怎样设计实现一个基于ARM控制器LPC2214的税控收款机系统？

引言

税控收款机是指具有特定税控功能的电子收款机，它是集软硬件为一体的嵌入式系统，硬件设计考虑高性价比和高可靠性，软件设计考虑系统的稳定性和可靠性。根据这一原则，本文介绍了一种基于ARM控制器LPC2214的税控收款机的设计方案。

税控收款机硬件系统的

设计与实现

税控收款机的硬件组成框图如图1所示，其硬件系统由中央处理模块、显示模块、打印模块、电源模块、时钟模块、IC卡接口、外部通讯接口（包括RS232串行接口、网络接口、USB接口等）、蜂鸣器，以及输入键盘、电子锁、条码扫描仪和手写板等几部分组成。

图1 税控收款机硬件框图

中央处理模块

中 央处理模块采用飞利浦公司基于32位ARM7TDMI-S内核的低功耗ARM处理器LPC2214。该处理器是飞利浦公司为嵌入式应用提供的高性价比微控 制器解决方案，通过在ARM7TDMI-S内容基础上扩展一系列的通用外围器件，使系统费用降至最低，增强了系统对外部设备的支持能力。由于 LPC2114集成了丰富的片上资源，所以系统本身的扩展大大减少，这不但减小了产品的体积，而且便于维护。

显示模块

作为人机交互的显示 模块包括一个LCD主显示屏和一个9位的VFD用户显示屏，其中LCD采用内置KS0107/KS0108控制器的图形点阵式液晶，显示分辨率为192× 64，可显示16×5个11×12点阵的汉字；VFD通过具有SPI接口的芯片HT16512进行驱动。

打印模块

系统选用EPSON公司的MU110II打印机头，供电电压为DC24V。电机驱动采用MTD2003F，针驱动采用MTA001M，由LPC2214的通用I/O口进行控制。

电源管理模块

系统采用开关电源为LPC2214提供5V电源。由于税控收款机对掉电保护有严格要求，所以在电源管理模块中设计了掉电保护电路，可以在掉电时维持系统正常工作一定时间。掉电时该电路会发送给处理器一个中断，使系统进入掉电中断处理程序，进行相应的掉电保护工作。

时钟模块

时钟模块采用I2C总线时钟芯片P8563AP，在后备电池的支持下，能保证系统掉电后片内时钟继续运行。

税控存储器

税 控收款机需要记录大量的数据信息，本系统采用了ATMEL公司具有SPI接口的Flash存储器AT45DB321，由于LPC2214微控制器具有 SPI的接口，所以能够方便地同它相连接。设计上采用可插拔式模块，将数据存储模块与系统主板分离。此设计的特点是当系统出错时，能够将重要数据及时转 移，降低了数据发生错误的几率，提高了数据的完整性和可靠性。在税控卡的配合下，可以将相关的数据信息转移到另一正常工作的机器中继续进行工作，保证数据 存储的时效性。另外，也可以在维护和检修时采用替换法，这体现出很强的实用性和可操作性。

IC卡接口

通常的设计中会使用专用IC卡读写芯片为系统提供ISO7816的接口，如CTS56I01、WatchCore、TDA8020等。本系统没有进行硬件扩展，充分利用LPC2214的性能特性，实现了符合ISO7816标准的IC卡接口功能。

智 能卡芯片的接口信号包括：电源电压（VCC）、地（GND）、复位（RST）、时钟（CLK）、编程电压（VPP）、输入输出（I/O）。如图2所示， I/O、RST由LPC2214微控制器的通用I/O口（GPIO）来控制，通过软件模拟数据读写操作时序，实现数据的交换，其中I/O上信号的传输是双 向的，所以要利用软件根据时序不断转换输入输出的状态。此方法具有成本低、方便灵活等特点。

其它模块

键盘控制芯片采用具有SPI串行接口的ZLG7289B，该芯片可连接多达64键的键盘矩阵，可满足本系统的设计要求。

由 于LPC2214未集成USB控制器，因此系统中采用了CYPRESS公司内含USB主/从控制器、可支持全速数据传输的USB控制芯片SL811HS， 以支持U盘和移动硬盘读写操作。此外，本系统采用RTL8019以太网控制器扩展31个以太网接口，税控收款机相互之间可以通过网络接口进行数据通信，并 且可以和PC机的数据库系统进行数据交换。

税控收款机软件系统的设计与实现

税控收款机软件结构

税控收款机软件采用分层次结构化、模块化设计，依次分为业务处理层、接 口层、设备驱动层和硬件平台等4个层次。其中业务处理层完成税控收款机具体的业务处理；接口层作为业务处理层与设备驱动层的桥梁，提供与具体硬件平台无关 的应用程序接口（API），其主要功能是对下层设备驱动程序进行封装，并提供一些公共的函数库；设备驱动层即BSP（Board Support Package，板级支持包），包含具体硬件平台的各种设备驱动程序。

采用如上架构的系统软件层次结构清晰，直接相邻的上下层之间存在依赖关系， 不相邻的上下层之间没有依赖关系。同层各模块之间的调用通过预定义的模块输出接口函数实现，各模块之间的耦合度低，具有良好的可移植性和可扩充性。如果要 针对不同的行业设计不同的机型或根据需要扩充系统功能时，只需修改业务处理层，接口层和设备驱动层均无需修改；如果是变换了硬件平台，则只需修改设备驱动 层和接口层，业务处理层无需修改。

