Эта статья взята из журнала Хакер Спец. Все права на эту статью пренадлежат ее автору и редакции журнала!
Будем собирать картоприемник и обойдемся без дефицитной элементной базы. Главное - не забыть о том, что все делаем исключительно в образовательных целях и стоит перед использованием сжечь :).
ПРЕВЬЮ
Пару лет назад я заинтересовался организацией данных на популярном магнитном носителе - на карте. Естественно, мой интерес подогревал тот факт, что сфера применения таких карт с каждым днем расширялась. Тогда-то я и собрал свой первый картоприемник, дабы посмотреть самому, что да как. "Посмотрев", я, как и положено добропорядочному гражданину, забил свой картоприемник тяжелым молотком и сменил круг своих интересов (вместе с ориентацией - профессиональной!). Однако и схема сохранилась, и чертежи я помнил. Каково же было мое удивление, когда я наткнулся на сайт, где описывалось устройство и "копирование" промышленного картоприемника, как две капли похожего на собранный когда-то мною по "любительской" схеме. Тогда впервые в мое сердце закрались смутные сомненья, на почве которых я начал целенаправленный поиск схем картоприемников. Удивительно, что при всем многообразии сайтов такой тематики все их демонстрационные картоприемники были собраны по одной - двум структурным схемам, которые если и различались чем-то, то лишь конструктивным исполнением и/или разводкой печатной платы. Однако, повторюсь, принцип работы у них был одинаков. С одной стороны, это пугающая тенденция к загниванию инженерной/любительской смекалки, потому как копировать промышленные схемы - занятие неинтересное и бесполезное (именно этим такие "любители" и занимались). Но если заглянуть за подкладку другой стороны, то можно и из этого извлечь выгоду: рассмотрев одну схему, можно потом без труда понять принцип работы "всех остальных". Вывод: в наше время трудно найти кардинально оригинальную схему. И еще один вывод, сделанный в ходе поисков: по производителю специализированной микросхемы картоприемника можно определить контору-изготовителя самого картоприемника, а соответственно, и оригинал. Однако обо всем по порядку.
И КАК ОНИ РАБОТАЮТ?
Производители картоприемников, претендующих на мобильность, электронике уделяют максимум внимания, а вот единственным кинематическим узлом является рука представителя рабочего класса, карту держащая. Со всеми вытекающими последствиями и проблемами (для жестянщика). Рассмотрим такой картоприемник подробнее и разольем по стопочкам то, что вытекает.
На рис. 1 представлена структурная схема типичного мобильного картоприемника. Узлом В1 здесь является встроенная магнитная головка, которая подцеплена к входу трехканального усилителя воспроизведения. В те времена, когда деревья были большими и птицы летали высоко, то есть на заре развития магнитных технологий, такой усилитель представлял собой два спаренных ОУ общего применения. Один канал одного из ОУ попросту не использовался. В наш век фирмы, выжившие на этом рынке, клепают однокристальные специализированные микроконтроллеры, в которых объедены все узлы картоприемника, за исключением, пожалуй, нескольких навесных дискретных элементов. Как правило, дискретом остается открытая оптопара VD, которая занимается не чем иным, как определением скорости перемещения магнитной карты. Собственно, положа руку на включенный паяльник, хотелось бы заметить, что оптопара не столько определяет скорость, сколько задает счет для валкодера VAL. Валкодер - это специальное устройство, преобразующее световые импульсы в электрические (пардон за грубое определение, но в данном случае результат такой). Эти импульсы нужны для синхронизации (сигнал clock) данных, поступающих на вход преобразователя MIX. Довольно часто на выход MIX нагружают преобразователь интерфейса (например, в RS-232), однако его наличие не обязательно.
Взявшись той же рукой за другое место, добавлю, что на плечи и другие органы MIX в наше время ложится не только процесс преобразования синхронизации цифровой последовательности, но и декодирование этой последовательности в формат ASCII. Однако такая структурная схема характерна для картоприемников среднего уровня сложности, и в более простых моделях (с небольшими оговорками их можно назвать и "более свежими") она выглядит несколько иначе (рис. 2).
