读卡头灵敏度 - 极具成本效益的磁卡读卡器设计

　　读卡头灵敏度：读卡头灵敏度取决于线圈匝数以及读卡头与磁条之间的间距。

　　由于所有这些参数的影响，信号幅度可能在几百个uV至几十个mV之间变化。这个范围可以用放大器进行补偿。但不能用固定增益放大器。当划卡速度很高，卡的质量又很好时，放大器输出可以饱和到电源轨电压。而当信号饱和时，用两个连续峰值之间的时间差代表的信息将丢失。因此如实地放大传感器信号、不至于使波形发生饱和或改变很重要。这就要求使用增益可配置的放大器，以便我们随时调整增益。要做到这一点，系统必须能够检测信号变弱的时刻。这可以用跟踪传感器信号的ADC寻找近似的信号峰值来实现。

　　图6显示了一个完整的系统。最好将放大电路做成两级，用ADC接收第一级电路的输出。这样就无需高分辨率ADC，8位ADC就足以满足这种应用需求。第一级可以是固定增益的放大器，也可以是可变增益放大器。第二级是可变增益放大器。CPU读取ADC结果，并通过调整增益使第二级放大器的信号输出达到最佳。第二级放大器的输出送到峰值检测器/磁滞比较器电路进行峰值检测。来自检测器的脉冲输出被馈送至定时器进行时间差测量，然后由CPU解码出1和0.

　　图6：磁卡读卡器框图

　　至此仍然存在增益更新之前是否有数据丢失的问题。为了避免这个问题，磁卡的两头会用前导零进行编码以实现同步（这样可以支持双向划卡）。这样做的目的是使解码器同步于划卡速度。举例来说，在磁道1中，共有约62个前导零。磁道1具有210个比特的数据密度。因此我们可以估算出划卡速度为5 IPS时前导零将持续约60ms时间，划卡速度为50 IPS时前导零将持续6ms.对另外两个磁道来说或多或少是相同的，如图7所示。在人为划卡时一开始就是50 IPS的划卡速度是不可能，因此系统具有比6ms长得多的时间来测量峰值并调整增益。图8显示了增益控制过程。

　　图7：磁卡中三个磁道的内容

　　需要注意的是，CPU在划卡期间可能会持续精细调整增益以适应变化的幅度。正常情况下，顺着划卡的方向，划卡速度会增加，从而增加信号幅度。注意，在使用以恒定速度划卡的自动划卡机时这个观点是不正确的。

　　图8：增益改变过程

　　实现磁卡读卡器

　　图9显示了基于赛普拉斯PSoC 1的双磁道磁卡读卡器实现方案。PSoC 1处理器具有与8位处理器内核集成在一起的可配置模拟和数字块，在单颗芯片上集成了所有的功能。需要注意的是，图中所示的无源器件是在处理器的外部。

　　图9：PSoC 1磁卡读卡器

　　由于传感器信号可能是负的，因此必须用直流进行偏置。在PSoC 1中，模拟信号可以以不同于电源地的地为参考。这个地被称为模拟地（AGND），输入信号被钳位到这个模拟地。信号随后用可编程增益放大器（PGA）进行两级放大。PGA是用连续时间模拟模块实现的。它具有一个电阻阵列，当配置为放大器时用于改变增益。增益可以被配置为1至48之间18个选项之一。 CY8C28243 PSoC 1集成了一个最大采样速率为150ksps的10位SAR ADC.

　　CPU读取ADC，然后控制放大器增益。放大后的信号送到磁滞比较器产生边沿接近信号峰值的数字信号。CPU随后必须调整放大器增益，使其阈值接近峰值但不超过峰值。这有助于避免磁卡发生抖动时出现定时误差。磁滞比较器输出则送到定时器进行脉冲宽度测量。CPU读取定时器输出，并解码为逻辑1或0的数据。当划卡结束时，CPU打包数据比特，检查是否有错误，然后通过I2C、SPI或UART接口将数据送给主机。