μPSD32xx单片机在税控器中的应用

    关键词：μPSD3234A；税控器；模块化设计；API函数

１ 引言

税控设备是国家税务部门实现税收管理信息化的必然手段之一，税控器作为税控设备之一，是在计算机等电子设备的配合下实现税控功能的电子装置，它可保证经营数据的正确生成、可靠存储和安全传输，能满足税务机关的管理和数据核查等要求。税控器通常与一台普通收款机（主机）相连，共同完成经营和税控的功能，连接关系见图１。

税控器是集软硬件于一体的嵌入式系统，为了更有效地使用单片机并提高开发的通用性，可采用平台思想和模块化设计，划分层次结构，以尽可能实现硬件的灵活性和软件的可移植性。

２ μPSD32xx单片机简介

２．１ 主要特性

μＰＳＤ３２ｘｘ系列是ＳＴ（意法半导体）公司推出的新型单片机，它采用增强型ＭＣＳ－５１内核，是ＭＣＵ＋ＰＳＤ的ＳｏＣ单片机，该器件具有如下特点：

●２片Ｆｌａｓｈ存储器，用于存储程序或数据，易于实现在应用编程(ＩＡＰ)功能。

●可选择备电保护的大容量ＳＲＡＭ。

●２种可编程逻辑电路，分别为地址译码ＤＰＬＤ和组合逻辑ＣＰＬＤ。

●６组通用Ｉ／Ｏ提供多达３７或４６个Ｉ／Ｏ引脚。●主从方式的Ｉ２Ｃ。

●低速模式的ＵＳＢ １．１。

●２路串行通道ＵＡＲＴ。

●在系统编程的ＪＴＡＧ口。

    ２．２ 开发环境

系统软件可在ＫＥＩＬ公司的ＫＥＩＬ ５１集成开发环境μＶｉｓｉｏｎ２中进行设计、编译和仿真，并运用ＳＴ公司的ＰＳＤｓｏｆｔ Ｅｘｐｒｅｓｓ软件进行编程下载和内部配置。该软件可以对μＰＳＤ３２ｘｘ系列单片机的片内Ｆｌａｓｈ、ＳＲＡＭ和ＰＬＤ进行配置，并将编译生成的程序代码文件（．ＨＥＸ）和配置文件融合生成．ＯＢＪ文件下载到单片机中。下载时还需使用ＦｌａｓｈＬＩＮＫ编程电缆连接ＰＣ机的标准并口和单片机的ＪＴＡＧ口。

３ 硬件设计方案

３．１ 硬件需求

税控器应具备的基本功能如下：具有实时时钟和记录税控数据的大容量存储器；带有符合ＩＳＯ７８１６标准的ＩＣ卡读写器，支持税控卡、用户卡和税务管理卡；可通过ＵＳＢ或串口与主机通讯；具有在掉电后可保存存储器数据和时钟运行的备份电池；允许异常断电而不破坏任何有效数据。

３．２ 硬件系统组成

税控器内部的硬件系统结构见图２。

（１） 主控模块ＭＣＵ

主控模块ＭＣＵ采用ＳＴ公司的μＰＳＤ３２３４Ａ单片机，它内部具有２５６ｋＢ的主Ｆｌａｓｈ、３２ｋＢ的次Ｆｌａｓｈ和８ｋＢ ＳＲＡＭ，工作电压为５Ｖ，选用２４ＭＨｚ晶振。其中ＳＲＡＭ由片外的备用电池供电，可存放一些长期保存的数据，维持电流仅需１μＡ。

主控模块通过ＵＳＢ或ＵＡＲＴ与主机相连，通过Ｉ２Ｃ与ＲＴＣ相连，通过Ｉ／Ｏ与ＩＣＣ及ＭＥＭ相连。

（２） 时钟模块ＲＴＣ

时钟模块ＲＴＣ采用ＳＴ公司的Ｍ４１Ｔ０Ｍ６，该芯片具有实时时钟／日历功能，可计时毫秒、秒、分钟、小时、星期、日、月、年、世纪。在系统掉电以后可由片外的备用电池供电，以保持片内时钟的继续运行。采用３２．７６８ｋＨｚ晶振，工作电压５Ｖ，工作电流１３０～２００μＡ，备用电池电压３Ｖ，维持电流仅需１ｕＡ。Ｉ２Ｃ的最大传输速率为４００ｋＨｚ。

