基于51內(nèi)核μPSD32xx單片機(jī)在稅控器中的應(yīng)用

１ 引言

稅控設(shè)備是國家稅務(wù)部門實(shí)現(xiàn)稅收管理信息化的必然手段之一，稅控器作為稅控設(shè)備之一，是在計(jì)算機(jī)等電子設(shè)備的配合下實(shí)現(xiàn)稅控功能的電子裝置，它可保證經(jīng)營數(shù)據(jù)的正確生成、可靠存儲(chǔ)和安全傳輸，能滿足稅務(wù)機(jī)關(guān)的管理和數(shù)據(jù)核查等要求。稅控器通常與一臺(tái)普通收款機(jī)（主機(jī)）相連，共同完成經(jīng)營和稅控的功能，連接關(guān)系見圖１。

稅控器是集軟硬件于一體的嵌入式系統(tǒng)，為了更有效地使用單片機(jī)并提高開發(fā)的通用性，可采用平臺(tái)思想和模塊化設(shè)計(jì)，劃分層次結(jié)構(gòu)，以盡可能實(shí)現(xiàn)硬件的靈活性和軟件的可移植性。

２ μPSD32xx單片機(jī)簡介

２．１ 主要特性

μＰＳＤ３２ｘｘ系列是ＳＴ（意法半導(dǎo)體）公司推出的新型單片機(jī)，它采用增強(qiáng)型ＭＣＳ－５１內(nèi)核，是ＭＣＵ＋ＰＳＤ的ＳｏＣ單片機(jī)，該器件具有如下特點(diǎn)：

●２片Ｆｌａｓｈ存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)程序或數(shù)據(jù)，易于實(shí)現(xiàn)在應(yīng)用編程(ＩＡＰ)功能。

●可選擇備電保護(hù)的大容量ＳＲＡＭ。

●２種可編程邏輯電路，分別為地址譯碼ＤＰＬＤ和組合邏輯ＣＰＬＤ。

●６組通用Ｉ／Ｏ提供多達(dá)３７或４６個(gè)Ｉ／Ｏ引腳。●主從方式的Ｉ２Ｃ。

●低速模式的ＵＳＢ １．１。

●２路串行通道ＵＡＲＴ。

●在系統(tǒng)編程的ＪＴＡＧ口。

２．２ 開發(fā)環(huán)境

系統(tǒng)軟件可在ＫＥＩＬ公司的ＫＥＩＬ ５１集成開發(fā)環(huán)境μＶｉｓｉｏｎ２中進(jìn)行設(shè)計(jì)、編譯和仿真，并運(yùn)用ＳＴ公司的ＰＳＤｓｏｆｔ Ｅｘｐｒｅｓｓ軟件進(jìn)行編程下載和內(nèi)部配置。該軟件可以對μＰＳＤ３２ｘｘ系列單片機(jī)的片內(nèi)Ｆｌａｓｈ、ＳＲＡＭ和ＰＬＤ進(jìn)行配置，并將編譯生成的程序代碼文件（．ＨＥＸ）和配置文件融合生成．ＯＢＪ文件下載到單片機(jī)中。下載時(shí)還需使用ＦｌａｓｈＬＩＮＫ編程電纜連接ＰＣ機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)并口和單片機(jī)的ＪＴＡＧ口。

３ 硬件設(shè)計(jì)方案

３．１ 硬件需求

稅控器應(yīng)具備的基本功能如下：具有實(shí)時(shí)時(shí)鐘和記錄稅控?cái)?shù)據(jù)的大容量存儲(chǔ)器；帶有符合ＩＳＯ７８１６標(biāo)準(zhǔn)的ＩＣ卡讀寫器，支持稅控卡、用戶卡和稅務(wù)管理卡；可通過ＵＳＢ或串口與主機(jī)通訊；具有在掉電后可保存存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)和時(shí)鐘運(yùn)行的備份電池；允許異常斷電而不破壞任何有效數(shù)據(jù)。

