摘要：本應(yīng)用筆記闡述了在DS5250安全微控制器上輕松實(shí)現(xiàn)磁卡讀卡和解碼操作的設(shè)計(jì)。文章還演示了開發(fā)同時(shí)具有磁卡讀卡功能和安全微控制器高級加密功能的實(shí)際應(yīng)用。這一實(shí)例采用DS5250評估(EV)板連接磁卡讀卡器。本應(yīng)用筆記提供源代碼，很容易裝載到Maxim的其它8051微控制器中。

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(lǐng)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(yīng)用包括：游戲、影印和公交等領(lǐng)域的禮品卡、安全卡以及房間鑰匙卡等。采用標(biāo)準(zhǔn)ISO格式時(shí)，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(yīng)用，被廣泛應(yīng)用于該領(lǐng)域。而且，磁卡價(jià)格低，比較可靠，不需要內(nèi)部供電，讀取相對方便。

本應(yīng)用筆記介紹怎樣使用DS5250安全微控制器實(shí)現(xiàn)和磁卡讀卡器的接口。之所以選擇DS5250，是因?yàn)樗哂虚_發(fā)常用讀卡設(shè)備(例如銷售終端POS等設(shè)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(wù)：把磁條磁通量解碼成比特流。DS5250管理頂層任務(wù)：將這些比特轉(zhuǎn)換成字符，讀取并驗(yàn)證數(shù)據(jù)。

硬件和軟件要求

硬件

本實(shí)例采用了DS5250評估(EV)板(B版)，進(jìn)行了以下改動：

• 去掉了端口0的上拉電阻(RN2)

實(shí)際應(yīng)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(gè)上拉電阻(大約10kΩ)
• 線性穩(wěn)壓器(能夠從5V電源產(chǎn)生3V至3.6V供電)
• 用于測試的磁卡(ATM卡、信用卡等)

關(guān)于這些磁卡的詳細(xì)信息，請參考下面的鏈接：

• MagTek關(guān)于Delta三磁道3V讀卡器ASIC的文檔：www.magtek.com/documentation/public/99875337-7.01.pdf
• MagTek關(guān)于磁卡磁道位置和格式的文檔： www.magtek.com/documentation/public/99800004-1.pdf
• MagTek磁卡數(shù)據(jù)的字符轉(zhuǎn)換表： www.magtek.com/documentation/public/99875065-4.pdf

軟件

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

應(yīng)用程序的詳細(xì)信息

下面幾節(jié)介紹實(shí)例應(yīng)用程序的實(shí)現(xiàn)。可以從Maxim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(gè)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(jī)微控制器驅(qū)動，逐位輸出卡的數(shù)據(jù)位，觸發(fā)復(fù)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(fù)位時(shí))，可以由主機(jī)微控制器驅(qū)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(biāo)準(zhǔn)端口引腳驅(qū)動。因此，以端口0 (該端口工作在開漏模式)替代，當(dāng)DS5250將引腳置為三態(tài)時(shí)，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(xì)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(dú)的線性穩(wěn)壓器(例如， MAX1658)對讀卡器供電。請參見圖1。


圖1. 實(shí)際應(yīng)用的連接

復(fù)位

首次上電后，主機(jī)微控制器在進(jìn)行讀卡之前必須復(fù)位讀卡器。每次進(jìn)行卡掃描之后，也必須按順序進(jìn)行復(fù)位，以清除內(nèi)部讀卡器ASIC的內(nèi)存，使讀卡器能夠準(zhǔn)備就緒。接收新的讀卡操作。

復(fù)位讀卡器時(shí)，主機(jī)微控制器(例如，本應(yīng)用筆記的DS5250)必須按照以下順序驅(qū)動STROBE和DATA (請參考MagTek文檔，了解確切的電壓電平和時(shí)序參數(shù))。

1. DATA和STROBE都以高電平(空閑)狀態(tài)開始。
2. 將DATA置為低電平。
3. 保持DATA為低電平，將STROBE驅(qū)動為低電平，然后再次驅(qū)動為高電平。
4. 再次驅(qū)動STROBE為低電平，隨后釋放DATA，使其能夠浮空至高電平。
5. 當(dāng)DATA浮空為高電平時(shí)，將STROBE驅(qū)動為低電平，然后再次驅(qū)動為高電平。在這一點(diǎn)，復(fù)位讀卡器，處于低功耗等待狀態(tài)。
6. 將STROBE驅(qū)動為低電平，然后再次驅(qū)動為高電平。對讀卡器進(jìn)行“配置”，使其能夠進(jìn)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(fù)位并進(jìn)行配置后，就可以進(jìn)行讀卡操作。讀卡時(shí)，MagTek讀卡器執(zhí)行一次完整的讀周期；不需要主控制器干預(yù)。卡的磁條中所有三個(gè)磁道A、B、C的全部內(nèi)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(jī)什么時(shí)候開始讀卡，什么時(shí)候完成讀卡。

1. 該周期以STROBE低電平和DATA浮空高電平(空閑狀態(tài))開始。
2. 當(dāng)讀卡器探測到磁條移過讀卡器探頭時(shí)，開始對卡進(jìn)行掃描。它將DATA線驅(qū)動為低電平，告訴主機(jī)開始讀卡操作。
3. 主機(jī)驅(qū)動STROBE為高電平，然后再變?yōu)榈碗娖剑龀鲰憫?yīng)。
4. 讀卡器將DATA再次驅(qū)動為高電平。
5. 一旦讀卡周期完成后，讀卡器再次將DATA驅(qū)動為低電平。這一操作告訴主機(jī)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.

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(qū)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(diǎn)，DS5250在同步輸出每一位數(shù)據(jù)時(shí)，將STROBE驅(qū)動為高電平，然后再驅(qū)動低電平，以順序讀出每一位卡數(shù)據(jù)。在STROBE驅(qū)動為高電平，然后再驅(qū)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(qū)動為高電平，第1位時(shí)將DATA驅(qū)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(dǎo)”位，指出讀卡器ASIC的版本。這些為并非卡的數(shù)據(jù)，應(yīng)用程序可以忽略它們。

磁道A譯碼

16位前導(dǎo)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(dāng)采用標(biāo)準(zhǔn)ISO格式進(jìn)行編碼時(shí)，磁道A含有76個(gè)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(shí)最低有效位(LSB)在前，最高位(即，第7位)是奇偶校驗(yàn)位，可用于驗(yàn)證卡數(shù)據(jù)的完整性。除去奇偶校驗(yàn)位，其余6位定義了64個(gè)字符中的某一個(gè)，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(yàn)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(gè)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(gè)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(jié)論

磁卡廣泛應(yīng)用于金融、接入控制、政府以及儲值等領(lǐng)域。通過加入一個(gè)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(nèi)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(nèi)的所有DS5250文檔，需要簽署保密協(xié)議(NDA)。而本應(yīng)用筆記及其源代碼都可以免費(fèi)提供，直接裝載到Maxim的任一8051微控制器中。