Jeu de pistes ! Les cartes magnétiques

Chaque jour, vous utilisez des cartes magnétiques.
Avec elles, vous réglez les commerçants, vous téléphonez, vous entrez dans votre entreprise, vous payez votre carburant… mais que savez-vous d’elles exactement ?
Comment fonctionnent les lecteurs de cartes magnétiques et comment s’écrivent et se lisent les données sur la bande des cartes magnétiques ?
Pour en savoir plus sur ces cartes et sur leurs applications, nous vous proposons un article en deux parties, l’une théorique et l’autre pratique.

Qui sait combien d'entre vous ont acheté une carte téléphonique ou sont titulaires d'une carte bancaire ? Toutes ces cartes disposent d'une bande magnétique pour l'enregistrement des données. Contrôle d'accès, caisses automatiques, machines distributrices, systèmes de contrôle horaire, clefs d'hôtels, paiements dans les systèmes POS, abonnements aux transports publiques, télécommunications et services télématiques : ce sont là quelques-uns des principaux domaines d'application des cartes magnétiques.
Toutefois, malgré l'importante diffusion des cartes magnétiques, il est très difficile, pour ne pas dire impossible, de trouver une documentation complète sur leur fonctionnement et sur les protocoles de lecture et d'écriture de la bande magnétique. Il y a encore quelques années, la vente des graveurs de cartes était soumise à certaines réglementations.
A l'heure actuelle, les limitations imposées sur la vente des graveurs et sur la diffusion des informations relatives à ceux-ci ont disparu mais, jusqu'à présent, aucune revue de vulgarisation ne s'était occupée du sujet.
Pour combler cette lacune, nous publions ce premier article théorique qui se veut le point de départ pour tous ceux qui désirent entrer dans le monde des cartes magnétiques et en comprendre le fonctionnement.
Suivra, dans les prochains numéros d'Electronique Magazine, une série de projets concrets sur les lecteurs de badges dédiés à de multiples applications, qui iront de la simple commande d'une serrure électrique aux contrôles d'accès informatisés.

Petite description
Nous entrons tout de suite dans le vif du sujet pour découvrir comment est physiquement réalisée une carte magnétique.
Les cartes sont fabriquées en collant entre elles des couches de PVC (Polyvinyle Chlorite). Pour la précision, deux couches internes blanches et deux externes transparentes pour un total de 0,76 mm d'épaisseur.
Sur une des deux faces de la carte est posée une bande magnétique. Cette face est appelé "rétro", tandis que l'autre face ("front") est généralement personnalisée avec la publicité du commerçant.
Pour comprendre le fonctionnement d'une carte, imaginons la bande magnétique de cette dernière comme un segment de bande d'une cassette audio.
Alors que sur la bande de la cassette nous pouvons enregistrer et reproduire des morceaux de musique ou du son en général, sur la bande magnétique de la carte, on mémorisera une suite de bits qui sera successivement lue et interprétée par le lecteur et par le circuit de contrôle approprié.
La bande magnétique prend donc la fonction de mémoire non volatile, c'est-à-dire qu'elle garde de façon permanente les informations.
Le support magnétique est divisé en trois différents secteurs de mémorisation appelés "pistes". Selon le standard ISO auquel se conforment tous les principaux constructeurs de cartes, les trois pistes disponibles sur la bande magnétique s'appellent piste ISO 1, piste ISO 2, piste ISO 3 et présentent chacune une largeur d'environ 1,5 mm et une longueur de 85,7 mm. Sur ces pistes on peut enregistrer et lire les informations de façon indépendante mais on peut également enregistrer (ou lire) plusieurs pistes simultanément. Le choix de la piste ou des pistes à utiliser dépend aussi bien du type de données à mémoriser que du genre d'application. Nous verrons plus loin quels sont les standards utilisés pour chaque piste.

Dimensions des cartes magnétiques.

Tête de lecture magnétique - Amplificateur et décodage Schéma de fonctionnement d’un lecteur de cartes. La tête de lecture a pour rôle de transformer les variations du champ magnétique, dues au passage de la carte, en signaux électriques. Le bloc d’amplification et de décodage augmente le signal provenant de la tête de lecture, puis le transforme en impulsions numériques.