３．２ 硬件系統(tǒng)組成

稅控器內(nèi)部的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖２。

（１） 主控模塊ＭＣＵ

主控模塊ＭＣＵ采用ＳＴ公司的μＰＳＤ３２３４Ａ單片機(jī)，它內(nèi)部具有２５６ｋＢ的主Ｆｌａｓｈ、３２ｋＢ的次Ｆｌａｓｈ和８ｋＢ ＳＲＡＭ，工作電壓為５Ｖ，選用２４ＭＨｚ晶振。其中ＳＲＡＭ由片外的備用電池供電，可存放一些長期保存的數(shù)據(jù)，維持電流僅需１μＡ。

主控模塊通過ＵＳＢ或ＵＡＲＴ與主機(jī)相連，通過Ｉ２Ｃ與ＲＴＣ相連，通過Ｉ／Ｏ與ＩＣＣ及ＭＥＭ相連。

（２） 時(shí)鐘模塊ＲＴＣ

時(shí)鐘模塊ＲＴＣ采用ＳＴ公司的Ｍ４１Ｔ０Ｍ６，該芯片具有實(shí)時(shí)時(shí)鐘／日歷功能，可計(jì)時(shí)毫秒、秒、分鐘、小時(shí)、星期、日、月、年、世紀(jì)。在系統(tǒng)掉電以后可由片外的備用電池供電，以保持片內(nèi)時(shí)鐘的繼續(xù)運(yùn)行。采用３２．７６８ｋＨｚ晶振，工作電壓５Ｖ，工作電流１３０～２００μＡ，備用電池電壓３Ｖ，維持電流僅需１ｕＡ。Ｉ２Ｃ的最大傳輸速率為４００ｋＨｚ。

（３）存儲(chǔ)器ＭＥＭ

存儲(chǔ)器ＭＥＭ采用ＳＴ公司的２ＭＢ串行Ｆｌａｓｈ芯片Ｍ２５Ｐ１６，共有３２個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)２５６頁，每頁２５６字節(jié)，頁編程時(shí)間為１．４ｍｓ。Ｍ２５Ｐ１６采用ＳＰＩ總線接口，最大傳輸速率５０ＭＨｚ，低工作電壓３．３Ｖ。為了實(shí)現(xiàn)５Ｖ－３．３Ｖ邏輯電平轉(zhuǎn)換，可使用Ｏｎｓｅｍｉ公司的三路非反相施密特觸發(fā)器ＮＬ３７ＷＺ１７，它兼容５Ｖ和３Ｖ邏輯電平，輸出驅(qū)動(dòng)可達(dá)２４ｍＡ。Ｆｌａｓｈ存儲(chǔ)器主要用來存儲(chǔ)發(fā)票數(shù)據(jù)和稅控?cái)?shù)據(jù)。

(４)ＩＣ卡模塊ＩＣＣ

ＩＣ卡模塊ＩＣＣ采用Ｏｎｓｅｍｉ公司的ＮＣＮ６００４Ａ。ＮＣＮ６００４Ａ具有雙路卡接口，符合ＩＳＯ ７８１６－３和ＥＭＶ標(biāo)準(zhǔn)。工作電壓５Ｖ，電流１５０ｍＡ，內(nèi)置ＤＣ／ＤＣ，能為每個(gè)卡提供６５ｍＡ／５Ｖ電源，外部晶振１４．２８ＭＨｚ，內(nèi)置可編程的卡通信總線時(shí)鐘。

ＭＣＵ通過Ｉ／Ｏ線與ＮＣＮ６００４Ａ進(jìn)行串行通信。為了節(jié)?。桑腺Y源，可選擇復(fù)用連線方式，即兩個(gè)卡共享一路通道，由選卡信號(hào)區(qū)分，分別實(shí)現(xiàn)稅控卡和用戶卡的訪問功能。

（５）ＵＳＢ接口

ＭＣＵ內(nèi)部帶有ＵＳＢ通訊控制器，為了濾波和ＥＳＤ保護(hù)，接口部分采用Ｏｎｓｅｍｉ公司的ＳＴＦ２０２。ＳＴＦ２０２的工作電壓為３．３Ｖ，ＤＩＮ２腳內(nèi)部帶１．５ｋΩ上拉電阻。由于ＭＣＵ僅支持低速ＵＳＢ設(shè)備，所以它的ＵＳＢ＿Ｄ＿必須要連接ＳＴＦ２０２的ＤＩＮ２，通訊速率１．５Ｍｂ／ｓ。

