（物理电子学专业论文）三磁道磁卡读存器的设计.pdf

摘要 该系统是一款磁卡阅读存储器，根据用户要求解决了普通阅读器只能实时连接计算 机，不能单独使用的问题。而且针对作为特殊用途的磁卡，要求三道磁道都记录数据， 并且第三磁道记录格式与标准规定的记录格式不同时，系统配套的应用程序对其做了正 确译码、显示。 整个系统包括单片机控制的阅读存储器硬件部分，和配套使用的计算机界面应用程 序软件部分。其中硬件电路包括磁条译码芯片、外部存储器芯片、串口电平转换芯片等 等，所有的工作过程都是由单片机控制。我们这里选用紫外线擦除的8 7 c 5 2 单片机，电 路使用的集成电路芯片都是采用s m t 封装器件，极大缩小了读存器的体积，使用简单， 携带方便。 磁条译码芯片采用的是中青科技有限公司出品的m 3 2 3 0 0l qf 2 f 解码器集成电 路。该i c 实现了磁信号到电信号的转换。外部存储器则是使用的8 kb y t e s 的2 4 l c 6 5 集成芯片，扩展8 片，总容量达到8 8 k 。 m a x i m 公司出品的m a x 2 3 2 实现了单片机t t l 电平到r s 2 3 2 接口电平的转换， 从而与计算机串口实现硬件连接。 计算机界面显示程序采用当今使用最广的面向对象编程语言v i s u a lb a s i c6 0 版本 ( 以后简称v b ) ，并且使用v b 带有的串口通信控件m s c o m m ，通过设置其属性，使 其和下位机单片机协议保持一致，进而进行正确的串口通信。关于磁道上数据记录的译 码，则是通过对每条磁道上数据记录进行多次实验，认真分析，进而得到了各条磁道各 自的编码规则，按照其规则对其译码显示。这部分程序也是通过v b 编程语言实现的。 另外，计算机应用程序部分还实现了对下位机读存器的擦除控制。 关键词：磁卡，阅读存储器，单片机，串e l 通信，t r a c k 3 数据译码 a bs t r a c t t h es y s t e mi sam a g c a r dr e a d e ra n dm e m o r i z e r i ts o l v e dt h ep r o b l e mt h a tg e n e r a lr e a d e rc a no n l y r e a l t i m ea c c e s st oc o m p u t e r sb u ts h o u l dn o tb eu s e da l o n e a n dt h a t ，t oas p e c i a lp u r p o s e ，c a r d sn e e dt h e i r t h r e et r a c k sa l lr e c o r dd a t aa n dt h et h i r dt r a c kr e c o r d e dd a t af o r m a ti sn o ts a m e 弱o t h e rt w ot r a c k s s ot h e s y s t e mm u s tb es oa c c u r a t et r a n s l a t i o no f t h et h i r dt r a c k sd a t a t h ew h o l es y s t e mc o n s i s to f t h eh a r d w a r e t h a tb ec a l l e dr e a d e ra n dm e m o r i z e rw h i c hb ec o n t r o l l e db yt h es c m ( s i n g l e c h i pm i c r o - c o n t r o l l e r ) ，a n dt h e s o t a r et h a tc a nr e a da n dd i s p l a yi n f o r m a t i o no ft h em a g c a r d sw h i c hi n s t a l l e da tt h ep c t h eh a r d w a r e i n c l u d e st a p ec o d i n gc h i p ，e x t e r i o rm e m o r i e rc h i p ，s e r i a li n t e r f a c ec h i pa n do t h e r w i s e a l lt h e i rf u n c t i o n s a r ec o n t r o l l e db yt h es c m w ec h o s ep 8 7 c 5 2w h i c hp r o d u c e db yp h i l i p s 嬲t h em c u a n da l lt h ec h i p sw e u s e da l es m t p r o d u c t i o n i nt h i sw a y i tc a nb ea ss m a l l 雏p o s s i b l e t h em a g n e t i ct a p ec o d i n gc