磁卡的工作原理

磁卡工作原理

一．磁学的基本概念

按照电磁学理论，可把磁性体假定是由许多非常细小的磁畴所构成的。磁畴的体积很小，较大的磁畴只有 10-7 ～ 10-3cm ，每一个磁畴包含有 1012 ～ 1015 个分子，本身有南极和北极，相当于一块小小的永久磁铁。磁性体在未经磁化的情况下，这些磁畴的排列是杂乱无章的，这时，彼此的磁性互相抵消，就整体来说，对外并不显示磁性。如果我们使磁性体外面的线圈通上电流，磁性体由于处于磁场内，磁畴受到磁化力的影响，就产生一种趋向于统一排列的趋势，如外部磁化力不够强，磁畴排列的方面还不能完全一致，彼此互相抵消磁力的现象不能完全消除，磁性体对外所显示的磁性还不能达到最大值。如果使用磁性体磁化强度再增加，磁畴的排列就更趋整齐，这时磁性体的磁性达到最大值。此后，尽管再增加线圈的电流，磁性体也不会有更大的磁性。换句话说，磁性体在此时的磁力线已经达到饱和的程度。当外界的磁场消失，磁性体磁畴的排列仍保持整齐的状态，这就是永久磁体。

1.磁场、磁力线、磁通、磁感应强度

（1）磁场是存在于磁体、电流和运动电荷周围空间的一种特殊形态的物质。

磁场的基本特性是对处于其中的磁体、电流和运动电荷有磁场力的作用。

磁场的来源是永久磁体、电流、运动电荷。

（2）磁力线是一种对磁场的情况假想的形象描述。磁力线的方向与指南针 N 极所指的方向一致，通过磁场内某一截面积的磁力线总数叫磁通，用 φ 表示，单位为韦（ Wb ）。

通过与磁力线垂直方向的单位面积的磁力线数目叫磁力线的密度，也叫磁通密度或磁感应强度，用 B 表示，单位为特（ T ）。

2.磁场强度和磁导率

磁通、磁感应强度皆因介质而异。为了定义一个与介质无关的量，把真空中的磁感应叫做磁化力或磁场强度，用 H 表示，单位为安每米（ A ／ m ）。 B 与 H 的比值叫磁导率，用 μ 表示，即 μ ＝ B ／ H 。

实验证明：空气的 μ ＝ 1 ；铁磁材料（铁、坡莫合金等）的 μ 可达几千或几万。

3.磁滞回线

在各种磁介质中，最重要的是以铁为代表的一类磁性很强的物质，它们叫铁磁体。在铁磁材料中，磁导率 μ 不是常数，它随 H 而变，也因原来的磁化情况而异。在磁场中，铁磁体的磁感应强度与磁场强度的关系可用曲线来表示，当磁化磁场作周期的变化时，铁磁体中的磁感应强度与磁场强度的关系是一条闭合线，这条闭合线叫做磁滞回线。

每一种铁磁材料各有不同的磁滞回线，磁滞回线是研究铁磁材料磁特性的基础。

二、磁卡记录原理

记录磁头由内有空隙的环形铁芯和绕在铁芯上的线图构成。磁卡是由一定材料的片基和均匀地涂布在片基上面的微粒磁性材料制成的。在记录时，磁卡的磁性面以一定的速度移动，或记录磁头以一定的速度移动，并分别和记录磁头的空隙或磁性面相接触。磁头的线圈一旦通上电流，空隙处就产生与电流成比例的磁场，于是磁卡与空隙接触部分的磁性体就被磁化。如果记录信号电流随时间而变化，则当磁卡上的磁性体通过空隙时（因为磁卡或磁头是移动的），便随着电流的变化而不同程度地被磁化。磁卡被磁化之后，离开空隙的磁卡磁性层就留下相应于电流变化的剩磁。

如果电流信号（或者说磁场强度）按正弦规律变化，那么磁卡上的剩余磁通也同样按正弦规律变化。当电流为正时，就引起一个从左到右（从 N 到 S）的磁极性；当电流反向时，磁极性也跟着反向。其最后结果可以看作磁卡上从 N 到 S 再返回到 N 的一个波长，也可以看作是同极性相接的两块磁棒。这是在某种程度上简化的结果，然而，必须记住的是，剩磁 Br 是按正弦变化的。当信号电流最大时，纵向磁通密度也达到最大。记录信号就以正弦变化的剩磁形式记录，贮存在磁卡上。