La lecture des cartes magnétiques
La reproduction, c'est-à-dire la lecture des informations d'une carte, s'obtient en faisant défiler sa bande magnétique sur un capteur précis (tête de lecture magnétique). En analysant le signal de sortie, nous pouvons vérifier que la lecture des "0" et "1" produit la modulation d'un signal audio modulé en fréquence (FM). Etant donné que les informations à représenter ne peuvent prendre que deux niveaux (état logique 0 et état logique 1), on ne rencontre que deux fréquences : la première, appelée F0, représente le niveau logique 0 et est caractérisée par une période T0, égale à 1/F0. La seconde, appelée F1, indique le niveau logique "1" et est égale à deux fois F0 (F1 = 2 x F0), avec la période T1 égale à 1/F1.
On appelle ce type de codage "F2F".
Sur chacune des trois pistes de la bande magnétique sont mémorisées les données, avec un protocole différent mais toujours avec la même méthode.
Chaque piste est divisée en quatre zones différentes, appelées Timing Area, Start Sentinel (SS), Data Area et End Sentinel (ES). La première partie de la bande magnétique, Timing Area, est codifiée avec une série de zéros.
Le rôle de la piste Timing Area est de lire la valeur de F0 qui dépend, bien sûr, de la vitesse avec laquelle on fait défiler la carte. Celle-ci peut varier d'un minimum de 10 cm/sec à un maximum de 150 cm/sec. Si l'on imagine que la vitesse de défilement est uniforme pendant tout le parcours, on est capable, une fois sorti de la Timing Area, d'obtenir une fréquence de référence permettant de décoder tous les bits de la bande magnétique.
A la fin de la Timing Area, on trouve un caractère particulier appelé Start Sentinel qui indique le début de la zone réservée aux données. Le Start Sentinel est différent pour chaque piste : pour la piste 1, on utilise la valeur du symbole ASCII "%" tandis que pour les pistes 2 et 3, on utilise la valeur ";".
Ensuite, sur la bande magnétique, on trouve la zone dédiée aux données qui se terminent par le caractère End Sentinel identique, pour toutes les pistes, à "?" en ASCII.

Temps relatifs aux cycles de lecture et d’écriture des badges.

Le standard ISO 7811
Un standard indique les caractéristiques qui doivent être respectées, aussi bien pour le positionnement de la bande magnétique de la carte que pour le protocole de codage. Le standard le plus répandu au monde est l'ISO 7811, auquel se conforment tous les principaux fabricants de lecteurs/graveurs de badges. Selon l'ISO 7811, la piste 1, appelée IATA (International Air Transportation Association) est caractérisée par une densité de 82,6 bits/cm et peut contenir jusqu'à un maximum de 70 caractères de 7 bits. Cette piste est d'ordinaire utilisée pour enregistrer des informations alphanumériques : par exemple, une carte de crédit contient sur cette bande le nom et le prénom du titulaire. La piste 2, appelée ABA (American Bankers Association), est caractérisée par une densité de 29,5 bits/cm et peut donc contenir jusqu'à 40 caractères de 5 bits.
Pour finir, la piste 3, appelée MINTS (Mutual Institutions National Transfer System), présente une densité de 82,6 bits/cm et une capacité de 107 caractères de 5 bits.



Le lecteur
Voyons à présent la conception et le fonctionnement des lecteurs de cartes magnétiques.
Une première classification est faite en fonction du système de lecture de la carte. On peut distinguer : le lecteur à "insertion" (manual insertion reader), dont le principe de fonctionnement se base sur l'insertion manuelle de la carte dans une fente de lecture; le lecteur à "défilement" (manuel swipe reader), qui s'active en faisant défiler la carte à l'intérieur d'une cavité ; enfin, le lecteur motorisé (motordriven inser tion reader), c'est-à-dire équipé d'un moteur qui, par l'intermédiaire d'un mécanisme, avale la carte et la transporte sur la tête de lecture.
Les lecteurs motorisés sont aussi capables d'écrire sur la bande magnétique et, pour cette raison, sont également appelés magnétiseurs ou codeurs de cartes. Le magnétiseur présente le même principe de fonctionnement qu'un magnétophone à cassettes audio, c'est-à-dire qu'il "grave" sur la bande magnétique, selon le standard vu précédemment, la séquence des bits. Les lecteurs/graveurs motorisés sont généralement fournis accompagnés de la carte de contrôle avec interface série type RS232, de façon à pouvoir être reliés à un ordinateur, pour effectuer des opérations de lecture ou d'écriture sur la carte grâce à de simples commandes envoyées par le port série.
Les lecteurs à insertion sont fournis nus, c'est-à-dire sans boîtier externe, puisqu'ils doivent être montés à l'intérieur d'appareillages prévus à cet effet. Les lecteurs à défilement sont disponibles avec ou sans boîtier de protection. Dans tous les cas, ces deux derniers types de lecteurs (à insertion ou à défilement), bien que différents du point de vue mécanique, ont en commun le même circuit électronique.