h i pw eh a v eu s e di sm 3 - 2 3 0 0l qf 2 fd e c o d e ro fz h o n gq i n g c o r p o r a t i o n t h i si cc a r r i e so u tt h et r a n s i t i o no fm a g n e t i cs i g n a lt oe l e c t r i cs i g n a l w eu s e d2 4 l c 6 5 笛 t h ee x t e r i o rm e m o r i e rc h i p w ec a ne x t e n d8p i e c e st oe n l a r g ei t sc a p a b i l i t yt o8 + 8 k t h em a n u f a c t u r em a x 2 3 2o fm a x i mc o r p o r a t i o nc a ns w i t c h 丌lt or s 2 3 2 s oa st oc o n n e c tt oc o m p o r t o f p c t h ea p p l i c a t i o nt od i s p l a yi nt h ep ci sp r o g r a m m e dw i t hm i c r o s o f tv i s u a lb a s i c6 o ( v bf o rs h o r t ) a n dw eu s e dm s c o m ma n ds e ti t sp r o p e r t i e st or e a l i z et h ec o m m u n i c a t i o n sb e t w e e ns c ma n dp c ，i ti sa s e r i a lc o m m u n i c a t i o nw i d g e to fv b c o n c e r n i n go f t h et r a n s l a t i o no f t h r e et r a c k sd a t a , w ef i n dt h e i r r e g u l a t i o nb ye x p e r i m e n ta n dh y p o t h e s i z et i m ea f t e rt i m e t h i sp a r ti sa l s op r o g r a m m e dw i t hv b o t h e r w i s ei tc a ne r a s et h ed a t ao ft h ee 2 p r o m k e yw o r d s ：m a g c a r d ，s t o r a g er e a d e r ，s i n g l c c h i p ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ，c o d i n go ft h et r a c k 3 i v 独创性声明和关于论文使用授权的说明 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得河南师范大学或其他教育机构的学位或证书 所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 虢j 毗嗍盟p 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河南师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权河南师 范大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 签名：蜂蜓导师签名：j 阻日期：呈丝乒笸：l 绪论 绪论 该磁卡阅读存储系统( 简称读存器) 设计初衷是某日商应用于港口到港商船的统计 工作。每只商船都持有一张记录有各自的基本信息的磁卡，船只到港后只需要将磁卡在 系统的卡槽中刷过，有正确提示信号后即可离开，若没有正确提示信号，则重新再刷。 此时磁卡上的记录数据已经被存储到该阅读存储器内，在读存器存满或是需要显示数据 的时候，将该读存器与计算机连接，使用配套的p c 机应用程序，就能在p c 机上显示 每张卡的记录数据。 当然，该读存器还可应用于上班或会议签到记录、商场会员活动等等场合。鉴于磁 卡的自身限制，磁卡记录的数据可以包括姓名、卡号或是其他字符或数字信息。 该系统硬件电路设计由该小组和硬件工程师合作完成，并交由专门单位制作出实验 电路板，实验成功后，制作出产品样机。硬件电路包括磁条译码芯片、外部存储器芯片、 串1 3 电平转换芯片等等。磁条译码芯片采用的是中青科技有限公司出品的m 3 - 2 3 0 0l q f 2 f 解码器集成电路。该i c 实现了磁信号到电信号的转换。外部存储器则是使用的8 k b y t e s 的2 4 l c 6 5 集成芯片，扩展8 片，总容量达到8 x 8 k 。