隨著金稅工程的推廣，稅控市場將得到迅猛發展，稅控器作為四大稅控產品之一，其市場份額不容小覷，稅控廠家需要為產品的性能、成本做多方面考量。之前各個廠家的稅控器方案，可能因為成本的考慮選擇了8位單片機，也有因為性能擴展的需要選擇16位、32位MCU作為稅控器主控芯片。今天，ST（意法半導體公司）延續了其之前基于STR7的稅控器體系架構，并借鑒在STR9銀稅一體機方案中的經驗，推出了一款采用STM3這一高性能、低成本芯片的稅控器方案。
方案介紹
STM32稅控器方案" border="0" height="249" src="http://files.chinaaet.com/images/2012/11/07/c388a0da-34da-4700-bbba-15e69e95e413.jpg" width="417" />
與以往方案(圖1)對比，STM32方案(圖2)結構簡單，模塊功能化，減少了外部數據總線的數量，有效減小制板面積，很好地保證了系統的可靠性及安全性。ST還提供詳細的設計報告，無論是軟件還是硬件的開發都大大縮短了廠家的開發時間。在正式生產時，ST可以提供方案中大部分芯片，避免了采購時可能出現供應商多、采購渠道混亂的情況，保障其產品快速推向市場。
開發工具
開發工具推薦兩家：IAR和KEIL(國內部分工程師可能習慣ADS，但ARM公司已不再對ADS軟件進行維護更新，故無法支持新的IC，如STM32)。IAR的ISO/ANSI C/C++編譯器能產生精簡、快速的代碼，并能支持擴展的嵌入式C++特性，包括模板和標準模板庫(STL)。KEIL是用過51單片機的工程師都很熟悉的工具，被ARM公司收購之后，在IDE中可以直接使用ARM的工具鏈，具有強大的軟件仿真功能，對于習慣用ADS的工程師來說，KEIL是個不錯的選擇，因為代碼基本不需要修改，只需要在KEIL中重建工程即可實現平臺的轉換移植。
● 主控制芯片
ST的STM32系列32位閃存微控制器基于ARM Cortex-M3內核，這是一款專為嵌入式應用而開發的內核。STM32在Cortex-M3架構上進行了多項改進，包括提升性能的同時又提高了代碼密度的Thumb-2指令集、大幅度提高的中斷響應，而且所有新功能都同時具有優異的功耗水平，結構見圖3。
相較于8位、16位單片機，ARM核的好處是低功耗、高性能，相同的軟件在不同的核之間可以兼容。相較于ARM系列其他芯片，STM32運行速度更快，性能也得到很大提高，在核上設計了單周期乘法制定的硬件觸發。在代碼的密度上，比普通32位單片機省30%～45%；與16位單片機相比，代碼空間可以節省50%；如果拿8位單片機作比較，代碼空間可以節省70%左右。功耗方面，STM32工作在1MHz頻率下為0.15mW，只有ARM7的一半，所以在相同的工作模式下面，STM32可以減少30%的功耗，內核電壓是1.8V，芯片電壓是3.3V，可以選擇睡眠模式、待機模式，保證低功耗應用的要求。
系統的外圍控制非常豐富： 最大256kB FLASH(相當于ARM7的450kB空間)、最大20kB RAM、2個I2C接口、2個SPI接口、3個智能IC卡接口(與UART復用)符合ISO7816協議、USB 2.0接口、80個快速I/O口、16通道的12位A/D轉換器、7個定時器(包含一個RTC)、支持通過UART實現IAP功能、IC卡讀寫器。
STM32的3個UART口可以通過內部寄存器配置成智能卡模式，符合ISO7816-3標準所定義的異步協議。另外，方案中設計了硬件保護電路，隨時監測電路狀況，為系統提供完善的IC卡短路保護。
● USB通信
STM32的USB接口符合USB2.0全速設備的技術規范，軟件設計遵循CDC(Communication Device Class)規范，虛擬成一個模擬串口與上位機通訊。使用時，無需改變上位機程序，只需要在第一次使用時安裝虛擬串口驅動stmcdc.inf，之后聯機時選擇USB虛擬的串口號即可，并且可以與另一標準串口“同時”連接，不會造成通訊異常。
● 日歷時鐘