（６） ＵＡＲＴ接口

ＵＡＲＴ轉(zhuǎn)換芯片采用Ｉｎｔｅｒｓｉｌ公司的ＨＩＮ２０２，ＭＣＵ內(nèi)部具有２路ＵＡＲＴ，均可選用ＲＳ２３２通訊。ＨＩＮ２０２的工作電壓為５Ｖ，具有２路收發(fā)驅(qū)動(dòng)。

（７）電源模塊ＰＷＲ

系統(tǒng)的外部供電電源分為兩路，一路用ＡＣ／ＤＣ適配器直接提供＋５Ｖ；另一路由主機(jī)通過ＵＳＢ接口線輸入（５Ｖ／５００ｍＡ）。用戶可任選一路直接提供給５Ｖ器件工作。

為了實(shí)現(xiàn)電保護(hù)功能，采用Ｏｎｓｅｍｉ公司的升壓芯片ＮＣＰ１４０２ＳＮ５０Ｔ１，其最低輸入啟動(dòng)電壓為０．８Ｖ，輸出電壓５Ｖ，輸出電流２００ｍＡ。當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，ＮＣＰ１４０２ＳＮ５０Ｔ１可為大電容充電，一旦斷電，大電容仍可維持該芯片工作一段時(shí)間，此時(shí)可完成一些重要的任務(wù)，以避免異常斷電產(chǎn)生錯(cuò)誤。大電容采用了兩個(gè)串聯(lián)的３．３Ｆ／２．５Ｖ卷繞型電容，當(dāng)充滿時(shí)可維持供電３０秒以上。

５Ｖ至３．３Ｖ電壓轉(zhuǎn)換器采用Ｏｎｓｅｍｉ公司的ＮＣＰ５００ＳＮ３３Ｔ１，該芯片輸出電流為１５０ｍＡ，可為３．３Ｖ器件提供工作電壓。

備用電池采用的是兩節(jié)３Ｖ／２１０ｍＡｈ鋰電池，供電至少可維持１０年以上。

（８）監(jiān)控模塊ＭＯＮ

監(jiān)控模塊采用Ｏｎｓｅｍｉ公司的ＭＡＸ７０８，ＭＡＸ７０８可實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位，還具有電壓監(jiān)控功能，設(shè)計(jì)時(shí)在其ＰＦＩ端連接適當(dāng)?shù)姆謮弘娮瑁@樣當(dāng)主電源掉電時(shí)，ＭＡＸ７０８就可產(chǎn)生掉電中斷信號(hào)，用以完成重要的任務(wù)或備份重要的數(shù)據(jù)。

ＭＡＸ７０８工作電壓５Ｖ，復(fù)位的門限值４．３８Ｖ，復(fù)位時(shí)間２００ｍｓ，低壓監(jiān)控輸入門限值１．２５Ｖ。

（９） 狀態(tài)指示ＳＩＣ

狀態(tài)指示采用發(fā)光二級(jí)管，分別用于指示電源接通、卡插入、ＪＡＴＧ程序下載等狀態(tài)。在ＭＣＵ的Ｉ／Ｏ上還可連接出錯(cuò)、運(yùn)行、自檢測等狀態(tài)指示。

４ 實(shí)際應(yīng)用電路

稅控器中ＭＣＵ與其它核心硬件的連接電路圖如圖３所示。圖中給出了時(shí)鐘、Ｆｌａｓｈ存儲(chǔ)器和ＩＣ卡模塊與ＭＣＵ的連接方式。

５ 軟件設(shè)計(jì)方案

稅控器軟件總體上包含兩大部分：主機(jī)端軟件和設(shè)備端軟件。主機(jī)端與設(shè)備端之間采用“命令—應(yīng)答”方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。由主機(jī)端發(fā)送命令，設(shè)備端應(yīng)答。

主機(jī)端軟件可分為四層：應(yīng)用層、稅控函數(shù)層、通訊管理層和設(shè)備驅(qū)動(dòng)層；設(shè)備端軟件也可分為四層：主控層、稅控函數(shù)層、設(shè)備管理層、硬件驅(qū)動(dòng)層。以下主要介紹設(shè)備端軟件架構(gòu)。