m a x i m 公司出品的m a x 2 3 2 实现了单片机t t l 电平到r s 2 3 2 接口电平的转换，从而与计算机串口实现硬件连接。 软件部分( 包括单片机程序和p c 机应用程序) 则由该小组独立完成。 该系统采用c 5 1 系列单片机以及一些外围扩展器件，并通过串口与p c 机进行通信， p c 机界面应用程序则是采用当今使用最广的面向对象编程语言v i s u a lb a s i c6 0 版本( 以 后简称v b ) ，并且使用v b 带有的串口通信控件m s c o m m ，通过设置其属性，使其和 下位机单片机协议保持一致，进而进行正确的串口通信。关于磁道上数据记录的译码， 则是通过对每条磁道上数据记录进行多次实验，认真分析，进而得到了各条磁道各自的 编码规则，按照其规则对其译码显示。这部分程序也是通过v b 编程语言实现的。另外， 计算机应用程序部分还实现了对下位机读存器的擦除控制。 关于软硬件设计的过程将在下文中依次介绍。 第一章磁卡及阅读存储系统 第一章磁卡及阅读存储系统 1 1 磁卡的背景知识 磁卡的使用已经有很长的历史了。由于磁卡成本低廉，易于使用，便于管理，且具 有一定的安全特性，因此它的发展得到了很多世界知名公司，特别各国政府部门几十年 的鼎立支持，这使得磁卡的应用非常普及，遍布国民生活的方方面面。打电话可以用磁 卡，坐飞机检票可以用磁卡，股票市场也可以用磁卡，等等。 1 1 1 什么是磁卡 磁卡是一种磁记录介质卡片，它利用磁性载体记录了一些信息，用来标识身份或其 它用途。 磁卡由高强度、耐高温的塑料或纸质涂覆塑料制成，能防潮、耐磨且有一定的柔韧 性，携带方便、使用较为稳定可靠。通常，磁卡的一面印刷有说明提示性信息，如插卡 方向；另一面则有磁层或磁条，具有2 3 个磁道以记录有关信息数据。 ( 1 ) 磁卡分类 磁条型：一般抗磁力卡( 3 0 0 0 e ) 和高抗磁力卡( 3 5 0 0 0 e ) ： 直接涂印型：低抗磁力卡( 3 0 0 0 e ) ( 如：公园门票) 和高抗磁力卡( 2 7 0 0 0 e ) ( 如： 地铁卡、电话卡) 。 ( 2 ) 磁卡的物理结构及数据结构 磁卡是反面有黑色的磁条，反面磁条仅仅存蓄号码不存其它任何东西，因为磁卡号码 的唯一性，保证了不同用户的卡号不同。用磁卡实现会员管理的时候，会员储蓄金额、 积分、或者折扣等形式是通过软件实现。 一般而言，磁卡上的磁带有3 个磁道，分别为t r a c k l ，t r a c k 2 及t r a c k 3 。每个磁道 都记录着不同的信息，这些信息有着不同的应用。此外，也有一些应用系统的磁卡只使 用了两个磁道( t r a c k ) ，甚至只使用一个磁道。所以在设计使用磁卡时，根据具体情 况，可以使用全部的三个磁道或是二个或一个磁道。 三磁道磁卡读存器的设计 图1 1 是磁卡上的磁道位置的示意图，它是符合a n s i 及i s o i e c 标准的磁卡的物 理尺寸定义。这些尺寸的定义涉及磁卡读写机设计的标准化。因为如果对磁卡上t r a c k l ( 或t r a c k 2 或t r a c k 3 ) 进行数据编码时，其数据在磁条上的物理位置偏高或偏低了哪 怕几个毫米，则这些已编码的数据信息偏移到了另外的t r a c k 上了，所以我们有必要对 这些知识做以了解。 尾随0 区 t n d e k l t r a c k 2 t r s e k 3 引肄0 区( s t m s t n m e t ) 图l - 1 磁卡的磁道位置示意图 其中： t r a c k l ，2 ，3 的每个磁道宽度相同，大约在2 8 0m m ( 0 1 1 英寸) 左右，用于存放 用户的数据信息；相邻两个t r a c k 约有o 0 5m m ( o 0 2 英寸) 的间隙，用于区分相邻的两 个磁道；如果是应用3 个t r a c k 的磁卡，整个磁带宽度在1 0 2 9m i t t ( 0 4 0 5 英寸) 左右， 如果是应用2 个t r a c k 的磁卡，则是在6 3 5m m ( o 2 5 英寸) 左右。 实际上我们所接触看到的银行等磁卡上的磁带宽度会加宽l - 2 m m 左右，磁带总宽 度在1 2 1 3 m m 之间。 在磁带上，记录3 个有效磁道数据的起始数据位置和终结数据位置不是在磁带的边 缘，而是在磁带边缘向内缩减约7 4 4 m m ( 0 2 9 3 英寸) 为起始数据位置( 引导o 区) ；在 磁带边缘向内缩减约6 9 3 m m ( 0 2 7 3 英寸) 为终止数据位置( 尾随0 区) ；这些标准是为 了有效保护磁卡上的数据不易被丢失。因为磁卡边缘上的磁记录数据很容易因物理磨损 而被破坏。 ( 3 ) 磁道t r a c k si - _ 的标准定义 磁道t r a c k s 的应用分配一般是根据特殊的使用要求而定制的，比如银行系统、证券 系统、门禁控制系统、身份识别系统、驾驶员驾驶执照管理系统等等，都会对磁卡上的 磁卡1 | 的3 个t r a c k s 提出不同的应川格式要求。这里，我们将主要研讨符合国际流通的银 4 第一章磁卡及阅读存储系统 行财政应用系统的磁卡上的3 个t r a c k 的标准定义，这些定义也已经广泛适用于v i s a 信 用卡、m a s t e r c a r d 信用卡等。