（３）存储器ＭＥＭ

存储器ＭＥＭ采用ＳＴ公司的２ＭＢ串行Ｆｌａｓｈ芯片Ｍ２５Ｐ１６，共有３２个扇区，每个扇区２５６页，每页２５６字节，页编程时间为１．４ｍｓ。Ｍ２５Ｐ１６采用ＳＰＩ总线接口，最大传输速率５０ＭＨｚ，低工作电压３．３Ｖ。为了实现５Ｖ－３．３Ｖ逻辑电平转换，可使用Ｏｎｓｅｍｉ公司的三路非反相施密特触发器ＮＬ３７ＷＺ１７，它兼容５Ｖ和３Ｖ逻辑电平，输出驱动可达２４ｍＡ。Ｆｌａｓｈ存储器主要用来存储发票数据和税控数据。

(４)ＩＣ卡模块ＩＣＣ

ＩＣ卡模块ＩＣＣ采用Ｏｎｓｅｍｉ公司的ＮＣＮ６００４Ａ。ＮＣＮ６００４Ａ具有双路卡接口，符合ＩＳＯ ７８１６－３和ＥＭＶ标准。工作电压５Ｖ，电流１５０ｍＡ，内置ＤＣ／ＤＣ，能为每个卡提供６５ｍＡ／５Ｖ电源，外部晶振１４．２８ＭＨｚ，内置可编程的卡通信总线时钟。

ＭＣＵ通过Ｉ／Ｏ线与ＮＣＮ６００４Ａ进行串行通信。为了节省Ｉ／Ｏ资源，可选择复用连线方式，即两个卡共享一路通道，由选卡信号区分，分别实现税控卡和用户卡的访问功能。

（５）ＵＳＢ接口

ＭＣＵ内部带有ＵＳＢ通讯控制器，为了滤波和ＥＳＤ保护，接口部分采用Ｏｎｓｅｍｉ公司的ＳＴＦ２０２。ＳＴＦ２０２的工作电压为３．３Ｖ，ＤＩＮ２脚内部带１．５ｋΩ上拉电阻。由于ＭＣＵ仅支持低速ＵＳＢ设备，所以它的ＵＳＢ＿Ｄ＿必须要连接ＳＴＦ２０２的ＤＩＮ２，通讯速率１．５Ｍｂ／ｓ。

（６） ＵＡＲＴ接口

ＵＡＲＴ转换芯片采用Ｉｎｔｅｒｓｉｌ公司的ＨＩＮ２０２，ＭＣＵ内部具有２路ＵＡＲＴ，均可选用ＲＳ２３２通讯。ＨＩＮ２０２的工作电压为５Ｖ，具有２路收发驱动。

（７）电源模块ＰＷＲ

系统的外部供电电源分为两路，一路用ＡＣ／ＤＣ适配器直接提供＋５Ｖ；另一路由主机通过ＵＳＢ接口线输入（５Ｖ／５００ｍＡ）。用户可任选一路直接提供给５Ｖ器件工作。

为了实现电保护功能，采用Ｏｎｓｅｍｉ公司的升压芯片ＮＣＰ１４０２ＳＮ５０Ｔ１，其最低输入启动电压为０．８Ｖ，输出电压５Ｖ，输出电流２００ｍＡ。当系统正常工作时，ＮＣＰ１４０２ＳＮ５０Ｔ１可为大电容充电，一旦断电，大电容仍可维持该芯片工作一段时间，此时可完成一些重要的任务，以避免异常断电产生错误。大电容采用了两个串联的３．３Ｆ／２．５Ｖ卷绕型电容，当充满时可维持供电３０秒以上。

５Ｖ至３．３Ｖ电压转换器采用Ｏｎｓｅｍｉ公司的ＮＣＰ５００ＳＮ３３Ｔ１，该芯片输出电流为１５０ｍＡ，可为３．３Ｖ器件提供工作电压。

备用电池采用的是两节３Ｖ／２１０ｍＡｈ锂电池，供电至少可维持１０年以上。

（８）监控模块ＭＯＮ

监控模块采用Ｏｎｓｅｍｉ公司的ＭＡＸ７０８，ＭＡＸ７０８可实现上电复位和手动复位，还具有电压监控功能，设计时在其ＰＦＩ端连接适当的分压电阻，这样当主电源掉电时，ＭＡＸ７０８就可产生掉电中断信号，用以完成重要的任务或备份重要的数据。

