引言

稅控收款機是指具有特定稅控功能的電子收款機，它是集軟硬件為一體的嵌入式系統，硬件設計考慮高性價比和高可靠性，軟件設計考慮系統的穩定性和可靠性。根據這一原則，本文介紹了一種基于ARM控制器LPC2214的稅控收款機的設計方案。

稅控收款機硬件系統的

設計與實現

稅控收款機的硬件組成框圖如圖1所示，其硬件系統由中央處理模塊、顯示模塊、打印模塊、電源模塊、時鐘模塊、IC卡接口、外部通訊接口（包括RS232串行接口、網絡接口、USB接口等）、蜂鳴器，以及輸入鍵盤、電子鎖、條碼掃描儀和手寫板等幾部分組成。

圖1 稅控收款機硬件框圖

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用提供的高性價比微控 制器解決方案，通過在ARM7TDMI-S內容基礎上擴展一系列的通用外圍器件，使系統費用降至最低，增強了系統對外部設備的支持能力。由于 LPC2114集成了豐富的片上資源，所以系統本身的擴展大大減少，這不但減小了產品的體積，而且便于維護。

顯示模塊

作為人機交互的顯示 模塊包括一個LCD主顯示屏和一個9位的VFD用戶顯示屏，其中LCD采用內置KS0107/KS0108控制器的圖形點陣式液晶，顯示分辨率為192× 64，可顯示16×5個11×12點陣的漢字；VFD通過具有SPI接口的芯片HT16512進行驅動。

打印模塊

系統選用EPSON公司的MU110II打印機頭，供電電壓為DC24V。電機驅動采用MTD2003F，針驅動采用MTA001M，由LPC2214的通用I/O口進行控制。

電源管理模塊

系統采用開關電源為LPC2214提供5V電源。由于稅控收款機對掉電保護有嚴格要求，所以在電源管理模塊中設計了掉電保護電路，可以在掉電時維持系統正常工作一定時間。掉電時該電路會發送給處理器一個中斷，使系統進入掉電中斷處理程序，進行相應的掉電保護工作。

時鐘模塊

時鐘模塊采用I2C總線時鐘芯片P8563AP，在后備電池的支持下，能保證系統掉電后片內時鐘繼續運行。

稅控存儲器

稅 控收款機需要記錄大量的數據信息，本系統采用了ATMEL公司具有SPI接口的Flash存儲器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。設計上采用可插拔式模塊，將數據存儲模塊與系統主板分離。此設計的特點是當系統出錯時，能夠將重要數據及時轉 移，降低了數據發生錯誤的幾率，提高了數據的完整性和可靠性。在稅控卡的配合下，可以將相關的數據信息轉移到另一正常工作的機器中繼續進行工作，保證數據 存儲的時效性。另外，也可以在維護和檢修時采用替換法，這體現出很強的實用性和可操作性。

IC卡接口

通常的設計中會使用專用IC卡讀寫芯片為系統提供ISO7816的接口，如CTS56I01、WatchCore、TDA8020等。本系統沒有進行硬件擴展，充分利用LPC2214的性能特性，實現了符合ISO7816標準的IC卡接口功能。

智 能卡芯片的接口信號包括：電源電壓（VCC）、地（GND）、復位（RST）、時鐘（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）來控制，通過軟件模擬數據讀寫操作時序，實現數據的交換，其中I/O上信號的傳輸是雙 向的，所以要利用軟件根據時序不斷轉換輸入輸出的狀態。此方法具有成本低、方便靈活等特點。

其它模塊

鍵盤控制芯片采用具有SPI串行接口的ZLG7289B，該芯片可連接多達64鍵的鍵盤矩陣，可滿足本系統的設計要求。

由 于LPC2214未集成USB控制器，因此系統中采用了CYPRESS公司內含USB主/從控制器、可支持全速數據傳輸的USB控制芯片SL811HS， 以支持U盤和移動硬盤讀寫操作。此外，本系統采用RTL8019以太網控制器擴展31個以太網接口，稅控收款機相互之間可以通過網絡接口進行數據通信，并 且可以和PC機的數據庫系統進行數據交換。

稅控收款機軟件系統的設計與實現

稅控收款機軟件結構

稅控收款機軟件采用分層次結構化、模塊化設計，依次分為業務處理層、接 口層、設備驅動層和硬件平臺等4個層次。其中業務處理層完成稅控收款機具體的業務處理；接口層作為業務處理層與設備驅動層的橋梁，提供與具體硬件平臺無關 的應用程序接口（API），其主要功能是對下層設備驅動程序進行封裝，并提供一些公共的函數庫；設備驅動層即BSP（Board Support Package，板級支持包），包含具體硬件平臺的各種設備驅動程序。

采用如上架構的系統軟件層次結構清晰，直接相鄰的上下層之間存在依賴關系， 不相鄰的上下層之間沒有依賴關系。同層各模塊之間的調用通過預定義的模塊輸出接口函數實現，各模塊之間的耦合度低，具有良好的可移植性和可擴充性。如果要 針對不同的行業設計不同的機型或根據需要擴充系統功能時，只需修改業務處理層，接口層和設備驅動層均無需修改；如果是變換了硬件平臺，則只需修改設備驅動 層和接口層，業務處理層無需修改。

圖2 稅控收款機IC卡接口

業務處理層設計

業務處理層是稅控收款機軟件架構中的最上層，與具體的硬件平臺無關，作為一個應用軟件可方便地移植到不同的硬件平臺上。該層用于實現商務和稅控兩大主要功能，由4個模塊組成。