并且，该系统所适用的磁卡也是符合该标准格式要求的。 磁道t r a c k l ：它的数据标准制定最初是由“国际航空运输协会”i a t a ( i n t e r n a t i o n a l a i rt r a n s p o r t a t i o na s s o c i a t i o n ) 完成的。t r a c k l 上的数据和字母记录了航空运输中的自 动化信息，例如货物标签信息、交易信息、机票定票定座情况，等等。这些信息由专门 的磁卡读写机进行数据读写处理，并且在航空公司中有一套应用系统为此服务。应用系 统包含了一个数据库，所有这些磁卡的数据信息都可以在此找到记录。 磁道t r a c k 2 ：它的数据标准制定最初是由“美国银行家协会”a b a ( a m e r i c a n b a n k e r sa s s o c i a t i o n ) 完成的。该磁道上的信息已经被当今很多的银行系统所采用。它包 含了一些最基本的相关信息，例如卡的惟一识别号码、卡的有效期等。 磁道t r a c k 3 ：它的数据标准制定最初是由财政行业( t h f t ) 完成的。其主要应 用于一般的储蓄、货款和信用单位等那些需要经常对磁卡数据进行更改、重写的场合。 典型的应用包括现金售货机、预付费卡( 系统) 、借贷卡( 系统) 等等。这类的应用 很多都是处于“脱机”( o f f l i n e ) 的模式，即银行( 验证) 系统很难实时对磁卡上的数据 进行跟踪，表现为用户卡上磁道上t r a c k 3 的数据与银行( 验证) 系统所记录的当前数 据不同。 ( 4 ) 磁道上允许使用的数字和字符 磁卡上的3 个t r a c k 一般都是使用“位”( b i t ) 方式来编码的。根据数据所在的t r a c k 不同，5 b b i t 或7 个b i t 组成一个字节。 t r a c k l ：记录密度为2 1 0 b p i ；可以记录0 9 数字及a - - z 字母等；总共可以记录多 达7 9 个数字或字符( 包含起始结束符和校验符) ；每个字符( 一个字节) 由7 个b i t 组成。 由于t r a c k l 上的信息不仅可以用数字o 9 来表示，还能用字母a z 来表示信息， 因此t r a c k l 上信息一般记录了磁卡的使用类型、范围等一些“标记”性、“说明”性的信息。 例如t r a c k l 可以记录用户的姓名，卡的有效使用期限以及其他的一些“标记”信息。 t r a c k 2 ：记录密度为7 5 b p i ；可以记录0 - - 9 数字，不能记录a z 字符；总共可以 记录多达4 0 个数字( 包含起始结束符和校验符) ；每个数据( 一个字节) 由5 个b i t 组成。 t r a c k 3 ：记录密度为2 1 0 b p i ；可以记录0 - 一9 数字，不能记录a - - 一z 字母；总共可以 记录多达1 0 7 个数字或字符( 包含起始结束符和校验符) ；每个字符( 一个字节) 由5 个 b i t 组成。 三磁道磁膏读存器的设计 由于t r a c k 2 和3 上的信息只能用数字0 9 等来表示，不能用字母a - - 一z 来表示信 息，因此在t r a c k 2 、3 一般用以记录用户的账号信息或款项信息等等，当然还有一些使 用者所要求的特殊信息等。 在实际的应用开发中，如果我们希望在t r a c k 2 或3 中表示数字以外的信息，例如 “a b c ”等，一般应采用按照国际标准的a s c i i 表来映射。例如，要记录字母“a ，在t r a c k 2 或3 上时，则可以用“a ”的a s c i i 值“0 x 4 1 ”来表示。“0 x 4 1 可以在t r a c k 2 或是t r a c k 3 中用 两个数据来表示：“4 ”和“1 ”，即“0 1 0 1 ”和“0 0 0 1 ”。 在该系统中，为了增强信息的安全保密性，t r a c k 3 并不是按照上述的映射规则进行 映射的，这也是该系统的改进处之一。关于映射方法将在第三章详细说明。 ( 5 ) 磁卡的i s o 标准： 磁卡，特别是应用于银行系统的磁卡的一些i s o 标准分别为：i s 0 7 8 1 0 ，i s 0 7 8 11 1 至i s 0 7 8 1 1 6 ，i s 0 7 8 1 2 ，i s 0 7 8 1 3 以及i s o l 5 4 5 7 等等。 其中： i s 0 7 8 1 0 标准：制定了磁卡的物理特性等； i s 0 7 8 1 2 标准：制定了磁卡的记录技术标准； i s 0 7 8 11 1 标准：1 9 8 5 识别卡记录技术第1 部分：凸印规定了卡上凸印字符的要 求( 字符集、字体、字符间距和字符高度) 。 i s 0 7 8 11 2 标准：1 9 8 5 识别卡记录技术第2 部分：磁条规定了卡上磁条的特性、 编码技术和编码字符集。 i s 0 7 8 11 3 标准：1 9 8 5 识别卡记录技术第3 部分：i d 1 型卡上凸印字符的位置。 i s 0 7 8 11 4 标准：1 9 8 5 识别卡记录技术第4 部分：只读磁道的第1 、2 磁道位置。 