基于ARM控制器LPC2214的稅控收款機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

引言
稅控收款機(jī)是指具有特定稅控功能的電子收款機(jī)，它是集軟硬件為一體的嵌入式系統(tǒng)，硬件設(shè)計(jì)考慮高性?xún)r(jià)比和高可靠性，軟件設(shè)計(jì)考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。根據(jù)這一原則，本文介紹了一種基于ARM控制器LPC2214的稅控收款機(jī)的設(shè)計(jì)方案。

稅控收款機(jī)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
稅控收款機(jī)的硬件組成框圖如圖1所示，其硬件系統(tǒng)由中央處理模塊、顯示模塊、打印模塊、電源模塊、時(shí)鐘模塊、IC卡接口、外部通訊接口(包括RS232串行接口、網(wǎng)絡(luò)接口、USB接口等)、蜂鳴器，以及輸入鍵盤(pán)、電子鎖、條碼掃描儀和手寫(xiě)板等幾部分組成。

圖1 稅控收款機(jī)硬件框圖

中央處理模塊
中央處理模塊采用飛利浦公司基于32位ARM7TDMI-S內(nèi)核的低功耗ARM處理器LPC2214。該處理器是飛利浦公司為嵌入式應(yīng)用提供的高性?xún)r(jià)比微控制器解決方案，通過(guò)在ARM7TDMI-S內(nèi)容基礎(chǔ)上擴(kuò)展一系列的通用外圍器件，使系統(tǒng)費(fèi)用降至最低，增強(qiáng)了系統(tǒng)對(duì)外部設(shè)備的支持能力。由于LPC2114集成了豐富的片上資源，所以系統(tǒng)本身的擴(kuò)展大大減少，這不但減小了產(chǎn)品的體積，而且便于維護(hù)。

顯示模塊
作為人機(jī)交互的顯示模塊包括一個(gè)LCD主顯示屏和一個(gè)9位的VFD用戶(hù)顯示屏，其中LCD采用內(nèi)置KS0107/KS0108控制器的圖形點(diǎn)陣式液晶，顯示分辨率為19264，可顯示165個(gè)1112點(diǎn)陣的漢字；VFD通過(guò)具有SPI接口的芯片HT16512進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

打印模塊
系統(tǒng)選用EPSON公司的MU110II打印機(jī)頭，供電電壓為DC24V。電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用MTD2003F，針驅(qū)動(dòng)采用MTA001M，由LPC2214的通用I/O口進(jìn)行控制。

電源管理模塊
系統(tǒng)采用開(kāi)關(guān)電源為L(zhǎng)PC2214提供5V電源。由于稅控收款機(jī)對(duì)掉電保護(hù)有嚴(yán)格要求，所以在電源管理模塊中設(shè)計(jì)了掉電保護(hù)電路，可以在掉電時(shí)維持系統(tǒng)正常工作一定時(shí)間。掉電時(shí)該電路會(huì)發(fā)送給處理器一個(gè)中斷，使系統(tǒng)進(jìn)入掉電中斷處理程序，進(jìn)行相應(yīng)的掉電保護(hù)工作。

時(shí)鐘模塊
時(shí)鐘模塊采用I2C總線(xiàn)時(shí)鐘芯片P8563AP，在后備電池的支持下，能保證系統(tǒng)掉電后片內(nèi)時(shí)鐘繼續(xù)運(yùn)行。

稅控存儲(chǔ)器
稅控收款機(jī)需要記錄大量的數(shù)據(jù)信息，本系統(tǒng)采用了ATMEL公司具有SPI接口的Flash存儲(chǔ)器AT45DB321，由于LPC2214微控制器具有SPI的接口，所以能夠方便地同它相連接。設(shè)計(jì)上采用可插拔式模塊，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊與系統(tǒng)主板分離。此設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是當(dāng)系統(tǒng)出錯(cuò)時(shí)，能夠?qū)⒅匾獢?shù)據(jù)及時(shí)轉(zhuǎn)移，降低了數(shù)據(jù)發(fā)生錯(cuò)誤的幾率，提高了數(shù)據(jù)的完整性和可靠性。在稅控卡的配合下，可以將相關(guān)的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)移到另一正常工作的機(jī)器中繼續(xù)進(jìn)行工作，保證數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的時(shí)效性。另外，也可以在維護(hù)和檢修時(shí)采用替換法，這體現(xiàn)出很強(qiáng)的實(shí)用性和可操作性。