主 程序（主控模塊）進行系統自檢、軟硬件的初始化、調度運行業務處理層的其它模塊以及處理掉電數據恢復、數據整理，并控制整個軟件的流程；稅控功能模塊實現 GB18240-2003國家標準中的稅控功能，負責機器初始化和注冊、發票的購買分發、開發票（包括退票、廢票處理）、稅控數據申報、監控數據回送、稅 務核查等；商務功能模塊由銷售子模塊、統計分析（報表）子模塊、設置管理子模塊以及其它一些功能子模塊組成；通訊模塊負責與運行在上位機（PC）上的稅控 收款機管理系統進行數據通信。

接口層設計

接口層作為一個抽象層僅提供應用程序接口，不對具體硬件操作，也不處理具體業務，是針對復雜設備設計的管理程序，主要包括IC卡管理、存儲器管理、USB通訊管理等。以下詳細介紹存儲器管理中的發票存儲管理模塊。

稅控收款機要求能夠可靠存儲大量發票數據，因此發票存儲管理模塊是本系統的一個關鍵模塊。為了節約存儲空間，本系統中發票存儲系統采用了變長滾動存儲方法。

變 長即指發票長度因各發票頭部和其所含明細的不同，占用的存儲空間大小也不同。本系統中發票頭部分別可能占用32、64、96字節，發票最大明細數為8，每 筆明細占用32字節。這樣，每張發票所占存儲空間為1個~11個32字節。發票在存儲器中的存儲位置也是以32字節為單位對齊的，兩張發票之間位置首尾相 連，沒有冗余空間。

滾動存儲即指在存儲空間固定的情況下，循環利用這部分存儲空間，當所存儲的發票占用到了足夠大的空間時，新的發票可能會覆蓋掉最早存儲的發票位置。

由 于發票變長存儲，所占空間大小不一，為了達到隨機訪問的目的，需要建立一張位置索引表，表中的每項指明發票的實際存儲位置，比如，位置索引表中的第n項就 是第n張發票在存儲器中的位置。同時，為了加快通過發票號查找發票詳細信息的查找速度，要最大可能地減少對存儲器的訪問次數，這是提高查找速度的關鍵。本 系統采用Hash索引表來快速定位所要查找的發票，為了解決該算法的Hash值計算沖突，另外建立了一張Hash鏈接表，此表的長度和位置索引表相同，表 中每個值代表Hash值沖突的下一張發票的位置。

設備驅動層設計

設備驅動層包括直接操作外設的驅動，如IC卡、Flash、LCD、 VFD、打印機、USB、鍵盤、時鐘等外設的驅動；另外還包括LPC2214內部配置驅動，如內部寄存器配置、UART配置、GPIO設置、RTC讀寫、 TIMER設置等。其中ISO7816標準IC卡驅動是一個關鍵部分，它包含插卡檢測、卡上下電、卡復位和卡命令等功能。

IC卡與LPC2214 微控制器的數據傳輸方式為異步半雙工字符傳輸模式，本系統使用軟件實現該功能。利用LPC2214的GPIO來軟件模擬IC卡的讀寫操作時序，進行數據交 換：接收數據時將LPC2214的GPIO設置為輸入模式，使用中斷程序對I/O數據線進行采樣；發送數據時將LPC2214的GPIO設置為輸出模式， 在中斷程序中直接輸出需要發送的數據位。

異常情況處理

當異常情況（如斷電、拔卡等）發生時，稅控收款機應保證數據不丟失、無差錯。本系統 從兩方面保證了數據的可靠性。一方面，在初始化、分發發票、錄入發票、開票、報稅及完稅等關鍵步驟前先檢測電源是否正常，如已經發生掉電，系統停止工作； 否則置標志，開始正常的步驟操作，步驟完成后，清除標志。如果步驟未完成前發生斷電或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系統會檢測 到標志，軟件將自動調用恢復機制，完成剩余操作，恢復丟失的數據。

另一方面，在發票打印的過程中如果出現掉電的情況，則需做掉電續打處理。在發票 開始打印前先保存發票明細數據，置“打印未完成”標志；在打印一行數據過程中若發生掉電，掉電保護電路發出一個中斷，調用中斷例程，利用掉電保護電路所維 持的工作時間保存當前打印位置，系統停止工作；待重新上電后檢測到“打印未完成”標志，則讀出最后一張發票明細數據，從斷電時記錄的位置繼續打印出一張完 整的發票，并清除標志。

數據安全性處理

稅控收款機集商務、稅控、管理等功能于一體，對數據的傳輸和存儲要求相當高，需要能夠正確地傳輸、存儲、生成及反饋數據，因此，對安全性的要求也相當高。本系統的安全性設計從以下幾個方面來體現。

系 統中采取了用戶權限分級管理的方法，設置了三種具有不同操作權限的角色：系統管理員、收款員、稅務稽查員。用戶與角色關聯，用戶密碼采用6位~8位數字， 密碼以密文形式存儲在Flash內。進入相應的用戶模式都要通過對應的密碼校驗，才能夠登錄稅控收款機，執行本用戶級的相應操作。

系統會對Flash的數據寫入操作做讀校驗，在讀寫存儲器中的關鍵數據時比較、保存校驗和；在開機自檢和使用稅控數據時對稅控數據作數據完整性校驗。

另外，在執行關鍵操作、外部通訊、代碼維護等操作前系統要對用戶進行身份鑒別，并對操作對應的事件產生審計記錄。

結語

本系統充分利用LPC2214本身的硬件資源，通過軟件實現了符合ISO7816標準的智能IC卡接口，系統設計符合稅控收款機國家標準GB18240-2003。整個系統設計結構簡潔，便于提高性能和與各種外設的連接擴展，極具競爭優勢，產品得到了市場的認可。