i s 0 7 8 11 5 标准：1 9 8 5 识别卡记录技术第5 部分：读写磁道的第3 磁道位置。 i s 0 1 5 4 5 7 标准：制订了磁卡物理标准测试方式t r a c k 标准f 2 f 技术标准； ( 6 ) 磁卡的应用： 磁卡被广泛应用于金融、邮电、商业、交通、海关等领域。例如在商场购物、打电 话、海关港口出入管制等等，不一而足。现在人们遗失了钱包之后，往往担心的不是钱 包里的现金，而是各种用途的磁卡。 1 1 2 智能i c 卡与磁卡 i c 卡的外形与磁卡相似，它与磁卡的区别在于数据存储的媒体不同。磁卡是通过卡 6 第一章磁卡及阅读存储系统 上磁条的磁场变化来存储信息的，而i c 卡是通过嵌入卡中的电擦除式可编程只读存储 器集成电路芯片f e 2 p r o m ) 来存储数据信息的。虽然i c 卡具有存储容量大、安全保密性 好等优点，但是就成本方面而言，一张磁卡的售价只是一毛钱左右，芯片卡的成本将近 磁条卡的1 0 倍，所以在一些对数据量和安全性要求较低而需求量又很大的情况下，磁 卡比i c 卡更具有优越性。 2 0 世纪7 0 年代早期，带有磁条的信用卡在美国问世，极大的提高了信用卡购物时 的验证效率，一下子便受到零售商的青睐。美国的信用卡行业因此进入一个高速增长期。 有人问，目前路路续续问世的各种“智能i c 卡”会不会取代磁卡昵? 专家认为暂时是不 会的。他们指出，芯片型的智能卡只适用于某些特定的领域，与磁卡并不发生冲突。更 何况取代磁卡的终端设备投放代价高昂，谁也不会愿意这么做的。 1 2 三磁道磁卡读存器 1 2 1 磁卡数据的处理 计算机是磁卡应用系统中的数据存储与处理设备。由于计算机存储容量大，运算速 度快，使许多繁杂的数据处理工作变得方便、迅速、及时。计算机用于管理，可以大幅 度减轻各个行业事务工作者的劳动强度，提高工作效率，在某些方面还能完成手工无法 完成的工作。磁卡系统中数据处理技术的关键是数据处理技术。可以这样说凡是存在计 算机数据库管理的系统都可能涉及到磁卡设备。 磁卡阅读器是磁卡应用系统的采集设备，它可以快速准确地扑捉到磁卡表示的数据 信息，并将数据送给计算机处理。 在金融行业，作为金融交易卡的磁卡，一般配合强大、可靠的计算机网络系统使用， 金额、交易记录等信息，均保存在金融机构计算机的数据库中，用户所持的卡片只是提 供用户的账号等索引信息，便于在数据库中迅速找到用户数据。 1 2 2 三磁道阅读存储器 一般非金融卡将数据写在第二磁道，即便是金融行业所用的银行卡也只是用第一和 第二或是第二和第三磁道，所以一般的读卡器也是只读取第二磁道或是某两磁道数据信 息，而本文所用的磁卡三道都有数据信息，所以普通读卡器无法满足本文的用户要求。 7 三磁道磁卡读存器的设计 另外，由于磁卡储存信息量的限制，普通的磁卡阅读器是和计算机连机同步工作的， 由磁卡提供的用户信息，直接传送给计算机，计算机管理内部有关用户数据，对用户信 息进行处理。也就是说使用磁卡的应用系统需要有可靠的计算机系统和中央数据库的实 时支持。 所以普通的阅读器无法满足本文所提到的特殊要求。本文针对客户要求，设计并研 制出一款用于登记到港货轮信息的磁卡阅读储存器。该磁卡利用三条磁道分别记录某货 轮的三种信息，要求阅读器能够在没有交流电源的情况下采集并储存用户的磁卡信息， 而后在断电的情况下数据仍然保留，最后可以将数据传给计算机，计算机端应用程序可 以对读存器进行擦除和读取信息等操作。并对所读取到的二进制信息进行译码显示。 第二章总体框架设计 2 1 系统功能描述 第二章总体框架设计 磁卡，类似银行卡，反面有黑色的磁条。因为磁卡号码的唯一性，保证了不同用户 的卡号不同。不同于其他普通金融卡使用t r a c k l 、3 和t r a c k 2 、3 或是其他非金融卡使用 t r a c k 2 保存数据，本文使用的磁卡同时使用t r a c k l 、t r a c k 2 和t r a c k 3 存储数据，本文是针 对用户的这种特殊要求，设计并制作出一款三磁道磁卡阅读存储器，后文简称为读存器。 此读存器所要实现的功能及其工作流程如下描述： 系统启动后自动初始化，黄色电源指示灯和绿色工作指示灯亮，表示初始化结束， 可正常工作。如果系统启动后黄色电源等正常亮，但是绿色工作指示灯不亮，则按一下 复位按键即可，这时可以刷磁卡，系统将同时采集磁卡三条磁道的信息，如果只有其中 的一条或是两条磁道存有数据，而剩下的磁道没有数据，为了保证每张卡的数据格式统 一性，则同样采集全部磁道信息。 系统将采集到的数据信息保存到读存器内部存储器，并且每次采集并成功保存后绿 灯闪灭一次，作为操作成功的提示信号，这时方可继续采集下一张磁卡的信息。 系统工作，但六秒内无刷卡操作，系统将进入休眠省电状态，此时绿色工作指示灯 熄灭，电源指示灯仍然亮。此时刷卡无效。按下复位键，系统重新初始化，绿色工作指 示灯亮，可正常工作。若刷卡过程中，作为操作成功提示的绿色指示灯灭了，但是没有 再亮，则说明操作失败，按下复位按键，绿灯启亮后重新刷卡。 本读存器最多可读存3 0 0 张磁卡信息，若存储器存满再进行刷卡操作，则工作指示 灯不会闪灭，说明无法操作。