Магнитные карты и ПК

В частном случае магнитных карт или билетов величина напряженности Н_с, соответствующая используемому в них материалу, напрямую обуславливает их устойчивость к случайному стиранию, которое могут вызвать предметы, намагниченные в той или иной степени. Такое стирание, по некоторым источникам информации, зафиксировано во многих случаях замены неисправных банковских карт! Тем не менее существует и негативная сторона — имеется в виду сложность изготовления таких плёнок с высокой коэрцитивной силой и записи на них информации. В то же время считывание информации с них практически не вызывает никаких проблем. Хотя единицей СИ магнитного поля является ампер на метр (А/м), но напряженность магнитного поля материала практически всегда выражается в эрстедах (Э). Этой старой единице, официально не используемой, отдают предпочтение многие физики, которые находят, что ею проще манипулировать. Соотношение между двумя системами:

1 Э = 79,618 А/м или 1 А/м = 0,01256 Э.

Учитывая все вышесказанное, приведем несколько примеров, иллюстрирующих величину коэрцитивной силы различных материалов. У наиболее распространенных магнитных покрытий на базе окислов железа эта величина составляет около 300 Э. Что касается магнитомягких материалов (LoCo), в частности, ферритов, из которых изготавливают сердечники записывающих головок, то у них величина Н_с колеблется в диапазоне между 0,004 и 12 Э. Они легко размагничиваются, причем чаще всего самопроизвольно от простого контакта с записанной дорожкой. Магнитотвердые материалы (HiCo), применяемые особенно для изготовления постоянных магнитов, могут иметь напряженность Н_с в пределах от 125 до 40000 Э.

Тем не менее в домашних условиях редко встречаются магниты, напряженность которых превышает 2500 Э. При этом максимальное теоретическое значение напряженности магнитного поля магнитов, изготовленных из феррита бария, высококачественного и тем не менее широко применяемого материала, равно 4650 Э.

Величина Н_с у магнитных покрытий типа HiCo, выпускаемых некоторыми изготовителями, может достигать 4000 Э, однако наиболее широко принятое значение составляет 2750 Э.

На основании выше изложенного приходим к следующим выводам:

• даже широкоприменяемые материалы магнитных дорожек относятся к категории магнитотвердых материалов (HiCo), то есть к категории постоянных магнитов;

• дорожку с невысокой напряженностью Н_с (из магнитомягкого материала LoCo) легко стереть при помощи простого контакта с любым намагниченным предметом, например с намагниченной кнопкой или мебельным магнитом и даже с записанной дорожкой HiCo;

• дорожка HiCo не боится близко расположенных к ней слабых обычных магнитов, однако, может быть стерта сильными магнитами, которые можно встретить, скажем, в некоторых электрических двигателях или в громкоговорителях.

Эмпирически дорожку HiCo не трудно распознать по ее насыщенному темному цвету, тогда как дорожки из магнитомягкого материала (LoCo) имеют легкий оттенок ржавчины, что совершенно естественно для окислов железа.

Следует обратить внимание, что встречаются плёнки с покрытием из окислов хрома очень темного цвета, но и аудио- и видеокассеты, использующие этот материал, не принадлежат к типу HiCo. Что касается дорожек, окрашенных с помощью пигментов или покрытых декоративным слоем, то оценить их тип (коэрцитивную силу Н_с) можно только с помощью стирания или записи. Как правило, все манипуляции, описанные в данной книге, проще выполнять с картами типа LoCo, хотя разработанные нами схемы вполне в состоянии работать с дорожками, коэрцитивная сила которых достигает 2750 Э.

ГОЛОВКИ СЧИТЫВАНИЯ И ЗАПИСИ

Двумя чрезвычайно важными характеристиками любой магнитной головки считаются ширина и высота воздушного зазора. При этом ширина фиксирует длину дорожки, которая может быть намагничена за данный период времени, а следовательно, при определенной скорости прохождения она определяет возможную плотность записи.