５．１ 主控層

主控函數(shù)負(fù)責(zé)系統(tǒng)和設(shè)備的初始化、與主機(jī)間的通訊監(jiān)控、協(xié)議管理、稅控命令包的解釋和任務(wù)的調(diào)度等事務(wù)。

５．２ 稅控函數(shù)層

稅控函數(shù)按照國標(biāo)對稅控器的要求設(shè)計(jì)，負(fù)責(zé)機(jī)器初始化和注冊、分發(fā)發(fā)票、開發(fā)票、退票、廢票、上傳發(fā)票、日交易和卷匯總數(shù)據(jù)、申報(bào)、核查等事務(wù)。

５．３ 設(shè)備管理層

設(shè)備管理層是針對復(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。

ＩＣ卡管理程序是按照ＧＢ１８２４０．２－２００３對稅控ＩＣ卡的要求設(shè)計(jì)的操作命令程序，可分為基本命令和擴(kuò)展命令?；久钣形募僮?、讀寫記錄、產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)、內(nèi)外部認(rèn)證、取響應(yīng)、應(yīng)用鎖定等；稅控卡專用命令有卡注冊、開票，日交易簽名等功能；用戶卡專用命令有注冊簽名、分發(fā)發(fā)票、報(bào)稅數(shù)據(jù)匯總等功能。

存儲(chǔ)器管理程序用來對Ｆｌａｓｈ存儲(chǔ)空間進(jìn)行地址分配管理。該程序按循環(huán)記錄的方式設(shè)計(jì)，主要完成發(fā)票明細(xì)、日交易和卷匯總記錄的格式化、讀寫、查找等事務(wù)。同時(shí)還負(fù)責(zé)存儲(chǔ)在ＳＲＡＭ中地址分配表的管理，指針等數(shù)據(jù)的記錄。

ＵＳＢ通訊管理程序是按照低速ＵＳＢ１．１規(guī)范以及人機(jī)接口設(shè)備（ＨＩＤ）類別的要求設(shè)計(jì)的，用來完成總線枚舉和數(shù)據(jù)通信的事務(wù)。該程序主要采用Ｅｎｄｐｏｉｎｔ ０（ＩＮ／ＯＵＴ）控制傳輸方式，并使用輸入輸出報(bào)表（Ｒｅｐｏｒｔ）格式來與主機(jī)交換數(shù)據(jù)。

５．４ 硬件驅(qū)動(dòng)層

硬件驅(qū)動(dòng)層是使各個(gè)硬件設(shè)備實(shí)現(xiàn)底層操作的驅(qū)動(dòng)程序，包括時(shí)鐘、ＩＣ卡、Ｆｌａｓｈ ＭＥＭ、ＵＡＲＴ和ＵＳＢ等ＡＰＩ庫函數(shù)。其中時(shí)鐘函數(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)置、讀、寫時(shí)鐘和日歷等功能。ＩＣ卡函數(shù)實(shí)現(xiàn)ＩＣ卡的插卡檢測、卡上下電、卡復(fù)位和卡命令等功能。Ｆｌａｓｈ ＭＥＭ函數(shù)實(shí)現(xiàn)外部Ｆｌａｓｈ存儲(chǔ)器的擦除、讀、寫等功能。ＵＡＲＴ和ＵＳＢ函數(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)置、接收和發(fā)送數(shù)據(jù)等功能。



６ 結(jié)束語

文中介紹了稅控器的設(shè)計(jì)原理，本設(shè)計(jì)方案已通過應(yīng)用功能調(diào)試，能夠滿足產(chǎn)品的基本需求。需要說明的是，在實(shí)際產(chǎn)品中，可考慮采用模塊化設(shè)計(jì)思想，也就是說硬件采用模塊＋底板架構(gòu)，主處理及核心硬件都集中于模塊上，電源與接插件等放置在底板上；軟件底層對上層可封裝成ＡＰＩ函數(shù)的形式。這樣便于滿足不同層次的需求，細(xì)分稅控產(chǎn)業(yè)的市場，有利于開發(fā)商和供應(yīng)商的定位選擇。通過多種開發(fā)與合作的途徑，來達(dá)到降低成本，提高效率和節(jié)省時(shí)間的目的。