Прежде чем объяснять принцип работы узла MIX, позволю себе пару байт на объяснение организации записанных данных на магнитной дорожке. Дело в том, что на магнитной дорожке карты данные расположены не в привычном для нас виде (лог 0-0, лог 1-1), а в виде разнополярных, частотно-кодированных импульсов. Вся фишка в таком кодировании заключается не только в выделении от "абсолютного нуля" (то есть от "ничего", от нуля логического), но и в кодировании лог 1 хитрым образом.
|
Собственно, вся хитрость кодирования состоит в удвоенной частоте (2f) записи лог 1 по отношению к лог 0. Тем самым сиповочкой лог 1 является не потенциал, снимаемый магнитной головкой, а изменение этого потенциала за время "нормального", неудвоенного такта. Такой метод кодирования получил немудреное название f/2f. На рис. 3 он показан во всей красе - в виде произвольно вырезанного куска данных. Почему используется такой "нетрадиционный" метод кодирования? Ответ очевиден: так обеспечивается максимальная достоверность считываемой информации. Тем самым на плечи узла MIX ложится слежение за изменением направления магнитного потока во время такта. Ну а такт обеспечивает не что иное, как валкодер VAL. Ну а если валкодер как таковой отсутствует, узел MIX должен быть еще более интеллектуален, так как в этом случае следит за частотами f и 2f и принимает во внимание изменение частоты f во время вторжения карты в картоприемник. Сам понимаешь, скорость прохождения/вторжения карты не постоянна. Каким образом это реализуется, можно только догадываться, так как производитель специализированных микросхем рассказывать об этом почему-то не спешит, сводя объяснение принципа работы к банальному "вот смотри: на входе то-то, на выходе то-то, а что происходит внутри, тебя заботить не должно" (собственно, отсюда и поразительное сходство схем).
|
СХЕМА 1
Раз речь зашла о схемах, предлагаю взглянуть на рис. 4. Эта схема - пример творческого подхода к проблеме. Автор схемы - французский паренек по имени Патрик. Хотя принцип работы схемы сводится к вышеописанному "то-то и то-то", использование хоть и специализированной, но изначально не предназначенной для декодирования частотно-модулированных логических сигналов микросхемы уже радует. Мой вклад ограничился заменой импортных деталей на их отечественные аналоги. При пристальном взгляде на схему можно увидеть, что магнитная головка одна и вовсе даже не встроенная. Да и номиналы некоторых элементов не указаны. Ничьих "косяков" в этом нет, просто в силу своей простоты схема
может работать определенное время только с одной дорожкой. Итак, чтобы поработать с тремя дорожками, понадобится изготовить или три картоприемника, или один, но с тремя комплектами элементов. Кстати о головках. В качестве магнитной головки может быть использована практически любая монофоническая головка от кассетного магнитофона сопротивлением 350-500 Ом. Естественно, направляющие штырьки должны быть удалены. А номиналы не указаны на схеме, потому что они отличаются при разной плотности записи. Ищи их на табл. 1. Примерно такое же схемотехническое решение используется в промышленном картоприемнике конторы DAT-ALOGIC. Только если в схеме рис. 4 реализован автодетект карты, то в промышленном исполнении автодетект как таковой отсутствует, а наличие карты определяется светодиодной оптопарой. Еще одно отличие - наличие инверторов на выходах, которых нет в схеме рис. 4. Зато там есть обозначение сигналов, украшенное странными палочками вверху. Эти папочки нужны для того, чтобы жестянщик понял, что сигнал нужно проинвертировать перед употреблением. Собственно, чего я тебе разъясняю, как дитю пятилетнему? Ты сам можешь прикрутить к этой схеме какой угодно инвертор. Посмотри, например, статью "Здравствуй елка, Новый год!", и все станет понятно. Только я бы тебе посоветовал использовать К555ЛН1 или подобную, потому как в этом случае одной микросхемы тебе хватит на все три узла. В любом случае инверторы помимо своей прямой функции придадут схеме еще одну полезность - устранят завалы фронтов, что, в свою очередь, благоприятно скажется на достоверности считываемых данных.