Хорошо известно из техники аудиозаписи, насколько узок должен быть воздушный зазор головки (рис. 1.9), чтобы обеспечить необходимую для нормального качества воспроизведения ширину полосы пропускания, и насколько низкой должна быть скорость движения ленты для обеспечения стандартной длительности записи.

Рис 1.9. Вид воздушного зазора магнитной головки через микроскоп (увеличено в 50 раз)

В табл. 1.1 приведены характеристики воздушного зазора, принятые для наиболее широко распространенных приложений.

Таблица 1.1. Характеристики ширины воздушного зазора головок для различных приложений

Однако приведенные выше цифры не должны рассматриваться как обязательные величины. Так, для схем, описанных в данной книге, нам удалось получить хорошие результаты записи с помощью магнитных головок, воздушный зазор которых достигал 120 мкм (то есть 0,12 мм), а для считывания использовались обыкновенные головки от кассетного магнитофона. Что касается высоты воздушного зазора, то она находится в прямой зависимости от ширины записываемой или считываемой дорожки.

Несмотря на то что логично задавать высоту воздушною зазора записывающей (или универсальной записывающей/считывающей) головки практически равной ширине дорожке, обычно используют считывающие головки с зазором существенно меньшей высоты и выровненным приблизительно по центру дорожки. И хотя в таком случае имеет место некоторое уменьшение амплитуды восстанавливаемого сигнала, зато значительно расширяется допуск на позиционирование и практически исчезает риск, связанный с перескакиванием на соседние дорожки. Не говоря уже о стандартах, можем констатировать, что ширина большинства дорожек магнитных билетов и карт близка к 2,8 мм, хотя можно часто встретить и более широкие дорожки (например, у билетов в метро).

Рекомендуемая высота воздушного зазора для считывающей головки составляет 1–2 мм, что сопоставимо с величиной в 1,4 мм монофонических головок кассетных магнитофонов (использующих полосу шириной 3,8 мм). Поэтому их можно прекрасно использовать, для создания экспериментальных считывающих устройств магнитных карт, естественно, при условии, что с них снят направляющий ограничитель. Что касается монофонических головок двухдорожечных катушечных магнитофонов (лента 6,3 мм), то у них воздушный зазор составляет 2,3 мм, что немного превышает ширину дорожки распространенных магнитных карт. Если производить предварительное стирание карт с помощью постоянного магнита, то такие головки можно вполне использовать для записи. Следует воздерживаться от применения стереофонических головок, расположение и высота двух воздушных зазоров которых сильно отличаются от аналогичных параметров головок двухдорожечных считывающих устройств для карт.

Стирающие головки также пригодны, но только для стирания информации карт, поскольку их воздушный зазор значительно шире требуемого, иногда даже вдвое.

Активное сопротивление головок зависит от числа витков обмотки, которое должно быть достаточным, чтобы обеспечить качественное преобразование электрических сигналов в магнитный поток и наоборот. Приемлемой может считаться величина от 200 до 500 Ом, хотя нам удалось получить также неплохие результаты с помощью несколько необычной головки с сопротивлением 2700 Ом.

С точки зрения намагничивания наиболее требовательными необходимо быть к головкам, предназначенным для записи. Для качественной двоичной записи, ведущейся до насыщения, нужно, чтобы в головке циркулировали токи, значительно превосходящие токи, которые используются в аудиозаписи.

В случае записи HiCo нередко приходится превышать значение тока в 50 мА (в случае LoCo обычно достаточно 1–2 мА), в то время как ток записи, используемый в аудиомагнитофонах, часто составляет порядка нескольких десятков мкА. Естественно, необходимо, чтобы головка была в состоянии выдерживать такую перегрузку без вхождения ее сердечника в состояние насыщения.

