DS5250與磁卡讀卡器的連接

　簡介 

　　背面帶有編碼磁條的卡通常稱為磁卡，廣泛用于銀行、儲值等金融領域。信用卡、ATM和借記卡都是典型的磁卡，有的卡片還嵌入了智能卡芯片。其它應用包括：游戲、影印和公交等領域的禮品卡、安全卡以及房間鑰匙卡等。采用標準ISO格式時，這些磁卡的最大容量只有160字節(jié)，一般不能存儲大量數(shù)據(jù)。與智能卡或便攜式閃存相比，磁卡的存儲容量足以支持金融和銀行應用，被廣泛應用于該領域。而且，磁卡價格低，比較可靠，不需要內部供電，讀取相對方便。

　　本應用筆記介紹怎樣使用DS5250安全微控制器實現(xiàn)和磁卡讀卡器的接口。之所以選擇DS5250，是因為它具有開發(fā)常用讀卡設備(例如銷售終端POS等設備)所需要的安全和加密功能。

　　磁卡讀卡器電路可以執(zhí)行底層任務：把磁條磁通量解碼成比特流。DS5250管理頂層任務：將這些比特轉換成字符，讀取并驗證數(shù)據(jù)。

　　硬件和軟件要求 

　　硬件
　　本實例采用了DS5250評估(EV)板(B版)，進行了以下改動：
　　去掉了端口0的上拉電阻(RN2)
　　實際應用還需要以下硬件：
　　讀卡器—MagTek?三磁道讀卡器，含有3V解碼器ASIC；序列號為21030001，G版或更新版本　(www.magtek.com/)
　　兩個上拉電阻(大約10kΩ)
　　線性穩(wěn)壓器(能夠從5V電源產生3V至3.6V供電)
　　用于測試的磁卡(ATM卡、信用卡等) 

　　軟件
　　本實例應用程序以C語言編寫，采用了Keil的μVision? IDE 2.40a版進行編譯(www.keil.com/)。利用Maxim的微控制器工具包(MTK)將編譯后的應用程序裝載到DS5250中。

　　應用程序的詳細信息
　　下面幾節(jié)介紹實例應用程序的實現(xiàn)?？梢詮腗axim的FTP網(wǎng)站下載完整的C語言代碼。

　　連接讀卡器
　　MagTek讀卡器有5個接口引腳(包括電源和地)：
　　引腳1—STROBE
　　該信號僅用于讀卡器輸入。由主機微控制器驅動，逐位輸出卡的數(shù)據(jù)位，觸發(fā)復位過程。
　　引腳2—DATA
　　該信號通常是讀卡器的輸出，包含磁道A/B/C的卡數(shù)據(jù)位，由STROBE信號同步輸出。在某些情況下(例如，觸發(fā)復位時)，可以由主機微控制器驅動該信號。
　　引腳3—VDD
　　讀卡器的電源(2.7V至3.6V)。
　　引腳4—GND
　　引腳5—GND
　　由于STROBE和DATA引腳的工作電平為3V，DS5250無法直接通過標準端口引腳驅動。因此，以端口0 (該端口工作在開漏模式)替代，當DS5250將引腳置為三態(tài)時，通過電阻將信號電平上拉至3.6V。由于DS5250端口的VIH電平能夠兼容3V I/O電平，因此，DS5250可以直接從DATA線讀取DATA信號(請參考DS5250數(shù)據(jù)資料，了解詳細信息)。

　　讀卡器工作電平為3V；它不能直接采用DS5250的5V電源供電。由于DS5250評估板不提供3V供電，因此，采用了單獨的線性穩(wěn)壓器(例如， MAX1658)對讀卡器供電。

　　復位
　　首次上電后，主機微控制器在進行讀卡之前必須復位讀卡器。每次進行卡掃描之后，也必須按順序進行復位，以清除內部讀卡器ASIC的內存，使讀卡器能夠準備就緒。接收新的讀卡操作。

　　復位讀卡器時，主機微控制器(例如，本應用筆記的DS5250)必須按照以下順序驅動STROBE和DATA (請參考MagTek文檔，了解確切的電壓電平和時序參數(shù))。
　　DATA和STROBE都以高電平(空閑)狀態(tài)開始。
　　將DATA置為低電平。
　　保持DATA為低電平，將STROBE驅動為低電平，然后再次驅動為高電平。
　　再次驅動STROBE為低電平，隨后釋放DATA，使其能夠浮空至高電平。
　　當DATA浮空為高電平時，將STROBE驅動為低電平，然后再次驅動為高電平。在這一點，復位讀卡器，處于低功耗等待狀態(tài)。
　　將STROBE驅動為低電平，然后再次驅動為高電平。對讀卡器進行“配置”，使其能夠進行讀卡操作。
　　// 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();
　　}
　　檢測讀卡操作
　　讀卡器一旦復位并進行配置后，就可以進行讀卡操作。讀卡時，MagTek讀卡器執(zhí)行一次完整的讀周期；不需要主控制器干預。卡的磁條中所有三個磁道A、B、C的全部內容都被存儲到讀卡器IC中。讀卡周期完成后，可以由主控制器將數(shù)據(jù)逐位同步輸出。