СХЕМА 2
Однако при всей привлекательности первой схемы она обладает одним малозаметным недостатком, который закрался в микросхему. Во-первых, эта микросхема не имеет отечественных аналогов и, как мне кажется, прямых зарубежных. В розничную продажу поступает нечасто, и ее найти можно только у таких монстров, как "Промэлектроника" (Екатеринбург) или "Платан" (Москва), и то не всегда. Конечно, ситуация не так печальна, как я ее рисую, и на любимых всеми местах розничной торговли (в простонародьи просто "базары") эту микруху у барыг купить все-таки можно, однако последние и цены ломят недетские.
Труднодоступность микросхемы - не единственное бельмо, мозолившее мне глаз и не дававшее заснуть в последнее время. Как-то обидно наблюдать, что отечественный жестянщик не стремится к повышению имиджа своей страны в этой области, ограничиваясь лишь повторением и модернизацией. Не буду утверждать, что предложенная мною схема идеальна, но все же она переворачивает представление о самодельных ручных и настольных картоприемниках. В конце концов, пусть она хотя бы послужит толчком для энтузиазма более компетентных в этой области личностей.
На рис. 7 нас ждет одна четвертая часть картоприемника. Прежде чем разъяснять принцип работы схемы, позволь небольшое лирическое отступление. Не секрет, что для банкоматных картоприемников особо важна кинематика - железо. Родители таких картоприемников практически не уделили внимания электронике, а весь процесс обработки и переваривания информации вообще бросили на произвол программной части. Я не оговорился: действительно на программную. Дело в том, что внутри такого банкомата, помимо деньговыплевывающего устройства, расположен еще полноценный компьютер с полноценной операционной системой. Бывает, что и Windows, но тогда... Впрочем, может, кому-то она нравится :-). Также бывает, что и не полноценный, а обычный терминал, но в моем Новокукуевске совсем я что-то таких банкоматов не встречал.
Главное, что все современные банкоматные картоприемники имеют фиксированную скорость перемещения головки. Остальное неважно. И схема рис. 7 - не что иное, как попытка совместить достоинства обеих технологий без малейшего ущерба какой-либо стороне. Собственно, этот рисунок - схема усилительно-преобразовательного тракта. Сигнал, снимаемый головкой, поступает на вход операционного усилителя DA1. Он включен не совсем по классической схеме, однако это только на пользу. Так как усилитель обладает нехилым коэффициентом усиления по напряжению, а уровень сигнала, поступающий с головки, очень даже неравномерный, в целях ограничения уровня сигнала на выходе ОУ введены диоды VD1 и VD2. Правда, эти диоды не совсем обычные - это светодиоды, причем белого цвета свечения. Так сделано не по моддерскому бзику, а по вполне нормальным соображениям: эти светодиоды имеют прямое падение около 4 В, что соответствует лог.1, к тому же они не имеют токооганичительного резистора, что тоже немаловажно. А от ограничения в данном случае только одна польза: выравниваются пики сигнала, тем самым опрямоуголивая его. Однако сигнал на выходе ОУ имеет в своем составе еще и отрицательную составляющую. Если бы не одно обстоятельство, то этот сигнал можно было довести до -12 В и +12 В, что позволило бы подключить девайс непосредственно к СОМ-порту. Но я по этому пути не пошел, а довел сигнал до уровня ТТЛ каскадом на транзисторе VT1 и элементом DD1.1. Тем самым на выходе девайса получился нормальный, неинвертированный сигнал, предназначенный для LPT-порта.
Но это еще 1/4 дела. Для общей картины нужно эту схему помножить на три. И даже в этом случае человек, умеющий считать до четырех, обвинит меня в надувательстве. Закричит, что, мол... (дальше поскипано по этическим соображениям). В общем, думаю, что ты не относишься к этой кричащей массе и посмотришь на рис. 8.
То, что там изображено, на языке радиотехники называется генератором прямоугольных импульсов. За его основу была взята схема, предложенная нашим соотечественником UY5DJ. Собственно, микросхема DD1 и есть генератор этих самых импульсов, а остальные элементы - не что иное, как обвес, необходимый для правильной работы. Все же рассмотрим наиболее интересные из них.