Понятие насыщения иллюстрируется на рис. 1.10. Индукция насыщения B_s достигается, когда поле в материале больше не в состоянии увеличиваться, даже если значение напряженности поля Н продолжает возрастать. Поскольку Н пропорциональна току, протекающему в обмотке возбуждения, а также числу ее витков (закон «амперов-витков»), становится ясно, что любое насыщение будет подавлять эффект увеличения тока.

Рис. 1.10. Определение насыщения магнитного материала

Обычно головки, имеющие слоистую структуру (выполняемые из пластин), насыщаются не слишком резко, однако отмечены значительные расхождения от одного сплава к другому. Личный опыт авторов подсказывает, что часто наиболее устойчивыми к насыщению оказываются самые старые головки. Головки с ферритовыми сердечниками насыщаются достаточно быстро, вследствие этого они не могут вести запись на дорожках HiCo. Тем не менее такие головки могут дать весьма неплохие результаты в записи, а также в считывании дорожек LoCo. Хотя эти головки сильно изнашивают магнитные носители, но обладают большой механической твердостью и потому имеют исключительно большой срок службы.

ПРИМЕНЯЕМЫЕ МАГНИТНЫЕ НОСИТЕЛИ

Наряду со стандартными магнитными картами, к разряду которых принадлежат практически все карты для ведения оплаты или кредитные карты, существует большое число «информационных носителей», в той или иной степени выходящих за традиционные нормы, но также широко распространенных. Наиболее известным примером тому может послужить билет на парижское метро и его более сложные производные, как, например, carte orange (проездной на месяц).

Магнитная дорожка шириной 5 мм достаточно грубо наносится непосредственно на бумагу. Это исключительно экономный, но в то же время эффективный способ, учитывая очень низкие требования к плотности записи. Встречаются также и другие варианты карт различных размеров, например пропуска для парковки или разнообразные билеты на посещение аттракционов.

В большинстве случаев дорожка расположена по продольной оси билета, что позволяет считывать его в обоих направлениях без большого увеличения числа необходимых головок. Когда речь заходит о более серьезных приложениях, то в таких случаях целесообразно применение карт с магнитными дорожками, нанесенными на пластиковую или картонную основу. При этом получается более качественная поверхность дорожки, позволяющая увеличить плотность записи и надежность. Часто встречаются карты с магнитными зонами, ширина которых соответствует стандартному размеру видеопленок, начиная с 12,7 мм, а также пленок других стандартных информационных носителей. Указанная ширина магнитной полоски может вместить три дорожки данных с достаточными защитными промежутками между ними.

Чтобы разместить четыре дорожки, проходящие через всю длину (20,3 см) билетов на поезд, самолет или паром, требуется уже ширина полоски несколько более 15 мм. Информационный объем при этом достигает более 500 знаков (почти треть обычной печатной страницы).

Также интересные результаты можно получить, если покрыть магнитным материалом всю поверхность носителя из тонкого пластика (0,2 мм) размером с телекарту (карты FULL фирмы Pyral). Такой тип продукта, занимающий промежуточное положение между традиционной магнитной картой с памятью и простым билетом, недорог и на сегодняшний день еще недостаточно широко распространен, хотя, возможно, у него большое будущее.

Наконец, магнитные технологии позволяют изготовить носители с дорожками, расположенными достаточно необычным образом, что позволяет бороться с некоторыми типами подделок, использующими стандартные устройства считывания/декодирования.

Расположение дорожек, показанное на рис. 1.11, является распространенным примером телефонных карте предварительной оплатой, выпускаемых некоторыми фирмами, которые и на сегодняшний день, во времена чипкарт, отдают предпочтение системам на базе магнитных принципов.

Рис. 1.11. Пример нестандартной магнитной карты

Несмотря на то что схемы и программы, которые будут представлены в следующих главах, могут быть без труда адаптированы к любому варианту расположения дорожек и к любому кодированию, наши читатели получат возможность их опробовать на картах, соответствующих стандартам ISO 7810–7813.

