reading the DATA line.  

int readBit()
{
   int i;

   strobeHigh();             // Drive STROBE high.
   strobeLow();              // Drive STROBE low (DATA line now contains bit).

   i = P0;
   if ((i & 1) == 0) {   
      return 1;              // Low on DATA line indicates a 1 bit.
   } else {
      return 0;              // High on DATA line indicates a 0 bit.
   }
}

從讀卡器輸出的前 16 位是一個(gè)“前導(dǎo)碼”，指示讀卡器 ASIC 的版本。應(yīng)用程序可以丟棄這些位，因?yàn)樗鼈儾槐硎究〝?shù)據(jù)。

翻譯軌道 A

每個(gè) 7 位字符首先輸出最低有效位（LSB）。最高位（即第七位）是奇偶校驗(yàn)位，可以選擇用于驗(yàn)證卡數(shù)據(jù)的完整性。不考慮奇偶校驗(yàn)位，其余 6 位定義可在磁道 A 上編碼的 64 個(gè)字符之一。例如，000000b 表示空格字符，000001b 表示感嘆號(hào)。char7bit[64]字符數(shù)組顯示在下面的代碼中。

//          0123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890 123
char char7bit[64] = 
           " !'#$%&'()*+,-./0123456789:;<=>?@ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ[\\]^_";


// Clock out and decode a 7-bit character from the track memory, returning the
// character value.  7-bit (alphanumeric) characters are found on Track A only.

char read7BitChar()
{
   int i, c;

   // Each character is composed of 7 bits, which we clock out of the track memory
   // beginning with the least significant bit.  Bit 7 is parity, which is ignored.

   c = 0;
   for (i = 1; i < 128; i *= 2) {
      c |= (readBit() * i);
   }
   c &= 0x3F;

   return char7bit[c];       // Decode/return the character using the 7-bit table.
}

....

   // Track A - 76 characters, 7 bits per alphanumberic character including parity.

   printf("Track A > ");   
             
   for (i = 0; i < 76; i++) {
      putchar(read7BitChar());
   }
   printf("\r\n\r\n");

   // At this point, we have read 532 bits of the 704-bit Track A memory on the 
   // card reader IC.  Flush the remaining 172 bits.

   for (i = 0; i < 172; i++) {
      readBit();
   }

翻譯軌道 B

磁道 B 的編碼與磁道 A 類似，不同之處在于這些字符是 5 位（4 位，加 1 位奇偶校驗(yàn)位）編碼，而不是 7 位。軌道 B 字符集僅包含數(shù)字字符和符號(hào)，如下面的char5bit[16]字符數(shù)組所示。

//                   0123456789012345
char char5bit[16] = "0123456789:;<=>?";

// Clock out and decode a 5-bit character from the track memory, returning the
// character value.  5-bit (numeric+symbol) characters are found on Tracks B and C.

char read5BitChar()
{
   int i, c;

   // Each character is composed of 5 bits, which we clock out of the track memory
   // beginning with the least significant bit.  Bit 5 is parity, which is ignored.

   c = 0;
   for (i = 1; i < 32; i *= 2) {
      c |= (readBit() * i);
   }
   c &= 0x0F;

   return char5bit[c];       // Decode/return the character using the 5-bit table.
}

....

   // Track B - 40 characters, 5 bits per numeric/symbol character including parity.

   printf("Track B > ");   
             
   for (i = 0; i < 40; i++) {
      putchar(read5BitChar());
   }
   printf("\r\n\r\n");

翻譯軌道 C

結(jié)論

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