M41T83是一款提供出廠前校準的串行實時時鐘(RTC)芯片(圖4)，包括一個400kHz的I2C接口、模擬校準、一個可編程的自動重載計數器/計時器和兩個鬧鈴。它采用內建晶體的封裝，提前校準精度大約為5ppm，利用一個一次性可編程(OTP)寄存器，可以在工廠測試期間微調片上32.768kHz振蕩器的內部負載電容，確保這些產品每月計時精確度在12s內。另外，當電源電壓VCC斷開時，芯片會自動轉接備用電源，備用電流低至450nA(典型值)，還有一個內置電池監控器負責檢查備用電源電壓，當需要更換電池時發出提示信號。在電源恢復后產生200ms的復位信號，這個上電復位/低壓檢測功能可以為設計工程師節省一個獨立的板上復位IC。ST還應不同客戶應用的需要，提供M41T82的低價解決方案：去掉了看門狗、方波信號發生器和鬧鈴提醒功能，但是保留了400kHz I2C總線接口、模擬用戶校準、電源切換高精度電壓參考管、電池監控器、12字節的NVRAM和復位輸出，并采用占位很小的8引腳SOIC低價封裝。
● 電源管理
整個系統可以通過USB連接PC供電或通過板上的插座外接電源供電。另外設計了專用的電壓檢測電路對外部供電進行監控，并采用一個2.7V、3.3F的電容作為外部供電停止后的備用電源，保證當前稅控流程的完整，防止操作中數據丟失，其保護時間可達15s。
● 數據存儲
M41T83是一款提供出廠前校準的串行實時時鐘(RTC)芯片(圖4)，包括一個400kHz的I2C接口、模擬校準、一個可編程的自動重載計數器/計時器和兩個鬧鈴。它采用內建晶體的封裝，提前校準精度大約為5ppm，利用一個一次性可編程(OTP)寄存器，可以在工廠測試期間微調片上32.768kHz振蕩器的內部負載電容，確保這些產品每月計時精確度在12s內。另外，當電源電壓VCC斷開時，芯片會自動轉接備用電源，備用電流低至450nA(典型值)，還有一個內置電池監控器負責檢查備用電源電壓，當需要更換電池時發出提示信號。在電源恢復后產生200ms的復位信號，這個上電復位/低壓檢測功能可以為設計工程師節省一個獨立的板上復位IC。ST還應不同客戶應用的需要，提供M41T82的低價解決方案：去掉了看門狗、方波信號發生器和鬧鈴提醒功能，但是保留了400kHz I2C總線接口、模擬用戶校準、電源切換高精度電壓參考管、電池監控器、12字節的NVRAM和復位輸出，并采用占位很小的8引腳SOIC低價封裝。
● 電源管理
整個系統可以通過USB連接PC供電或通過板上的插座外接電源供電。另外設計了專用的電壓檢測電路對外部供電進行監控，并采用一個2.7V、3.3F的電容作為外部供電停止后的備用電源，保證當前稅控流程的完整，防止操作中數據丟失，其保護時間可達15s。
● 數據存儲
FLASH M25P64通過SPI串行接口與MCU連接，大大簡化了系統設計，減少了封裝的引腳數量及總線干擾。FLASH采用優質的CMOS制造工藝，數據保存期限至少20年，每扇區擦寫次數保證10萬次，其中包括整體擦除和扇區擦除指令。它的數據傳輸時鐘頻率可達50MHz，數據讀取吞吐量最高50Mbps，并設計有深節能模式(power-down)，僅消耗1mA電流，從而大幅度降低了系統功耗。在設計中，為了迎合不同用戶的需求，從2MB~16MB容量型號的芯片軟硬件完全兼容，其中軟件被分為兩層：底層API是以頁面和扇區為對象的讀寫和擦除操作；高層API是以整個統一存儲空間為對象的讀寫透明操作，完全無需顧及因為硬件的特殊性而產生的各種限制(如跨頁編程、跨扇區編程、在已經有內容的區域更新內容、跨頁更新內容、跨扇區更新內容等等)。FLASH的寫操作流程見圖5。
● U盤讀寫
CH375是一個帶UART接口的USB總線通用接口芯片，內部集成了PLL倍頻器、主從USB接口SIE、數據緩沖區、被動并行接口、異步串行接口、命令解釋器、控制傳輸的協議處理器和通用的固件程序等；串行接口速度可達460800bps，利用其動態鏈接庫實現USB-HOST主機方式讀寫U盤。支持常用的FAT12、FAT16和FAT32文件系統，支持U盤最大容量100GB。在讀寫操作中，不需要考慮文件系統，只需要了解文件名、文件長度等基本資料。
● 軟件流程
STM32稅控器適用于PC開具稅控發票的場所，通過稅控IC卡的相互認證，可連接外部稅控打印機打印稅控防偽發票，存儲相關稅控數據，并完成申報完稅及核查的所有稅控應用。其軟硬件設計均通過國家電子計算機質量監督檢驗中心的稅控檢測，完全符合國家稅控標準。
結束語
本方案與其他廠家稅控器方案比較，在生產和研發成本大大降低的條件下，安全性、功耗和性能方面還有很大的提升。
參考文獻
1. STM32F103xx、M25P64、M41T83、CH375數據手冊
2. ST Tax Box Application Note
3.《GB 18240稅控收款機國家標準》
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