2. Стандартизация магнитных карт

Как известно, формат так называемых кредитных карточек соответствует строгой стандартизации. Помимо них, данному стандарту отвечают и многие другие карты, благодаря чему они могут умещаться в самых разнообразных портмоне и обложках.

ПРИМЕНЯЕМЫЕ СТАНДАРТЫ

Наиболее широко распространенные карточки размером приблизительно 54x85 мм в действительности отвечают формату ID-1 стандарта ISO 7810 (1985 год), который также предусматривает два дополнительных формата ID-2 и ID-3. Именно формат ID-1 был взят за основу при разработке стандарта ISO 7816-1, в котором речь идет о чип-картах. Стандарт ISO 7811, опубликованный также в 1985 году, содержит пять частей, в которых приводятся основные характеристики «карточек идентификации» в широком смысле этого слова.

Стандарт ISO 7811-1 фиксирует спецификации (и в частности, формы), которым должны соответствовать группы рельефно заформованных (также говорят, выдавленных, тисненых) знаков на карточке, предназначенных для того, чтобы ее можно было идентифицировать визуально или с помощью устройства оптического считывания.

Стандарт ISO 7811-2 определяет: характеристики, которым должна отвечать магнитная полоса с низкой коэрцитивной силой (LoCo), расположенная на задней стороне карточки; требования к применяемой технике записи, а также способам кодирования информации.

Стандарт ISO 7811-3 определяет расположение зон тиснения, в которых может располагаться информация в соответствии со стандартом ISO 7811-1. Следует подчеркнуть, что информация двух зон, определенных стандартом (номер карточки и идентификация ее владельца), размещается во внутреннем кристалле карточки. Это высвобождает достаточно места в верхней части для магнитных дорожек и в средней части, в случае необходимости, для кристалла, расположенного в соответствии со стандартом ISO 7816.

Стандарт ISO 78.11-4 определяет физическое расположение так называемых дорожек ISO 1 и ISO 2 магнитной полосы, на которой они размещены, а также начало и конец зоны кодирования. Следует отметить, что магнитные дорожки обозначаются термином «только для считывания». Это означает, что в течение срока службы карточки предназначены лишь для считывания и что после этого их можно стереть и перезаписать для нового использования.

В стандарте ISO 7811-5 определяются те же самые характеристики, что и в ISO 7811-4, но только для дорожки ISO 3, на которой можно и писать, и считывать, например, чтобы зафиксировать след последней выполненной транзакции. Недавно была добавлена шестая часть (ISO 7811-6), где уточняются характеристики, которым должны соответствовать магнитные дорожки HiCo.

Стандарт ISO 7812 (1987 год) фиксирует правила, в соответствии с которыми составляются номера карточек, а также способ вычисления их управляющего ключа.

И наконец, стандарт ISO 7813 (1987 год) во многом опирается на стандарты, перечисленные выше, и определяет спецификации, предназначенные исключительно карточкам для ведения финансовых транзакций.

Приведенная информация подтверждает, что стандарты ISO 7810–7812 касаются «карточек идентификации» в широком смысле, и напоминает, что карточки, используемые в совершенно разных областях (финансовых и других), имеют много общих характеристик.

Эта тенденция к «тотальной» стандартизации, однако, не исключает возможности существования карточек стандартных размеров, где умышленно используются дорожки, расположение и кодирование которых не соответствуют стандартам, или карточек, у которых ведется запись на дорожках, предназначенных только для считывания. Наконец, стандарты ISO по своей природе — документы, с содержанием которых можно ознакомиться совершенно свободно, и информация, речь о которой пойдет ниже, не содержит ничего конфиденциального.

ТРИ СТАНДАРТИЗОВАННЫЕ ДОРОЖКИ

На рис. 2.1 представлено все необходимое, что нужно знать об основных характеристиках дорожек ISO 1, ISO 2 и ISO 3.