IC卡接口
通常的設(shè)計(jì)中會(huì)使用專(zhuān)用IC卡讀寫(xiě)芯片為系統(tǒng)提供ISO7816的接口，如CTS56I01、WatchCore、TDA8020等。本系統(tǒng)沒(méi)有進(jìn)行硬件擴(kuò)展，充分利用LPC2214的性能特性，實(shí)現(xiàn)了符合ISO7816標(biāo)準(zhǔn)的IC卡接口功能。

智能卡芯片的接口信號(hào)包括：電源電壓(VCC)、地(GND)、復(fù)位(RST)、時(shí)鐘(CLK)、編程電壓(VPP)、輸入輸出(I/O)。如圖2所示，I/O、RST由LPC2214微控制器的通用I/O口(GPIO)來(lái)控制，通過(guò)軟件模擬數(shù)據(jù)讀寫(xiě)操作時(shí)序，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換，其中I/O上信號(hào)的傳輸是雙向的，所以要利用軟件根據(jù)時(shí)序不斷轉(zhuǎn)換輸入輸出的狀態(tài)。此方法具有成本低、方便靈活等特點(diǎn)。

其它模塊
鍵盤(pán)控制芯片采用具有SPI串行接口的ZLG7289B，該芯片可連接多達(dá)64鍵的鍵盤(pán)矩陣，可滿(mǎn)足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

由于LPC2214未集成USB控制器，因此系統(tǒng)中采用了CYPRESS公司內(nèi)含USB主/從控制器、可支持全速數(shù)據(jù)傳輸?shù)腢SB控制芯片SL811HS，以支持U盤(pán)和移動(dòng)硬盤(pán)讀寫(xiě)操作。此外，本系統(tǒng)采用RTL8019以太網(wǎng)控制器擴(kuò)展31個(gè)以太網(wǎng)接口，稅控收款機(jī)相互之間可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，并且可以和PC機(jī)的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

稅控收款機(jī)軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
稅控收款機(jī)軟件結(jié)構(gòu)
稅控收款機(jī)軟件采用分層次結(jié)構(gòu)化、模塊化設(shè)計(jì)，依次分為業(yè)務(wù)處理層、接口層、設(shè)備驅(qū)動(dòng)層和硬件平臺(tái)等4個(gè)層次。其中業(yè)務(wù)處理層完成稅控收款機(jī)具體的業(yè)務(wù)處理；接口層作為業(yè)務(wù)處理層與設(shè)備驅(qū)動(dòng)層的橋梁，提供與具體硬件平臺(tái)無(wú)關(guān)的應(yīng)用程序接口(API)，其主要功能是對(duì)下層設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行封裝，并提供一些公共的函數(shù)庫(kù)；設(shè)備驅(qū)動(dòng)層即BSP(Board Support Package，板級(jí)支持包)，包含具體硬件平臺(tái)的各種設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。

采用如上架構(gòu)的系統(tǒng)軟件層次結(jié)構(gòu)清晰，直接相鄰的上下層之間存在依賴(lài)關(guān)系，不相鄰的上下層之間沒(méi)有依賴(lài)關(guān)系。同層各模塊之間的調(diào)用通過(guò)預(yù)定義的模塊輸出接口函數(shù)實(shí)現(xiàn)，各模塊之間的耦合度低，具有良好的可移植性和可擴(kuò)充性。如果要針對(duì)不同的行業(yè)設(shè)計(jì)不同的機(jī)型或根據(jù)需要擴(kuò)充系統(tǒng)功能時(shí)，只需修改業(yè)務(wù)處理層，接口層和設(shè)備驅(qū)動(dòng)層均無(wú)需修改；如果是變換了硬件平臺(tái)，則只需修改設(shè)備驅(qū)動(dòng)層和接口層，業(yè)務(wù)處理層無(wú)需修改。

圖2 稅控收款機(jī)IC卡接口

業(yè)務(wù)處理層設(shè)計(jì)
業(yè)務(wù)處理層是稅控收款機(jī)軟件架構(gòu)中的最上層，與具體的硬件平臺(tái)無(wú)關(guān)，作為一個(gè)應(yīng)用軟件可方便地移植到不同的硬件平臺(tái)上。該層用于實(shí)現(xiàn)商務(wù)和稅控兩大主要功能，由4個(gè)模塊組成。