　　讀卡器通過握手周期告訴主機什么時候開始讀卡，什么時候完成讀卡。
　　該周期以STROBE低電平和DATA浮空高電平(空閑狀態(tài))開始。
　　當讀卡器探測到磁條移過讀卡器探頭時，開始對卡進行掃描。它將DATA線驅動為低電平，告訴主機開始讀卡操作。
　　主機驅動STROBE為高電平，然后再變?yōu)榈碗娖?，做出響應?
　　讀卡器將DATA再次驅動為高電平。
　　一旦讀卡周期完成后，讀卡器再次將DATA驅動為低電平。這一操作告訴主機已經(jīng)完成了讀卡過程，可以同步輸出卡數(shù)據(jù)。
　　// 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. 
{$Page$}
　　讀取并解碼卡數(shù)據(jù)
　　完成讀卡，并且所有卡數(shù)據(jù)經(jīng)過解碼并存儲在讀卡器ASIC后，讀卡器將DATA線驅動為低電平。如上所述，這一操作提示DS5250可以同步輸出卡數(shù)據(jù)。在這一點，DS5250在同步輸出每一位數(shù)據(jù)時，將STROBE驅動為高電平，然后再驅動低電平，以順序讀出每一位卡數(shù)據(jù)。在STROBE驅動為高電平，然后再驅動為低電平后，讀卡器ASIC將下一位數(shù)據(jù)在DATA線上同步輸出。ASIC在第0位將DATA驅動為高電平，第1位時將DATA驅動為低電平。

　　// 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.
　　}
　　}
　　讀卡器同步輸出的前16位是“前導”位，指出讀卡器ASIC的版本。這些為并非卡的數(shù)據(jù)，應用程序可以忽略它們。


　　磁道A譯碼
　　16位前導碼之后，DATA線上同步輸出704位數(shù)據(jù)，其中包括從磁卡磁道A讀取的數(shù)據(jù)。當采用標準ISO格式進行編碼時，磁道A含有76個字符，使用的7位字符集含有字母、數(shù)字等符號。

　　每7位字符在同步輸出時最低有效位(LSB)在前，最高位(即，第7位)是奇偶校驗位，可用于驗證卡數(shù)據(jù)的完整性。除去奇偶校驗位，其余6位定義了64個字符中的某一個，可以編碼到磁道A上。例如，000000b代表空格符，000001b代表感嘆號。以下代碼為char7bit[64]字符陣列。

　　// 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();
　　}
　　不同類型的卡在磁道A上有不同的數(shù)據(jù)。磁道A還可以含有字母字符。因此，磁道A常用于存儲持卡人的姓名、地址和賬號等數(shù)字信息。正如上面代碼所示，在同步輸出磁道B的數(shù)據(jù)之前，必須讀出磁道A的所有704位數(shù)據(jù)(即使并非所有位都含有編碼數(shù)據(jù))。

　　磁道B譯碼
　　磁道B的編碼和磁道A相似，只是采用了5位(4位數(shù)據(jù)和1位奇偶校驗位)編碼，而不是7位編碼。磁道B的字符集只含有數(shù)字字符和符號，如下面的char5bit[16]字符陣列所示。
　　// 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");
　　在磁道A的最后，讀取磁道C之前，必須讀取磁道B的所有剩余位(如果需要用到磁道C)。由于已經(jīng)從磁道B (40個字符 x 5位)讀取了200位，在訪問磁道C之前，必須同步輸出其余504位。

　　磁道C譯碼
　　磁道C的編碼方式和磁道B一樣，并采用了同一字符集，最多可編碼107個7位字符。磁道C最初的目的是作為可寫數(shù)據(jù)區(qū)，以支持離線金融交易，但不常用。大部分磁卡在磁道C上不帶有編碼數(shù)據(jù)。

　　結論 

　　磁卡廣泛應用于金融、接入控制、政府以及儲值等領域。通過加入一個簡單的MagTek卡掃描讀卡器，為DS5250評估板提供少量的支持硬件，開發(fā)系統(tǒng)即可支持磁卡讀取功能以及安全微控制器的高級安全加密功能。利用Keil的μVision C編譯器，很容易在DS5250安全微控制器上演示磁卡讀取和解碼功能。

　　注意：由于其內在的安全特性，DS5250安全微控制器受美國出口法的控制。如需獲得包括數(shù)據(jù)資料、用戶指南在內的所有DS5250文檔，需要簽署保密協(xié)議(NDA)。而本應用筆記及其源代碼都可以免費提供，直接裝載到Maxim的任一8051微控制器中。 .