Рис. 2.1. Три стандартизованные дорожки ISO

Дорожка ISO 1 часто называется IATA, по имени международной ассоциации воздушных перевозчиков, поскольку она участвует в некоторых процессах резервирования билетов на самолет. Дорожка ISO 2 известна под именем АВА, по названию американской банковской ассоциации. Эта дорожка — самая простая для считывания и даже кодирования с помощью устаревшего и экономичного оборудования.

Дорожка ISO 3 часто считается «свободной», но ее также называют THRIFT или MUNTS, по имени некоторых американских фирм, советующих ее использовать. Она предлагает достаточно широкие возможности применения, но уступает пальму первенства чип-карте, которая занимает все большие позиции в банковской сфере.

Расположение

Магнитная полоса наносится в нижней части зоны, расположенной приблизительно на расстоянии 15,8 мм от верхней^ кромки карты на ее обратной стороне. Наиболее частый формат ширины магнитной полосы — половина дюйма (12,7 мм). Однако оба эти размера лишь приблизительны, поскольку роль играют расположение и ширина самих дорожек, а не их носителей.

Каждая дорожка имеет ширину в 0,11 дюйма (2,79 мм) и отделена от соседней защитным промежутком, помогающим избежать случайного захождения одной дорожки на другую, а также обеспечивающим допуск на расположение головок.

Расположение каждой дорожки определено по отношению к верхней кромке карты и составляет 0,223 дюйма — для ISO 1; 0,353 — для ISO 2; 0,493 — для ISO 3. Именно на эти величины и следует опирается для оптимального расположения головок при построении считывающих устройств.

Плотность записи

Объем информации, который может быть вмещен магнитной дорожкой, обычно выражается в битах на дюйм, или bpi (bits per inch). Дорожки стандартизованных карт имеют плотность записи 75 bpi (ISO 2) и 210 bpi (ISO 1 и ISO 3) — значения, которые, конечно, можно встретить и на нестандартных носителях.

Длина дорожки 3,375 дюйма (длина карты) соответствует теоретическому максимуму в 253 и 708 бит. Эти цифры можно сравнить, например, с объемом памяти чип-карты, который не превышает 256 бит при гораздо более высокой стоимости, но, необходимо это подчеркнуть, обеспечивающей безопасность, не идущую ни в какое сравнение с магнитными картами.

Длина, занимаемая битом на дорожке, составляет 034 мм при 75 bpi и 0,12 мм при 210 bpi. Зная, что при записи логическая 1 кодируется удвоенной частотой, нетрудно представить, какой должна быть ширина воздушного зазора магнитной головки. И наконец, можно оценить скорость считывания данных при соответствующей скорости прохождения карты, составляющей от 100 до 1500 мм/с.

Разброс цифр достаточно типичный в практике: приблизительно 300-4500 бит/с (bps — bits per second или бод) при 75 bpi, 800-12500 bps при 210 bpi.

Учитывая, что логическая 1 кодируется удвоенной частотой, демодулятор должен работать в диапазоне частот от 300 Гц до 25 кГц, что не всегда просто осуществить.

В зависимости от дорожки данные обычно кодируются в виде символов, содержащих 5 или 7 бит. На дорожках ISO 2 и ISO 3 размещаются исключительно цифровые символы (цифры), в то время как дорожка ISO 1 может вмещать и алфавитно-цифровые данные (цифры и буквы). С помощью 4 бит удается представить 16 различных символов, что достаточно для кодирования цифр от 0 до 9 и нескольких специальных символов. Пятый бит — для контроля по четности, и применение его будет рассмотрено ниже. Шесть бит позволяют закодировать 64 различных символа — все буквы алфавита (без разделения на прописные и строчные), 10 цифр и некоторое число специальных символов. Вместе с битом контроля четности получается, таким образом, семиразрядное кодирование.

ПЯТИРАЗРЯДНЫЙ ЦИФРОВОЙ КОД

Ниже представлена полная таблица истинности с шестнадцатеричным эквивалентом каждого символа пятибитного кода ANSI, использование которого рекомендовано стандартами ISO.