主程序(主控模塊)進(jìn)行系統(tǒng)自檢、軟硬件的初始化、調(diào)度運(yùn)行業(yè)務(wù)處理層的其它模塊以及處理掉電數(shù)據(jù)恢復(fù)、數(shù)據(jù)整理，并控制整個(gè)軟件的流程；稅控功能模塊實(shí)現(xiàn)GB18240-2003國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中的稅控功能，負(fù)責(zé)機(jī)器初始化和注冊(cè)、發(fā)票的購(gòu)買(mǎi)分發(fā)、開(kāi)發(fā)票(包括退票、廢票處理)、稅控?cái)?shù)據(jù)申報(bào)、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)回送、稅務(wù)核查等；商務(wù)功能模塊由銷(xiāo)售子模塊、統(tǒng)計(jì)分析(報(bào)表)子模塊、設(shè)置管理子模塊以及其它一些功能子模塊組成；通訊模塊負(fù)責(zé)與運(yùn)行在上位機(jī)(PC)上的稅控收款機(jī)管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

接口層設(shè)計(jì)
接口層作為一個(gè)抽象層僅提供應(yīng)用程序接口，不對(duì)具體硬件操作，也不處理具體業(yè)務(wù)，是針對(duì)復(fù)雜設(shè)備設(shè)計(jì)的管理程序，主要包括IC卡管理、存儲(chǔ)器管理、USB通訊管理等。以下詳細(xì)介紹存儲(chǔ)器管理中的發(fā)票存儲(chǔ)管理模塊。
稅控收款機(jī)要求能夠可靠存儲(chǔ)大量發(fā)票數(shù)據(jù)，因此發(fā)票存儲(chǔ)管理模塊是本系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵模塊。為了節(jié)約存儲(chǔ)空間，本系統(tǒng)中發(fā)票存儲(chǔ)系統(tǒng)采用了變長(zhǎng)滾動(dòng)存儲(chǔ)方法。

變長(zhǎng)即指發(fā)票長(zhǎng)度因各發(fā)票頭部和其所含明細(xì)的不同，占用的存儲(chǔ)空間大小也不同。本系統(tǒng)中發(fā)票頭部分別可能占用32、64、96字節(jié)，發(fā)票最大明細(xì)數(shù)為8，每筆明細(xì)占用32字節(jié)。這樣，每張發(fā)票所占存儲(chǔ)空間為1個(gè)~11個(gè)32字節(jié)。發(fā)票在存儲(chǔ)器中的存儲(chǔ)位置也是以32字節(jié)為單位對(duì)齊的，兩張發(fā)票之間位置首尾相連，沒(méi)有冗余空間。

滾動(dòng)存儲(chǔ)即指在存儲(chǔ)空間固定的情況下，循環(huán)利用這部分存儲(chǔ)空間，當(dāng)所存儲(chǔ)的發(fā)票占用到了足夠大的空間時(shí)，新的發(fā)票可能會(huì)覆蓋掉最早存儲(chǔ)的發(fā)票位置。
由于發(fā)票變長(zhǎng)存儲(chǔ)，所占空間大小不一，為了達(dá)到隨機(jī)訪問(wèn)的目的，需要建立一張位置索引表，表中的每項(xiàng)指明發(fā)票的實(shí)際存儲(chǔ)位置，比如，位置索引表中的第n項(xiàng)就是第n張發(fā)票在存儲(chǔ)器中的位置。同時(shí)，為了加快通過(guò)發(fā)票號(hào)查找發(fā)票詳細(xì)信息的查找速度，要最大可能地減少對(duì)存儲(chǔ)器的訪問(wèn)次數(shù)，這是提高查找速度的關(guān)鍵。本系統(tǒng)采用Hash索引表來(lái)快速定位所要查找的發(fā)票，為了解決該算法的Hash值計(jì)算沖突，另外建立了一張Hash鏈接表，此表的長(zhǎng)度和位置索引表相同，表中每個(gè)值代表Hash值沖突的下一張發(fā)票的位置。

設(shè)備驅(qū)動(dòng)層設(shè)計(jì)
設(shè)備驅(qū)動(dòng)層包括直接操作外設(shè)的驅(qū)動(dòng)，如IC卡、Flash、LCD、VFD、打印機(jī)、USB、鍵盤(pán)、時(shí)鐘等外設(shè)的驅(qū)動(dòng)；另外還包括LPC2214內(nèi)部配置驅(qū)動(dòng)，如內(nèi)部寄存器配置、UART配置、GPIO設(shè)置、RTC讀寫(xiě)、TIMER設(shè)置等。其中ISO7816標(biāo)準(zhǔn)IC卡驅(qū)動(dòng)是一個(gè)關(guān)鍵部分，它包含插卡檢測(cè)、卡上下電、卡復(fù)位和卡命令等功能。