ＭＡＸ７０８工作电压５Ｖ，复位的门限值４．３８Ｖ，复位时间２００ｍｓ，低压监控输入门限值１．２５Ｖ。

    （９） 状态指示ＳＩＣ

状态指示采用发光二级管，分别用于指示电源接通、卡插入、ＪＡＴＧ程序下载等状态。在ＭＣＵ的Ｉ／Ｏ上还可连接出错、运行、自检测等状态指示。

４ 实际应用电路

税控器中ＭＣＵ与其它核心硬件的连接电路图如图３所示。图中给出了时钟、Ｆｌａｓｈ存储器和ＩＣ卡模块与ＭＣＵ的连接方式。

５ 软件设计方案

税控器软件总体上包含两大部分：主机端软件和设备端软件。主机端与设备端之间采用“命令—应答”方式进行数据通讯。由主机端发送命令，设备端应答。

主机端软件可分为四层：应用层、税控函数层、通讯管理层和设备驱动层；设备端软件也可分为四层：主控层、税控函数层、设备管理层、硬件驱动层。以下主要介绍设备端软件架构。

５．１ 主控层

主控函数负责系统和设备的初始化、与主机间的通讯监控、协议管理、税控命令包的解释和任务的调度等事务。

５．２ 税控函数层

税控函数按照国标对税控器的要求设计，负责机器初始化和注册、分发发票、开发票、退票、废票、上传发票、日交易和卷汇总数据、申报、核查等事务。

５．３ 设备管理层

设备管理层是针对复杂设备设计的管理程序，主要包括ＩＣ卡管理、存储器管理、ＵＳＢ通讯管理。

ＩＣ卡管理程序是按照ＧＢ１８２４０．２－２００３对税控ＩＣ卡的要求设计的操作命令程序，可分为基本命令和扩展命令。基本命令有文件操作、读写记录、产生随机数、内外部认证、取响应、应用锁定等；税控卡专用命令有卡注册、开票，日交易签名等功能；用户卡专用命令有注册签名、分发发票、报税数据汇总等功能。

存储器管理程序用来对Ｆｌａｓｈ存储空间进行地址分配管理。该程序按循环记录的方式设计，主要完成发票明细、日交易和卷汇总记录的格式化、读写、查找等事务。同时还负责存储在ＳＲＡＭ中地址分配表的管理，指针等数据的记录。

ＵＳＢ通讯管理程序是按照低速ＵＳＢ１．１规范以及人机接口设备（ＨＩＤ）类别的要求设计的，用来完成总线枚举和数据通信的事务。该程序主要采用Ｅｎｄｐｏｉｎｔ ０（ＩＮ／ＯＵＴ）控制传输方式，并使用输入输出报表（Ｒｅｐｏｒｔ）格式来与主机交换数据。

５．４ 硬件驱动层

硬件驱动层是使各个硬件设备实现底层操作的驱动程序，包括时钟、ＩＣ卡、Ｆｌａｓｈ ＭＥＭ、ＵＡＲＴ和ＵＳＢ等ＡＰＩ库函数。其中时钟函数实现设置、读、写时钟和日历等功能。ＩＣ卡函数实现ＩＣ卡的插卡检测、卡上下电、卡复位和卡命令等功能。Ｆｌａｓｈ ＭＥＭ函数实现外部Ｆｌａｓｈ存储器的擦除、读、写等功能。ＵＡＲＴ和ＵＳＢ函数实现设置、接收和发送数据等功能。

图3

６ 结束语

文中介绍了税控器的设计原理，本设计方案已通过应用功能调试，能够满足产品的基本需求。需要说明的是，在实际产品中，可考虑采用模块化设计思想，也就是说硬件采用模块＋底板架构，主处理及核心硬件都集中于模块上，电源与接插件等放置在底板上；软件底层对上层可封装成ＡＰＩ函数的形式。这样便于满足不同层次的需求，细分税控产业的市场，有利于开发商和供应商的定位选择。通过多种开发与合作的途径，来达到降低成本，提高效率和节省时间的目的。