图2 税控收款机IC卡接口

业务处理层设计

业务处理层是税控收款机软件架构中的最上层，与具体的硬件平台无关，作为一个应用软件可方便地移植到不同的硬件平台上。该层用于实现商务和税控两大主要功能，由4个模块组成。

主 程序（主控模块）进行系统自检、软硬件的初始化、调度运行业务处理层的其它模块以及处理掉电数据恢复、数据整理，并控制整个软件的流程；税控功能模块实现 GB18240-2003国家标准中的税控功能，负责机器初始化和注册、发票的购买分发、开发票（包括退票、废票处理）、税控数据申报、监控数据回送、税 务核查等；商务功能模块由销售子模块、统计分析（报表）子模块、设置管理子模块以及其它一些功能子模块组成；通讯模块负责与运行在上位机（PC）上的税控 收款机管理系统进行数据通信。

接口层设计

接口层作为一个抽象层仅提供应用程序接口，不对具体硬件操作，也不处理具体业务，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通讯管理等。以下详细介绍存储器管理中的发票存储管理模块。

税控收款机要求能够可靠存储大量发票数据，因此发票存储管理模块是本系统的一个关键模块。为了节约存储空间，本系统中发票存储系统采用了变长滚动存储方法。

变 长即指发票长度因各发票头部和其所含明细的不同，占用的存储空间大小也不同。本系统中发票头部分别可能占用32、64、96字节，发票最大明细数为8，每 笔明细占用32字节。这样，每张发票所占存储空间为1个~11个32字节。发票在存储器中的存储位置也是以32字节为单位对齐的，两张发票之间位置首尾相 连，没有冗余空间。

滚动存储即指在存储空间固定的情况下，循环利用这部分存储空间，当所存储的发票占用到了足够大的空间时，新的发票可能会覆盖掉最早存储的发票位置。

由 于发票变长存储，所占空间大小不一，为了达到随机访问的目的，需要建立一张位置索引表，表中的每项指明发票的实际存储位置，比如，位置索引表中的第n项就 是第n张发票在存储器中的位置。同时，为了加快通过发票号查找发票详细信息的查找速度，要最大可能地减少对存储器的访问次数，这是提高查找速度的关键。本 系统采用Hash索引表来快速定位所要查找的发票，为了解决该算法的Hash值计算冲突，另外建立了一张Hash链接表，此表的长度和位置索引表相同，表 中每个值代表Hash值冲突的下一张发票的位置。

设备驱动层设计

设备驱动层包括直接操作外设的驱动，如IC卡、Flash、LCD、 VFD、打印机、USB、键盘、时钟等外设的驱动；另外还包括LPC2214内部配置驱动，如内部寄存器配置、UART配置、GPIO设置、RTC读写、 TIMER设置等。其中ISO7816标准IC卡驱动是一个关键部分，它包含插卡检测、卡上下电、卡复位和卡命令等功能。

IC卡与LPC2214 微控制器的数据传输方式为异步半双工字符传输模式，本系统使用软件实现该功能。利用LPC2214的GPIO来软件模拟IC卡的读写操作时序，进行数据交 换：接收数据时将LPC2214的GPIO设置为输入模式，使用中断程序对I/O数据线进行采样；发送数据时将LPC2214的GPIO设置为输出模式， 在中断程序中直接输出需要发送的数据位。

异常情况处理

当异常情况（如断电、拔卡等）发生时，税控收款机应保证数据不丢失、无差错。本系统 从两方面保证了数据的可靠性。一方面，在初始化、分发发票、录入发票、开票、报税及完税等关键步骤前先检测电源是否正常，如已经发生掉电，系统停止工作； 否则置标志，开始正常的步骤操作，步骤完成后，清除标志。如果步骤未完成前发生断电或IC卡意外拔出等事件，则在下一次上电或重新操作该步骤时系统会检测 到标志，软件将自动调用恢复机制，完成剩余操作，恢复丢失的数据。

另一方面，在发票打印的过程中如果出现掉电的情况，则需做掉电续打处理。在发票 开始打印前先保存发票明细数据，置“打印未完成”标志；在打印一行数据过程中若发生掉电，掉电保护电路发出一个中断，调用中断例程，利用掉电保护电路所维 持的工作时间保存当前打印位置，系统停止工作；待重新上电后检测到“打印未完成”标志，则读出最后一张发票明细数据，从断电时记录的位置继续打印出一张完 整的发票，并清除标志。

数据安全性处理

税控收款机集商务、税控、管理等功能于一体，对数据的传输和存储要求相当高，需要能够正确地传输、存储、生成及反馈数据，因此，对安全性的要求也相当高。本系统的安全性设计从以下几个方面来体现。

系 统中采取了用户权限分级管理的方法，设置了三种具有不同操作权限的角色：系统管理员、收款员、税务稽查员。用户与角色关联，用户密码采用6位~8位数字， 密码以密文形式存储在Flash内。进入相应的用户模式都要通过对应的密码校验，才能够登录税控收款机，执行本用户级的相应操作。

系统会对Flash的数据写入操作做读校验，在读写存储器中的关键数据时比较、保存校验和；在开机自检和使用税控数据时对税控数据作数据完整性校验。

另外，在执行关键操作、外部通讯、代码维护等操作前系统要对用户进行身份鉴别，并对操作对应的事件产生审计记录。

结语

本系统充分利用LPC2214本身的硬件资源，通过软件实现了符合ISO7816标准的智能IC卡接口，系统设计符合税控收款机国家标准GB18240-2003。整个系统设计结构简洁，便于提高性能和与各种外设的连接扩展，极具竞争优势，产品得到了市场的认可。