Гёлль Патрик
(Инженер EFREI)
«Магнитные карты и ПК»
Устройства считывания, декодирования, записи.
Программы контроля, сравнения, преобразования
Предисловие
Несмотря на успех карт, содержащих микросхемы, так называемых чип-карт, в повседневной жизни продолжают применяться и классические карты с магнитными дорожками. Новые технологии, расширяющие возможности электронной аппаратуры и повышающие ее надежность, снова привлекли внимание к магнитным картам. Их преимущество — в малой себестоимости. Наряду с традиционными пластиковыми магнитными картами существуют и карты на бумажной основе, снабженные магнитной Полосой: билеты для проезда в общественном транспорте, сберегательные книжки и другие подобные документы.
При ближайшем рассмотрении процессы считывания, записи и стирания информации магнитных карт, оказываются проще, чем это может представиться на первый взгляд. В самом деле, достаточно всего нескольких простейших микросхем и несложных программ, чтобы превратить ваш персональный компьютер в современную лабораторию «магнитной записи».
В этой книге собрана вся необходимая теоретическая и практическая информация, которая позволит достаточно быстро добиться желаемых результатов в работе с магнитными картами. Вы сможете составить свое собственное мнение об эффективности систем записи, чтения и обработки информации магнитных карт, механизмов обеспечения надежности работы важнейших элементов. Возможно, не всегда что-то будет получаться с первого раза, но упорство поможет вам во всем разобраться.
1. Магнитные носители информации
Существует большое количество различных видов магнитных носителей: видео- и аудиокассеты, дискеты, проездные билеты на метро, талоны на парковку, морские, авиационные и железнодорожные билеты и другие магнитные карты. Даже самый обыкновенный чек имеет в нижней части поля ряд нанесенных магнитными чернилами цифр, что позволяет производить их машинное считывание.
Некоторые документы (паспорта, сберегательные книжки) также снабжены магнитной лентой, расположенной на их обложке. Отличаясь друг от друга внешне, все магнитные носители информации работают по одному и тому же принципу, разработанному еще в 20-х годах XX века.
Именно между 1920 и 1940 годами преимущественно в Германии были проведены фундаментальные исследования, заложившие основу для создания различных устройств магнитной записи. Даже самые современные профессиональные цифровые системы магнитной записи формата DAT — это потомки первых магнитофонов, сконструированных еще до 1930 года и записывавших звук на стальную проволоку. В антикварных магазинах еще можно найти старые журналы, содержащие публикации на эту тему. Теперь она интересует только коллекционеров.
В качестве основы для работы всех магнитозаписывающих аппаратов выступает элементарное физическое явление — остаточный магнетизм, которое заключается в способности того или иного материала приобретать значительную намагниченность при соприкосновении с постоянным магнитом или электромагнитом. Именно этот факт позволял многим поколениям школьников мастерить компасы, для чего нужно было всего-навсего тщательно, потереть швейную иглу о постоянный магнит. Остаточный магнетизм сильно выражен у ряда магнитных материалов, которые трудно получать и в особенности хранить.
Принцип магнитной записи информации на постоянный носитель заключается в создании на магнитной проволоке или ленте участков с различной степенью намагниченности. Для этого участок ленты, на который мы хотим осуществить запись, протягивается с определенной скоростью перед записывающей магнитной головкой.
Магнитная головка по конструкции напоминает специальный электромагнит, с которым контактирует движущийся магнитный носитель (рис. 1.1).
Рис. 1.1. Конструкция и принцип действия магнитной головки
Сердечник магнитной головки обычно выполняется из наборного листового железа или феррита. В отличие от сердечника трансформатора он разомкнут, то есть имеет воздушный зазор. Для повышения прочности сердечника и предотвращения его возможного механического повреждения в зазор помещают вставку из немагнитного материала (бакелита, латуни и т. п.).
Поскольку величина магнитной проницаемости зазора гораздо ниже, чем сердечника, магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения, встречает в зазоре сильное магнитное сопротивление. По этой причине замыкание потока происходит через магнитный слой носителя данных как среды с большой магнитной проницаемостью.
Если носитель выполнен из пластика, бумаги или картона, то магнитный слой наносится в виде специального лака, который содержит мельчайшие частички ферромагнетика. Эти частички подобны пигментам, используемым для изготовления красок. Довольно часто сверху дополнительно наносится прочный защитный слой, препятствующий быстрому стиранию магнитного слоя (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Структура магнитного слоя носителя данных
Наиболее широко в качестве магнитного материала используется оксид железа Fe2O3, имеющий гамма-кристаллическую структуру и состоящий из микроскопических частиц. Каждая частица приблизительно в 500 раз тоньше волоса и имеет длину около одного микрона, что делает ее едва различимой даже при наблюдении в самые мощные оптические микроскопы.
Если при изготовлении аудио- и видеокассет в качестве магнитного материала обычно используется оксид хрома, то при выпуске магнитных карт и билетов предпочтение отдается ферритам бария. Этот оксид имеет вид небольших кристаллов с гексагональной структурой. Железо в чистом виде, применяемое при записи на проволоку в специальных случаях, а также иногда для качественной записи звуковой информации, по нашим сведениям, при изготовлении карт не используется.
В момент прохождения магнитного носителя перед записывающей головкой частицы ферромагнетика, находящиеся перед зазором, попадают в магнитное поле. Его напряженность пропорциональна силе тока, проходящего по обмотке возбуждения. Здесь необходимо упомянуть о том, что каждый кристалл магнитного материала состоит из одного или нескольких доменов, представляющих собой элементарные постоянные магниты.
Задать определенную пространственную ориентацию кристаллам можно только в процессе нанесения магнитного слоя и до затвердевания связующего вещества. Предварительное ориентирование на этом этапе улучшает магнитные свойства дорожки. Однако внутри каждого кристалла ориентация доменов, происходящая на молекулярном уровне, может быть изменена. Это делается путем приложения к кристаллу внешнего магнитного поля.
На рис. 1.3 показано, как вектора магнитных моментов доменов постепенно поворачиваются до совпадения их направления с направлением приложенного внешнего магнитного поля. Причем процесс ориентации ускоряется при увеличении напряженности внешнего поля Н.
Процесс ориентации происходит тем быстрее, чем выше магнитная проницаемость материала. Факт совпадения направления векторов магнитных моментов доменов с направлением внешнего поля выражается появлением магнитной индукции в самом материале.
Петлей гистерезиса называется кривая значений индукции В как функции напряженности магнитного поля Н. Форма этой кривой отражает тот факт, что нарастание индукции В происходит с запаздыванием по отношению к увеличению напряженности Н. Причина такого отставания — в наличии энергетических барьеров, которые необходимо преодолевать в процессе намагничивания или размагничивания материала.