三、磁卡工作原理

磁卡上面剩余磁感应强度 Br 在磁卡工作过程中起着决定性的作用。磁卡以一定的速度通过装有线圈的工作磁头，磁卡的的外部磁力线切割线圈，在线圈中产生感应电动势，从而传输了被记录的信号。当然，也要求在磁卡工作中被记录信号有较宽的频率响应、较小的失真和较高的输出电平。

一根很细的金属直线可以作为一个简单的重放设备。金属直线与磁卡紧贴，方向垂直于磁卡运行方向，磁卡运行时，金属直线切割磁力线而产生感应电动势，电动势的大小与切割的磁力线成正比。当磁卡的运行速度保持不变时，金属直线的感应电动势与磁卡表面剩余磁感应强度成正比，而导体中的感应电动势可由下式表示：

e=BrWv 式中 Br －表面剩余磁感应强度；

W －记录道迹的宽度；

v －重放时磁卡的运行速度。

在 Br=2πf/vφrmcos2πft 的情况下，综合 Br 和 e 的关系式，得到 e=2πfWφrmcos2πft 。 当然，用一根金属线作磁卡工作设备，由于输出很小，故而是不实用的。

而磁头是用高导磁系数的软磁材料制成的铁芯，上面缠有绕组线圈，磁头前面有一条很窄的缝隙，这时进入工作磁头的磁卡磁通量而言，可以看作是两个并联的有效磁阻，即空隙的磁阻和磁头铁芯的磁阻。因为空隙的有效磁阻远大于工作磁头铁芯的磁阻，所以磁卡上磁通量的绝大部分输入到磁头铁芯，并与工作磁头上线圈绕组发生交连，因而感应出电动势，在这种情况下，单根金属重放线所得到的感应电动势公式完全适用于环形磁卡工作磁头，只是比例系数不同而已。

设 N 为线圈的匝数， m 为与工作磁头铁芯的大小和磁性有关的系数，则环形工作磁头绕组中所产生的感应电动势为：e=2πfWmNφrmcos2πft

因为在工作磁绕组中所感应的电动势正比于磁通的变化率，即电动势 e ∝ By ∝ 频率 f 。在记录时 i=Isinwt ，纵向剩磁密度 Bx ∝ i （传递曲线的直线部分），所以， Bx=K1Isinwt 。由于 By ∝ dbx/dt,e ∝ By ，所以， e=K2Iwcoswt 。这里的 K2 取决于工作磁头的效率、匝数、磁带材料等。这些公式还表明：输出电压正比记录电流；输出电压正比于信号频率；输出电压得到 90°的相应变化（即由正弦项改变到余弦项）。

对于准备采用高抗磁条的银行或其它机构，其有关设备需相应地调整：

>>> 写磁设备

·使用如 DC9000 和 DC15000 打卡设备的个人化中心只需根据高抗磁条的要求，调整软件的设置即可。

·早期的打卡设备可能需要进行设备升级或更换高抗写磁头。

·可供持卡人选择 PIN 号码的写磁设备必需升级或更换为高抗写磁头

年度

总读、写磁失误率

磁道失误

高抗磁条卡比例

1993

17.8%

无统计数据

0%

1994

18.0%

3.60%

0%

1995

8.4%

3.20%

40%

1996

6.4%

1.80%

70%

>>> 读磁设备

·读磁设备的 POS 不必变动

·在线自动提款机不必变动

·专营脱机自动提款机必需升级为擦磁及写磁双磁头，以供擦 / 写第三磁道。

有关实施高抗磁条的硬件方面的调整，请直接同您的设备供应商联系，以获取更详细、更全面的信息。

磁条的颜色与性能

磁条制造商可根据市场需求供应多种颜色的磁条，如金、银、红、绿、蓝、褐、黑等。磁条呈现不同颜色的原因是，在标准磁条的保护层涂上所需颜色造成的。目前，符合标准的读磁、写磁设备可以对不同颜色的磁条进行读磁、写磁，因此磁条颜色并不影响正常读磁、写磁。通常低抗磁条的颜色为褐色，高抗磁条的颜色为黑色，以方便使用者（包括制卡商和发卡商）在生产、贮存等过程中从颜色上区分低抗和高抗磁条。