用户可以随时将读存器通过串口和计算机连接，计算机通 过界面应用程序可以对读存器进行读取、显示数据和擦除读存器。 计算机界面程序，采用v i s u a lb a s i c6 0 编程软件编写，其人性化界面美观大方，操 作简单，可以读取读存器所采集的磁卡信息，并在显示界面上逐条分别显示t r a c k l 、t r a c k 2 和t r a c k 3 的内容。选择读取信息功能的时候，信息在传送过程中读存器绿灯会熄灭，等 到数据传输结束，绿色指示灯重新启亮。选择擦除功能时，读存器的绿色工作指示灯也 会熄灭，直到擦除读存器的存储器结木后，绿色指示灯重新启亮。义寸其具体实现过程后 q 三磁道磁卡读存器的设计 面章节详细介绍。 本系统不需要交流供电，只需要在电池盒内装入两节五号电池供电即可。具有功耗 小、操作简单、携带方便的优点，随时随地可以使用，并且断电后读存器内的数据信息 不会丢失。 本系统将根据客户要求用于港口的货轮登记，每个需要登记的货轮都拥有一张记载 有各自信息的不同编号的磁卡，当货轮到港后刷卡登记，其信息将被存入读存器。用户 随时将所存储的信息在计算机上显示出来。 2 2 系统分析和设计 2 2 1 系统分析 根据客户需求和对整个系统功能的描述，该系统采用5 1 系列单片机实现对整个工 作流程进行控制。 首先该系统要实现对磁卡信息的采集。我们知道，磁头的作用是进行磁电信号之间 的转换，磁头通电时，放大信号，当磁卡刷过时，将磁信号保留下来，传送给下一级芯 片。我们这里采用一款f 2 f 磁条解码芯片，将磁卡上的磁信号，通过磁头传送给解码 芯片，然后有解码芯片解码成数据电信号，并同时给出各个磁道的卡加载信号和各自的 数据时钟信号。普通读卡器仅对其中一条磁道或是两条磁道进行数据采集，这里需要注 意的是对三条磁道同时采集数据时的时序问题，所以我们这里使用单片机的频率要求和 对数据采集线的时钟控制显的尤为重要。 鉴于单片机的处理速度及内部数据存储器( r a m ) 空间限制，我们这里仅对数据进 行原始采集，而不对其做其他转换处理。采集的磁卡数据信息，我们按照t r a c k l 、t r a c k 2 和t r a c k 3 的顺序分别存储到不同的数据存储器地址空间内，而后单片机通过 2 c 总线传 输协议，将数据传送给外部e 2 p r o m 。由于我们选用的单片机没有专门的1 2 c 总线接口， 所以这里我们需要用软件对其传输协议进行定义。为了增大读存器存储磁卡信息的数 量，这里我们扩展8 片e 2 p r o m 芯片。单片机对这部分进行控制的时候，需要注意的是 1 2 c 协议的定义要准确无误，否则数据传输将无法正常进行。另外对于外部e 2 p r o m ， 我们要很清楚地划分每张磁卡的数据区域，以免数据覆盖、错乱或是丢失。 读存器与计算机之间的数据传输将计算机作为上位机，对读存器进行控制操作。读 存器要准确响应计算机对其的命令。因为计算机串行口为标准的r s 2 3 2 标准接口，与输 1 0 第二章总体框架设计 入、输出均采用t t l 电平的5 1 单片机在接口规范上不一致，因此需要从t t l 电平到 r s 2 3 2 接1 2 电平进行转换。作为下位机的读存器要正确识别由串口传送来的命令，并在 内部进行数据读取或是存储器擦除等功能操作。读取数据时，单片机控制外部e 2 p r o m 向串1 3 直接传送磁卡数据，执行擦除操作时，单片机将外部e 2 p r o m 空间全部写入默认 数据，将存储的磁卡信息覆盖。此时如果再收到读取数据的命令，传送给串口的数据将 是空白数据。所以这里需要客户谨慎操作。 作为上位机的计算机，需要配套的应用系统来完成接收数据、显示数据和擦除读存 器等功能。我们这里使用v i s u a lb a s i c6 0 面向对象的编程软件进行程序设计，编写出美 观大方、直观清晰、操作简单的人性化窗口界面。中文加英文的操作指示更是可以增大 客户应用人群。使用m i c r o s o f tc o n mc o n t r o l6 0 串口通信控件完成与下位机的控制及数 据传输并将采集到的数据进行处理，译码显示出其对应的字符或数据信息。这部分的重 难点在于对数据的译码翻译部分。 2 2 2 系统设计及主要技术指标 根据以上对整个系统的分析，本系统在很好的完成以上功能的前提下，考虑减小功 耗，节省资源，降低成本等因素，下面给出了其主要技术指标。 输入电压：5 v + 5 电源电流：1 5 0 m a 数据格式：( 磁卡t r a c k l 、t r a c k 2 、t r a c k 3 数据信息) t r a c k l ：数据记录密度2 1 0 b p i ，最多能写7 9 字； t r a c k 2 - 数据记录密度7 5 b p i ，最多能写4 0 字； t r a c k 3 ：数据记录密度2 1 0 b p i ，最多能写7 9 字( 注：磁道信息皆为i s 0 7 8 1 l 格式， 读卡自动识别i s o 、i b m 格式) 。 通讯格式：9 6 0 0 b p s ( 波特率) ，8 位( 数据长度) ，l 位( 停止位) 奇偶校验：无 划卡速度：2 0 8 0 c m s 2 3 关键子系统及其链接 本系统按照功能可分为数据采集f 系统、数据存储、读取子系统、数据传送子系统 三磁道磁卡读存器的设计 和数据显示子系统。