IC卡與LPC2214微控制器的數(shù)據(jù)傳輸方式為異步半雙工字符傳輸模式，本系統(tǒng)使用軟件實(shí)現(xiàn)該功能。利用LPC2214的GPIO來(lái)軟件模擬IC卡的讀寫(xiě)操作時(shí)序，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換：接收數(shù)據(jù)時(shí)將LPC2214的GPIO設(shè)置為輸入模式，使用中斷程序?qū)/O數(shù)據(jù)線(xiàn)進(jìn)行采樣；發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)將LPC2214的GPIO設(shè)置為輸出模式，在中斷程序中直接輸出需要發(fā)送的數(shù)據(jù)位。

異常情況處理
當(dāng)異常情況(如斷電、拔卡等)發(fā)生時(shí)，稅控收款機(jī)應(yīng)保證數(shù)據(jù)不丟失、無(wú)差錯(cuò)。本系統(tǒng)從兩方面保證了數(shù)據(jù)的可靠性。一方面，在初始化、分發(fā)發(fā)票、錄入發(fā)票、開(kāi)票、報(bào)稅及完稅等關(guān)鍵步驟前先檢測(cè)電源是否正常，如已經(jīng)發(fā)生掉電，系統(tǒng)停止工作；否則置標(biāo)志，開(kāi)始正常的步驟操作，步驟完成后，清除標(biāo)志。如果步驟未完成前發(fā)生斷電或IC卡意外拔出等事件，則在下一次上電或重新操作該步驟時(shí)系統(tǒng)會(huì)檢測(cè)到標(biāo)志，軟件將自動(dòng)調(diào)用恢復(fù)機(jī)制，完成剩余操作，恢復(fù)丟失的數(shù)據(jù)。

另一方面，在發(fā)票打印的過(guò)程中如果出現(xiàn)掉電的情況，則需做掉電續(xù)打處理。在發(fā)票開(kāi)始打印前先保存發(fā)票明細(xì)數(shù)據(jù)，置“打印未完成”標(biāo)志；在打印一行數(shù)據(jù)過(guò)程中若發(fā)生掉電，掉電保護(hù)電路發(fā)出一個(gè)中斷，調(diào)用中斷例程，利用掉電保護(hù)電路所維持的工作時(shí)間保存當(dāng)前打印位置，系統(tǒng)停止工作；待重新上電后檢測(cè)到“打印未完成”標(biāo)志，則讀出最后一張發(fā)票明細(xì)數(shù)據(jù)，從斷電時(shí)記錄的位置繼續(xù)打印出一張完整的發(fā)票，并清除標(biāo)志。

數(shù)據(jù)安全性處理
稅控收款機(jī)集商務(wù)、稅控、管理等功能于一體，對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸和存儲(chǔ)要求相當(dāng)高，需要能夠正確地傳輸、存儲(chǔ)、生成及反饋數(shù)據(jù)，因此，對(duì)安全性的要求也相當(dāng)高。本系統(tǒng)的安全性設(shè)計(jì)從以下幾個(gè)方面來(lái)體現(xiàn)。

系統(tǒng)中采取了用戶(hù)權(quán)限分級(jí)管理的方法，設(shè)置了三種具有不同操作權(quán)限的角色：系統(tǒng)管理員、收款員、稅務(wù)稽查員。用戶(hù)與角色關(guān)聯(lián)，用戶(hù)密碼采用6位~8位數(shù)字，密碼以密文形式存儲(chǔ)在Flash內(nèi)。進(jìn)入相應(yīng)的用戶(hù)模式都要通過(guò)對(duì)應(yīng)的密碼校驗(yàn)，才能夠登錄稅控收款機(jī)，執(zhí)行本用戶(hù)級(jí)的相應(yīng)操作。

系統(tǒng)會(huì)對(duì)Flash的數(shù)據(jù)寫(xiě)入操作做讀校驗(yàn)，在讀寫(xiě)存儲(chǔ)器中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)時(shí)比較、保存校驗(yàn)和；在開(kāi)機(jī)自檢和使用稅控?cái)?shù)據(jù)時(shí)對(duì)稅控?cái)?shù)據(jù)作數(shù)據(jù)完整性校驗(yàn)。
另外，在執(zhí)行關(guān)鍵操作、外部通訊、代碼維護(hù)等操作前系統(tǒng)要對(duì)用戶(hù)進(jìn)行身份鑒別，并對(duì)操作對(duì)應(yīng)的事件產(chǎn)生審計(jì)記錄。

結(jié)語(yǔ)
本系統(tǒng)充分利用LPC2214本身的硬件資源，通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)了符合ISO7816標(biāo)準(zhǔn)的智能IC卡接口，系統(tǒng)設(shè)計(jì)符合稅控收款機(jī)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB18240-2003。整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，便于提高性能和與各種外設(shè)的連接擴(kuò)展，極具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，產(chǎn)品得到了市場(chǎng)的認(rèn)可。

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