磁条能否正常进行读磁、写磁主要与电磁性能有密切关系，包括饱和曲线斜率、信号幅度、分辨率、冒脉冲及可抹除性。 磁条由 3 个磁道组成：字母数字磁道 -- 第 1 磁道；数字磁道 -- 第 2 磁道；读写磁道 -- 第 3 磁道，其质量好坏的标志主要是由信号幅度、冒脉冲及可抹除性组成，按照国家和国际标准，衡量信号幅度、冒脉冲及可抹除性的指标是一个相对比值的数据。

（1）信号幅度：分为平均信号幅度和单个信号幅度。平均信号幅度表示在普通的磁卡读写机具上，当以一定的记录电流在卡上写信息时，当幅度偏低未达到标准规定时，就会出现应该写上信息的位置并没有写上信息，造成数据丢失，对磁卡的可靠性影响较大；单个信号辐度表示当卡上的磁条受到污染或划伤造成磁性介质脱落，因而导致信息记录失败。

（2）冒脉冲：表示磁条本身的静态磁性能未达到要求（磁层表面粗糙及磁层薄等）或读卡机具对噪声的灵敏度较高时，原来在磁条没有记录信息的地方却读出了信息。

（3）可抹除性：表示当做刷卡动作时，应被删除信息的位置，信息并未被删除。如果磁条信号辐度达不到标准，则可能无法正常读磁、写磁，影响磁卡的可靠性，而磁条冒脉冲及可抹除性达不到标准，可能使用户无法正常使用磁卡。

磁条的标准与矫顽磁力

低抗磁条依据的国际最新版本标准是 ISO/IEC 7811/2 1995 ，国家标准是 GB/T 15120.2-94 （等同于国际标准ISO7811/2-1985 中的《识别卡记录技术 第 2 部分：磁条》）。高抗磁条依据的国际标准是 ISO/IEC 7811-6 1995 。虽然低抗磁条的矫顽磁力（以 Oe 为度量单位）范围在 250～700 Oe 就可满足 ISO7811/2 及国家标准的要求，但是全世界使用低抗磁条的银行卡或票据磁带绝大多数都采用 290～340 Oe 的，而且它已成为行业惯用标准；范围在 500～700 Oe 的磁条，特别是 650 Oe 的磁条主要在日本应用。客户如选择非行业惯用标准的磁条，则可能会引起写磁设备不兼容或需要调整等问题，例如，银行或其它机构的写磁设备在对 500～700 Oe 的低抗磁条写磁时，如果打卡设备（如 DC7000 等）可对高抗磁条进行写磁，则兼容；反之则不兼容或需进行调整。但在读磁方面， 500～700 Oe 磁条可与现有读磁设备兼容。

高抗磁条的矫顽磁力范围在 2500～4000 Oe 也符合 ISO/IEC 7811-6 的标准。使用高抗磁条的银行卡大多采用 2750 Oe 的磁条，而 4000 Oe 的高抗磁条主要应用在门禁及识别系统。从理论上讲，磁条矫顽磁力越高，其抵抗意外擦磁能力就越强，就更值得选择使用，但在实际使用过程中还需结合其它因素来综合考虑。例如，高抗磁条有 4000 Oe ，甚至还有高于 4000 Oe 的，但是 ISO/IEC 、 VISA 、 Master-Card 等国际信用卡组织却一致认为，银行卡选用 2750 Oe 的高抗磁条最为适宜。根据充足的测试结果表明， 2750 Oe 的磁条即足以防止意处擦磁，又比较容易读写，它与 4000 Oe 的高抗磁条相比，在使用过程中更具有安全性、可靠性及稳定性等多方面优势。相反， 4000 Oe 的高抗磁条则可能会引起写磁困难及产生过大的噪声影响其安全性或引起读磁失误。

记录信息时,磁卡的磁性面以一定的速度移动,磁性面与记录磁头的空隙接触.磁头的线圈一点通以数据信号电流,就在环形铁心的空隙处产生随电流变化的磁场,磁卡通过便被不同程度的磁化了.离开空隙时,磁卡的磁性的磁性层就留下相应于电流变化的磁信号.数据就这样被记录在磁卡上了.

读取磁卡的信息则是一个相反的过程.