其关系框图如图2 1 所示。 图2 - 1 关键于系统框图 其中数据采集子系统包括磁头、磁条译码芯片及其外围元器件和连线，数据存取子 系统包括外部e 2 p r o m 及其外围元器件和连线，数据传送系统采用的是完成t t l 电平 到r s 2 3 2 接口电平的转换功能的标准m a x 2 3 2 接口芯片。以上三部分子系统的工作与 连接均是由单片机软件控制完成的。而最后一部分数据显示系统则是由计算机应用程序 完成的。 2 4 单片机的选择及其各部分功能实现分配 2 4 1 单片机及其发展概况 ( 1 ) 单片机原理及特点 在通用微机中央处理器基础上，将输入输出( i o ) 接口电路、时钟电路以及一定 容量的存储器等部件集成在同一芯片上，再加上必要的外围器件，如晶体振荡器，就构 成了一个较为完整的计算机硬件系统。由于这类计算机系统的基本部件均集成在同一芯 片内，因此被称为单片微控制器( s i n g l e c h i p - m i c r oc o n t r o l l e r ，简称单片机) 或微控制 单元( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ，简称m c u ) 。 对于通用微处理器来说，其主要任务是数值计算和信息处理，对运算速度和存储容 量方面的要求是速度越快越好，容量越大越好，因此它沿着高速、大容量方向发展：字 长由8 位( 如8 0 8 5 处理器) 、1 6 位( 如8 0 8 6 、8 0 2 8 6 ) ，迅速向3 2 位( 如8 0 4 8 6 ) 、6 4 位( 如 p e n t i u m 系列c p u ，p e n t i u m 系列c p u 内部数据总线为3 2 位，对外数据总线为6 4 位， 因此p e m i u m 还不是真正意义上的6 4 位微处理器) 过渡。时钟信号的频率由最初的 4 7 7 m h z 向3 3 m h z 、6 6 m h z 、1 0 0 m h z 、2 0 0 m h z ，4 0 0 m h z 、6 0 0 m h z 、1 g h z 、2 g h z 甚至更高频率过渡。 单片机主要发展方向是不断强化控制功能( 即将更多的外围电路单元集成到c p u 内) 、低功耗( 以便电他供电) 、低成本( 例如在c p u 芯片内，按用途分别集成不同 的外围电路，形成系列化产品，这样既能满足不问应用领域的需要，又降低了成本) 。 第二章总体框架设计 单片机芯片作为控制系统的核心部件，它除了具备通用微机c p u 的数值计算功能 外，还必须具有灵活、强大的控制功能以便实时监测系统的输入量、控制系统的输出 量，实现自动控制。由于单片机主要面向工业控制，工作环境比较恶劣，如高温、强电 磁干扰，甚至含有腐蚀性气体，在太空中工作的单片机控制系统，还必须具有抗辐射能 力，因而决定了单片机c p u 与通用微机c p u 具有不同的技术特征和发展方向： 抗干扰性强，工作温度范围宽。 可靠性高。 控制功能往往很强，数值计算能力较差。 指令系统比通用微机系统简单。 更新换代速度比通用微处理器慢得多。 ( 2 ) 单片机技术现状及发展趋势 目前单片机芯片系列、品种、规格繁多。先后经历4 位机、8 位机、1 6 位机、新一 代8 位机、3 2 位机等几个有代表性的发展阶段。4 位机主要用于家用电器，如电视机、 空调机、洗衣机中。不过随着8 位机价格的下降，在家用电器中已开始大量采用8 位机， 以便在家用电器中采用一些新技术。如模糊控制、变频调速等，提高家用电器的智能化、 自动化程度，并尽可能降低系统的能耗。1 6 位机具有较强的数值运算能力和较快的反应 速度，常用在需要实时控制、实时处理的系统中，尽管1 6 位单片机进入市场已有十余 年，但一直未能取代8 位机成为主流产品，目前已被强化了控制接口功能的新一代8 位 机和数值运算能力极强的3 2 位机所取代。3 2 位机具有很强的数值计算能力，在图像处 理、机器人控制需求的刺激下，其销量也在迅速上升。在今后一段时期内，8 位、1 6 位 和3 2 位单片机芯片的销量可能会有不同程度的增长，但在目前，甚至今后5 年、1 0 年 时间内，8 位单片机，尤其是强化了控制接口功能的新一代8 仅单片机，如8 0 c 5 1 、 m c 6 8 h c l l 系列依然是单片机的主流产品。因此，在本系统中我们依然采用8 位单片机 作为整个系统的控制器。 8 位单片机先后经历丁三个发展阶段： 第一代8 位单片机系统( 如i n t e l 公司的m c s 4 8 系列) 功能较差，它实际上是8 位通用c p u 单元电路和基本i 0 接口电路、小容量存储器、中断控制系统的简单组合， 没有串行通讯功能，不带a d ( 模数) 、d a ( 数模) 转换器，中断控制和管理能力也 较弱。因此，它的应用范围受到了很大的限制。 三磁道磁卡读存器的设计 第二代8 位单片机的特点是通用性强，但个性还不突出，控制功能也有限，依然不 能满足不同应用领域、不同测控系统的要求。