Две пары RC-цепочек R3, С2 и R4, СЗ определяют рабочую частоту генератора (правильнее было бы назвать период, но ведь ты и сам уже знаешь, что частота обратна периоду). Эти цепочки в цепях упрощения схемы переключаются вручную переключателем с фиксацией SA1. Думаю, ты уже догадался сам, зачем нужно коммутировать RC-цепочки. Светодиод VD1 необходим для того, чтобы на выходе генератора были импульсы ТТЛ-уровня. Кроме того, он вспыхивает в паузах между импульсами (то есть когда на выходе генератора лог 0), что сигнализирует о правильном/неправильном ходе работы генератора.
ИСПОЛНЕНИЕ И ДЕТАЛИ
В принципе, полученной информации уже достаточно для того чтобы начать засовывать что-либо в какой-либо порт. Однако для полной картины чего-то не хватает. Ах да! Детальки-то разные бывают, думаю, стоит разъяснить, какие из них можно использовать в данной конструкции, не получив при этом особого гемора. Так как на авторство первой схемы я не претендую, никакого саппорта для нее ты не получишь. Что же касается второй схемы вообще, рис. 7 и 8 в частности, то в этом случае можно использовать следующий ассортимент.
Резисторы: на все постоянные резисторы накладывается лишь одно ограничение - габаритные размеры. В качестве подходящей кандидатуры можно рассмотреть следующие варианты: МЛТ, ОМЛТ, С2-23, СЗ-33 или МОН с рассеиваемой мощностью не ниже 0,125 Вт. Собственно, без доработки печатной платы ты ничего большего 0,5 Вт не сможешь поставить на эту плату. Это уже лирика, потому как резисторы на 0,125 Вт указанных марок никогда не были в дефиците.
Светодиоды VD1 и VD2 (на рис. 7 уже продемонстрировано): они могут быть любыми, но всегда обеспечивают прямое падение 4 В. 5 В уже много, а 3,5 -еще мало. Лучше всего подходят номиналы, указанные на схеме, но если достанешь светодиоды, предназначенные для поверхностного монтажа модели NFCW036 (контора-производитель - малоизвестная Nichia), то я буду только рад. В этом случае придется слегка подкорректировать печатник (не сверлить четыре отверстия).
Транзистор VT1 (рис. 7): лучше всего поставить именно указанный на схеме, то есть любой из серии КТ315. Более старые не подходят из-за большого шума, вносимого в сигнал, а более современные имеют слишком большой для этой схемы коэффициент передачи тока и могут перейти в глубокое насыщение в открытом состоянии, что в свою очередь негативно отразится на качестве сигнала. Из зарубежных подойдут транзисторы серии ВС945. Про цифровые микросхемы я тебе уже в Новый год много чего рассказал, а потому ограничимся упоминанием микросхем К555ЛН1 и К155ЛН1. Зарубежным аналогом микросхемы-таймера К1006ВИ1 является микросхема 555. В качестве ОУ DA1 (рис. 7) трудно предложить что-либо, но это сделать надо: несмотря на высокий коэффициент усиления по напряжению, его едва хватает, и 20-процентного разброса R1 (рис. 7) достаточно, чтобы вывести МС из рабочей точки. В качестве лучшей кандидатуры на замену можно назвать микросхему КР1434УД1 (производитель - завод "Гравитон", находится на Украине, но его без всяких оговорок можно назвать отечественным производителем, потому что расположен на ул. Русской д. 248:-)) с любым буквенным индексом, которая обеспечивает требуемые параметры при напряжении питания от 3 до 18 В. Мною были использованы подстроенные резисторы серии СПЗ-38. Светодиод VD1 (рис. 8) любой, например: АП307, АП310, АЛ102. Цвет свечения зависит от твоих (или чьих-то еще) эстетических пристрастий. Переключатель SA1 типа П2К с фиксацией.
По уже сложившейся традиции в качестве конструктивного исполнения предлагаю использовать печатный монтаж. На рис. 9 показано расположение элементов, а на рис. 10 - проводников сигнального тракта девайса, на рис. 11 и 12 то же самое для генератора. О том, как заставить все это работать вместе, расскажу при новом свидании в новом номере и даже открою тайну о том, куда делась микросхема DD1, отсутствующая на платах и присутствующая на рис. 7
|