Tête de lecture magnétique Schéma de fonctionnement d’un magnétiseur de cartes.
On peut distinguer une section de lecture, identique à celle installée dans les lecteurs à “défilement” ou à “insertion”, et une section d’écriture identifiée par le bloc codeur F2F.


L’électronique du lecteur
On peut subdiviser le schéma d'un lecteur de badges à insertion ou à défilement en quatre blocs fondamentaux : la tête de lecture, l'amplificateur, le circuit d'analyse, le décodage. La tête de lecture est composée de quelques spires enroulées autour d'une petite ferrite ; la variation du champ magnétique autour de la ferrite (produite par le passage de la carte) crée des courants induits dans la bobine de la tête de lecture. Ces courants sont appliqués à l'amplificateur à haute impédance d'entrée, qui les met à un niveau les rendant lisibles par le circuit d'analyse.
Ce dernier, monté en trigger de Schmitt, convertit le signal analogique en un signal de type digital et l'envoie au circuit de décodage qui "étend" le signal sur trois lignes de sortie appelées CLS (Card Loading Signal), RDT (Read Data) et RCL (Read Clock). Ces trois lignes représentent l'interface du lecteur vers le monde extérieur.
Voyons en détail comment fonctionne ce protocole de communication série.
Lorsque l'on commence à faire défiler une carte sur le lecteur, tous les signaux sont au niveau logique "1". Le signal CLS passe de l'état logique "1" à l'état logique "0" et y reste tant que la bande magnétique défile sur la tête de lecture. La condition d'erreur durant la lecture est signalée par une transition de 0 à 1 de ce signal. Le signal RDT, qui représente la donnée, se révèle valide seulement sur le front descendant du signal RCL.
Certains dispositifs peuvent lire plus d'une piste simultanément. Pour cette raison, le critère de classification le plus utilisé tient compte du nombre de pistes que le lecteur est capable de lire. Les dispositifs qui lisent une seule piste sont appelés "lecteurs à piste unique", ceux qui lisent deux pistes s'appellent "lecteurs à double piste", et enfin, ceux capables de lire les trois pistes sont appelés "lecteurs à triple piste".
Comme nous l'avons déjà évoqué précédemment, pour écrire les données sur la bande magnétique d'un badge, il faut disposer d'un magnétiseur, c'est-à-dire d'un lecteur/graveur.

Voici comment se présente le premier projet, que nous décrirons dans le prochain numéro de la revue, mettant en application les cartes magnétiques. Il s’agit d’un simple décodeur de piste ISO 2 capable d’interpréter les données mémorisées sur la seconde piste de la carte. Le circuit est géré par un microcontrôleur avec mémoire EEPROM pour la sauvegarde non volatile des codes. Le circuit dispose d’un relais qui s’active lorsque la lecture du code de la carte coïncide avec l’un des codes mémorisés par le micro.

Les lecteurs de cartes, disponibles en différents formats, peuvent être regroupés en deux catégories en fonction du système de lecture : les lecteurs à “défilement” (en haut) et les lecteurs à “insertion” (en bas).



Le magnétiseur
Ce dispositif possède une partie écriture complète avec encodeur F2F et une partie lecture, avec décodeur F2F, pour pouvoir vérifier l'exactitude des données mémorisées. La plupart des magnétiseurs sont équipés d'un moteur pour l'entraînement de la carte afin de garantir une vitesse constante durant toutes les phases d'écriture et de lecture. Très peu de magnétiseurs sont autonomes, c'est pourquoi ils ont souvent besoin d'une carte de contrôle complémentaire.
Parfois, en fonction de l'application, il est possible d'utiliser une car te numérique équipée d'une interface série ou bien alors un ordinateur. Dans les deux cas, les commandes à envoyer au graveur de cartes sont standards et sont présentées en format ASCII.
Parmi les principales commandes, nous pouvons citer : Entry : actionne la translation de la carte, Eject : qui provoque son éjection, Read : pour autoriser la lecture de la bande magnétique et, Write : pour autoriser l'écriture sur la bande magnétique.
Dans votre prochain numéro d'Electronique magazine, nous décrirons une première application à cet article : un système de contrôle d'accès à carte magnétique.

Chronogrammes des lecteurs à défilement.

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