在2 0 世纪9 0 年代中后期，各大芯片厂商， 如i n t e l 、p h i l i p s 、m o t o r o l a 、t e m i cs e c o n d u c t o rt e c h n o l o g y 、m i c r o c h i p 等在第二代单片 机c p u 内核基础上，除了进一步强化原有功能( 如在串行口部件中增加帧错误侦测和 自动地址识别功能) 外，针对不同的应用领域，将不同功能、用途的外部接口电路嵌入 到第二代单片机c p u 内，形成了规格、品种繁多的新一代8 位单片机芯片，如i n t e l 、 p h i l i p s 、a t m e l 公司的8 x c 5 x 系列，m o t o r o l a 公司的6 8 h c 0 5 、6 8 h c ll 系列，m i c r oc h i p 公司的p i c l 6 系列等。 ( 3 ) 单片机的应用领域 击在智能仪表中的应用 在仪器、仪表中使用单片机，可明显增强功能，提高性能，减小重量和体积，使仪 器仪表数字化、微型化和智能化，提高它们的测量速度、测量精度和自动化程度。 o 单片机在机电一体化产品中的应用 机电一体化是机械工业发展的方向。机电一体化产品是指集机械技术、微电子技术、 计算机技术和控制技术与一体，具有智能化特征的机电产品。钢如，微机控制的数控机 床、机器人等。单片机作为机电产品中的控制器，能充分发挥它的体积小、可靠性高、 功能强等优点，大大提高了机器的自动化、智能化程度。 o 单片机在过程控制中的应用 过程控制是微型机应用最多、最有效的方面之一，单片机广泛地用于过程控制。它 既可以作为主机控制，也可以作为分布式控制系统的前端机，对现成的信息进行实时的 测量和控制。单片机可用于开关量控制、顺序控制及逻辑控制等。 西单片机在计算机网络及通信中的应用 高性能单片机中集成有s d l c 通信接口，因而使其在计算机网络及通信设备中得到 了广泛的应用。 2 4 2 本系统选用p 8 7 c 5 2 单片机 目前市场上的单片机种类繁多，其技术指标各不相同，因此针对不同工程的具体要 求也不尽相同。根据需要，本系统对单片机的性能要求为：速度要求一般( 2 4 m h z ) ， 内部程序存储器8 k 足够，因为每次一张卡，根据一张卡内的数据信息，内部数据存储 1 4 第二章总体框架设计 器2 5 6b y t e s 就能够满足需求。需要有至少两个中断源，至少1 0 个双向的i o 接口，工 作电压为+ 5 v 。因为该系统执行的低端控制，所以选用汇编语言对其进行程序编写，一 般选用采用标准的m c s 5 1 内核和指令系统的单片机。 p 8 7 c 5 2 是p h l i p s 公司m c s - 5 1 系列单片机中基本的产品，它采用p h l i p s 公司可靠 的c h m o s 工艺技术制造的高性能8 位单片机，属于标准的m c s 5 1 的h c m o s 产品。 它结合了h m o s 的高速和高密度技术及c h m o s 的低功耗特征，标准m c s 5 1 单片机 体系结构和指令系统。p 8 7 c 5 2 内置8 位中央处理单元、2 5 6 字节内部数据存储器r a m 、 8 k 片内程序存储器( e p r o m ) 、3 2 个双向输入输出( i o ) 口、3 个1 6 位定时计数器和 5 个两级中断结构、一个全双工串行通信口、片内时钟振荡电路。此外，p 8 7 c 5 2 还可工 作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。在空闲模式下冻结c p u 而r a m 定时器、串行口和中断系统维持其功能。掉电模式下，保存r a m 数据，时钟振荡停止， 同时停止芯片内其它功能。p 8 7 c 5 2 有p d i p ( 4 0 p i n ) 和p l c c ( 4 4 p i n ) 两种封装形式。 主要功能特性： 标准m c s 5 1 内核和指令系统 + 5 0 v 工作电压 时钟频率3 5 1 2 2 4 3 3 m h z 改进型快速编程脉冲算法 片内8 k r o m ( 可扩充6 4 k b 外部存储器) 2 5 6 8 b i t 内部r a m ( 可扩充6 4 k b 外部存储器) 3 2 个双向i o 口 3 个1 6 位可编程定时计数器 向上或向下定时计数器 全双工串行通信口 布尔处理器 帧错误侦测 4 层优先级中断结构 6 个中断源 自动地址识别 兼容t t l 和c m o s 逻辑电平 三磁道磁告读存器的设计 空闲和掉电节省模式 p d i p ( 4 0 ) 和p l c c ( 4 4 ) 封装形式 为了节省空间，我们采用的是p l c c ( 4 4 ) 封装形式。在前期实验测试阶段，我们采 用可擦除的p d i p ( 4 0 ) 封装形式的p 8 9 c 5 2 ，其内部特性和p 8 7 c 5 2 基本一致，所以程序代 码可以通用。 6 第三章系统硬件架构爱软件设计 第三章系统硬件架构及软件设计 3 1 数据采集子系统 3 1 1 硬件器件的选用 磁卡数据的读出是将磁轨上的磁信号转变成电信号，通过二进制编码转化成二进制 信号，最后将二进制信号转变成源信号。实际操作是