原理就是要把磁卡事先存到档案里，然后读卡器会识别你的卡，验证后发出电流使门上的磁铁变成同级的用到异性相吸，同性相斥的原理，啊至于密码应该是识别身份的验证码

电信号转为磁信号，磁信号记忆，用时再由磁信号转为电信号。

过大的噪声影响其安全性

电磁原理

IC卡 (Integrated Circuit Card，集成电路卡)是继磁卡之后出现的又一种新型信息工具。IC卡在有些国家和地区也称智能卡(smart card)、智慧卡(intelligent card)、微电路卡(microcircuit card)或微芯片卡等。它是将一个微电子芯片嵌入符合ISO 7816标准的卡基中，做成卡片形式；已经十分广泛地应用于包括金融、交通、社保等很多领域。

IC卡读写器是IC卡与应用系统间的桥梁，在ISO国际标准中称之为接口设备IFD(Interface Device)。IFD内的CPU通过一个接口电路与IC卡相连并进行通信。IC卡接口电路是IC卡读写器中至关重要的部分，根据实际应用系统的不同，可选择并行通信、半双工串行通信和I2C通信等不同的IC卡读写芯片。

非接触式IC卡简介又称射频卡，成功地解决了无源（卡中无电源）和免接触这一难题，是电子器件领域的一大突破。主要用于公交、轮渡、地铁的自动收费系统，也应用在门禁管理、身份证明和电子钱包。

……

ic卡原理:ic卡工作的基本原理是：射频读写器向IC卡发一组固定频率的电磁波，卡片内有一个IC串联协振电路，其频率与读写器发射的频率相同，这样在电磁波激励下，LC协振电路产生共振，从而使电容内有了电荷；在这个电荷的另一端，接有一个单向导通的电子泵，将电容内的电荷送到另一个电容内存储，当所积累的电荷达到2V时，此电容可作为电源为其它电路提供工作电压，将卡内数据发射出去或接受读写器的数据。

接触式IC卡接口技术原理

IC卡读写器要能读写符合ISO7816标准的IC卡。IC卡接口电路作为IC卡与IFD内的CPU进行通信的唯一通道，为保证通信和数据交换的安全与可靠，其产生的电信号必须满足下面的特定要求。

1.1 完成IC卡插入与退出的识别操作

IC卡接口电路对IC卡插入与退出的识别，即卡的激活和释放，有很严格的时序要求。如果不能满足相应的要求，IC卡就不能正常进行操作；严重时将损坏IC卡或IC卡读写器。

(1)激活过程

为启动对卡的操作，接口电路应按图1所示顺序激活电路：

◇RST处于L状态；

◇根据所选择卡的类型，对VCC加电A类或B类，

◇VPP上升为空闲状态；

◇接口电路的I/O应置于接收状态；

◇向IC卡的CLK提供时钟信号(A类卡1～5MHz，B类卡1～4MHz)。

在t"a时间对IC卡的CLK加时钟信号。I/O线路应在时钟信号加于CLK的200个时钟周期(ta)内被置于高阻状态Z(ta 时间在t"a之后)。时钟加于CLK后，保持RST为状态L至少400周期(tb)使卡复位(tb在t"a之后)。在时间t"b，RST被置于状态H。I/O上的应答应在RST上信号上升沿之后的400~40 000个时钟周期(tc)内开始(tc在t"b之后)。

在RST处于状态H的情况下，如果应答信号在40 000个时钟周期内仍未开始，RST上的信号将返回到状态L，且IC卡接口电路按照图2所示对IC卡产生释放。

(2)释放过程

当信息交换结束或失败时(例如，无卡响应或卡被移出)，接口电路应按图2所示时序释放电路：

◇RST应置为状态L；

◇CLK应置为状态L(除非时钟已在状态L上停止)；

◇VPP应释放(如果它已被激活)；

◇I/O应置为状态A(在td时间内没有具体定义)；

◇VCC应释放。

1.2 通过触点向卡提供稳定的电源

IC卡接口电路应能在表1规定的电压范围内，向IC卡提供相应稳定的电流。

1.3 通过触点向卡提供稳定的时钟

IC卡接口电路向卡提供时钟信号。时钟信号的实际频率范围在复位应答期间，应在以下范围内：A类卡，时钟应在1～5MHz；B类卡，时钟应在1～4MHz。

复位后，由收到的ATR(复位应答)信号中的F(时钟频率变换因子)和D(比特率调整因子)来确定。

时钟信号的工作周期应为稳定操作期间周期的40%～60%。当频率从一个值转换到另一个值时，应注意保证没有比短周期的40%更短的脉冲。