μPSD32xx单片机在税控器中的应用

摘要：μPSD32xx是一款集51内核与PSD(可编程系统器件)与一身的SoC单片机，具有许多功能部件，性价比高，广泛应用于税控收款机、税控器和微型打印机等税控设备中。文中介绍了μPSD32xx单片机的主要特性和开发环境，给出了应用该芯片实现税控器的软硬件设计方案。 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。