μPSD32xx單片機在稅控器中的應(yīng)用

摘要：μPSD32xx是一款集51內(nèi)核與PSD(可編程系統(tǒng)器件)與一身的SoC單片機，具有許多功能部件，性價比高，廣泛應(yīng)用于稅控收款機、稅控器和微型打印機等稅控設(shè)備中。文中介紹了μPSD32xx單片機的主要特性和開發(fā)環(huán)境，給出了應(yīng)用該芯片實現(xiàn)稅控器的軟硬件設(shè)計方案。 關(guān)鍵詞：μPSD3234A;稅控器;模塊化設(shè)計;API函數(shù) 1 引言 稅控設(shè)備是國家稅務(wù)部門實現(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，是在計算機等電子設(shè)備的配合下實現(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、可靠存儲和安全傳輸，能滿足稅務(wù)機關(guān)的管理和數(shù)據(jù)核查等要求。稅控器通常與一臺普通收款機(主機)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并提高開發(fā)的通用性，可采用平臺思想和模塊化設(shè)計，劃分層次結(jié)構(gòu)，以盡可能實現(xiàn)硬件的靈活性和軟件的可移植性。 2 μPSD32xx單片機簡介 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，它采用增強型MCS-51內(nèi)核，是MCU+PSD的SoC單片機，該器件具有如下特點： ●2片F(xiàn)lash存儲器，用于存儲程序或數(shù)據(jù)，易于實現(xiàn)在應(yīng)用編程(IAP)功能。 ●可選擇備電保護的大容量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37或46個I/O引腳?！裰鲝姆绞降腎2C。 ●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中進行設(shè)計、編譯和仿真，并運用ST公司的PSDsoft Express軟件進行編程下載和內(nèi)部配置。該軟件可以對μPSD32xx系列單片機的片內(nèi)Flash、SRAM和PLD進行配置，并將編譯生成的程序代碼文件(.HEX)和配置文件融合生成.OBJ文件下載到單片機中。下載時還需使用FlashLINK編程電纜連接PC機的標(biāo)準并口和單片機的JTAG口。 3 硬件設(shè)計方案 3.1 硬件需求 稅控器應(yīng)具備的基本功能如下：具有實時時鐘和記錄稅控數(shù)據(jù)的大容量存儲器;帶有符合ISO7816標(biāo)準的IC卡讀寫器，支持稅控卡、用戶卡和稅務(wù)管理卡;可通過USB或串口與主機通訊;具有在掉電后可保存存儲器數(shù)據(jù)和時鐘運行的備份電池;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，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與主機相連，通過I2C與RTC相連，通過I/O與ICC及MEM相連。 (2) 時鐘模塊RTC 時鐘模塊RTC采用ST公司的M41T0M6，該芯片具有實時時鐘/日歷功能，可計時毫秒、秒、分鐘、小時、星期、日、月、年、世紀。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)時鐘的繼續(xù)運行。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)存儲器MEM 存儲器MEM采用ST公司的2MB串行Flash芯片M25P16，共有32個扇區(qū)，每個扇區(qū)256頁，每頁256字節(jié)，頁編程時間為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)動可達24mA。Flash存儲器主要用來存儲發(fā)票數(shù)據(jù)和稅控數(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。工作電壓5V，電流150mA，內(nèi)置DC/DC，能為每個卡提供65mA/5V電源，外部晶振14.28MHz，內(nèi)置可編程的卡通信總線時鐘。 MCU通過I/O線與NCN6004A進行串行通信。為了節(jié)省I/O資源，可選擇復(fù)用連線方式，即兩個卡共享一路通道，由選卡信號區(qū)分，分別實現(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，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。 (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。 為了實現(xiàn)電保護功能，采用Onsemi公司的升壓芯片NCP1402SN50T1，其最低輸入啟動電壓為0.8V，輸出電壓5V，輸出電流200mA。當(dāng)系統(tǒng)正常工作時，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間，此時可完成一些重要的任務(wù)，以避免異常斷電產(chǎn)生錯誤。大電容采用了兩個串聯(lián)的3.3F/2.5V卷繞型電容，當(dāng)充滿時可維持供電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可實現(xiàn)上電復(fù)位和手動復(fù)位，還具有電壓監(jiān)控功能，設(shè)計時在其PFI端連接適當(dāng)?shù)姆謮弘娮?，這樣當(dāng)主電源掉電時，MAX708就可產(chǎn)生掉電中斷信號，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、運行、自檢測等狀態(tài)指示。 4 實際應(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。圖中給出了時鐘、Flash存儲器和IC卡模塊與MCU的連接方式。 5 軟件設(shè)計方案 稅控器軟件總體上包含兩大部分：主機端軟件和設(shè)備端軟件。主機端與設(shè)備端之間采用“命令—應(yīng)答”方式進行數(shù)據(jù)通訊。由主機端發(fā)送命令，設(shè)備端應(yīng)答。 主機端軟件可分為四層：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)負責(zé)系統(tǒng)和設(shè)備的初始化、與主機間的通訊監(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，負責(zé)機器初始化和注冊、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、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)計的管理程序，主要包括IC卡管理、存儲器管理、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)計的操作命令程序，可分為基本命令和擴展命令。基本命令有文件操作、讀寫記錄、產(chǎn)生隨機數(shù)、內(nèi)外部認證、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、報稅數(shù)據(jù)匯總等功能。 存儲器管理程序用來對Flash存儲空間進行地址分配管理。該程序按循環(huán)記錄的方式設(shè)計，主要完成發(fā)票明細、日交易和卷匯總記錄的格式化、讀寫、查找等事務(wù)。同時還負責(zé)存儲在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)范以及人機接口設(shè)備(HID)類別的要求設(shè)計的，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，并使用輸入輸出報表(Report)格式來與主機交換數(shù)據(jù)。 5.4 硬件驅(qū)動層 硬件驅(qū)動層是使各個硬件設(shè)備實現(xiàn)底層操作的驅(qū)動程序，包括時鐘、IC卡、Flash MEM、UART和USB等API庫函數(shù)。其中時鐘函數(shù)實現(xiàn)設(shè)置、讀、寫時鐘和日歷等功能。IC卡函數(shù)實現(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)實現(xiàn)外部Flash存儲器的擦除、讀、寫等功能。UART和USB函數(shù)實現(xiàn)設(shè)置、接收和發(fā)送數(shù)據(jù)等功能。 圖3 6 結(jié)束語 文中介紹了稅控器的設(shè)計原理，本設(shè)計方案已通過應(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，在實際產(chǎn)品中，可考慮采用模塊化設(shè)計思想，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，來達到降低成本，提高效率和節(jié)省時間的目的。