采用STM32這一高性能、低成本芯片的稅控器方案

隨著金稅工程的推廣，稅控市場將得到迅猛發(fā)展，稅控器作為四大稅控產(chǎn)品之一，其市場份額不容小覷，稅控廠家需要為產(chǎn)品的性能、成本做多方面考量。之前各個(gè)廠家的稅控器方案，可能因?yàn)槌杀镜目紤]選擇了8位單片機(jī)，也有因?yàn)樾阅軘U(kuò)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(dǎo)體公司）延續(xù)了其之前基于STR7的稅控器體系架構(gòu)，并借鑒在STR9銀稅一體機(jī)方案中的經(jīng)驗(yàn)，推出了一款采用STM32這一高性能、低成本芯片的稅控器方案。

　　方案介紹

　與以往方案(圖1)對(duì)比，STM32方案(圖2)結(jié)構(gòu)簡單，模塊功能化，減少了外部數(shù)據(jù)總線的數(shù)量，有效減小制板面積，很好地保證了系統(tǒng)的可靠性及安全性。ST還提供詳細(xì)的設(shè)計(jì)報(bào)告，無論是軟件還是硬件的開發(fā)都大大縮短了廠家的開發(fā)時(shí)間。在正式生產(chǎn)時(shí)，ST可以提供方案中大部分芯片，避免了采購時(shí)可能出現(xiàn)供應(yīng)商多、采購渠道混亂的情況，保障其產(chǎn)品快速推向市場。

　　● 開發(fā)工具

開發(fā)工具推薦兩家：IAR和KEIL(國內(nèi)部分工程師可能習(xí)慣ADS，但ARM公司已不再對(duì)ADS軟件進(jìn)行維護(hù)更新，故無法支持新的IC，如STM32)。IAR的ISO/ANSI C/C++編譯器能產(chǎn)生精簡、快速的代碼，并能支持?jǐn)U展的嵌入式C++特性，包括模板和標(biāo)準(zhǔn)模板庫(STL)。KEIL是用過51單片機(jī)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(qiáng)大的軟件仿真功能，對(duì)于習(xí)慣用ADS的工程師來說，KEIL是個(gè)不錯(cuò)的選擇，因?yàn)榇a基本不需要修改，只需要在KEIL中重建工程即可實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的轉(zhuǎn)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(nèi)核，這是一款專為嵌入式應(yīng)用而開發(fā)的內(nèi)核。STM32在Cortex-M3架構(gòu)上進(jìn)行了多項(xiàng)改進(jìn)，包括提升性能的同時(shí)又提高了代碼密度的Thumb-2指令集、大幅度提高的中斷響應(yīng)，而且所有新功能都同時(shí)具有優(yōu)異的功耗水平，結(jié)構(gòu)見圖3。

相較于8位、16位單片機(jī)，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(yùn)行速度更快，性能也得到很大提高，在核上設(shè)計(jì)了單周期乘法制定的硬件觸發(fā)。在代碼的密度上，比普通32位單片機(jī)省30%～45%；與16位單片機(jī)相比，代碼空間可以節(jié)省50%；如果拿8位單片機(jī)作比較，代碼空間可以節(jié)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(nèi)核電壓是1.8V，芯片電壓是3.3V，可以選擇睡眠模式、待機(jī)模式，保證低功耗應(yīng)用的要求。

系統(tǒng)的外圍控制非常豐富： 最大256kB FLASH(相當(dāng)于ARM7的450kB空間)、最大20kB RAM、2個(gè)I2C接口、2個(gè)SPI接口、3個(gè)智能IC卡接口(與UART復(fù)用)符合ISO7816協(xié)議、USB 2.0接口、80個(gè)快速I/O口、16通道的12位A/D轉(zhuǎn)換器、7個(gè)定時(shí)器(包含一個(gè)RTC)、支持通過UART實(shí)現(xiàn)IAP功能、IC卡讀寫器。

STM32的3個(gè)UART口可以通過內(nèi)部寄存器配置成智能卡模式，符合ISO7816-3標(biāo)準(zhǔn)所定義的異步協(xié)議。另外，方案中設(shè)計(jì)了硬件保護(hù)電路，隨時(shí)監(jiān)測電路狀況，為系統(tǒng)提供完善的IC卡短路保護(hù)。

　　● USB通信

STM32的USB接口符合USB2.0全速設(shè)備的技術(shù)規(guī)范，軟件設(shè)計(jì)遵循CDC(Communication Device Class)規(guī)范，虛擬成一個(gè)模擬串口與上位機(jī)通訊。使用時(shí)，無需改變上位機(jī)程序，只需要在第一次使用時(shí)安裝虛擬串口驅(qū)動(dòng)stmcdc.inf，之后聯(lián)機(jī)時(shí)選擇USB虛擬的串口號(hào)即可，并且可以與另一標(biāo)準(zhǔn)串口“同時(shí)”連接，不會(huì)造成通訊異常。

　　● 日歷時(shí)鐘

　　M41T83是一款提供出廠前校準(zhǔn)的串行實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)芯片(圖4)，包括一個(gè)400kHz的I2C接口、模擬校準(zhǔn)、一個(gè)可編程的自動(dòng)重載計(jì)數(shù)器/計(jì)時(shí)器和兩個(gè)鬧鈴。它采用內(nèi)建晶體的封裝，提前校準(zhǔn)精度大約為5ppm，利用一個(gè)一次性可編程(OTP)寄存器，可以在工廠測試期間微調(diào)片上32.768kHz振蕩器的內(nèi)部負(fù)載電容，確保這些產(chǎn)品每月計(jì)時(shí)精確度在12s內(nèi)。另外，當(dāng)電源電壓VCC斷開時(shí)，芯片會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)接備用電源，備用電流低至450nA(典型值)，還有一個(gè)內(nèi)置電池監(jiān)控器負(fù)責(zé)檢查備用電源電壓，當(dāng)需要更換電池時(shí)發(fā)出提示信號(hào)。在電源恢復(fù)后產(chǎn)生200ms的復(fù)位信號(hào)，這個(gè)上電復(fù)位/低壓檢測功能可以為設(shè)計(jì)工程師節(jié)省一個(gè)獨(dú)立的板上復(fù)位IC。ST還應(yīng)不同客戶應(yīng)用的需要，提供M41T82的低價(jià)解決方案：去掉了看門狗、方波信號(hào)發(fā)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(zhǔn)、電源切換高精度電壓參考管、電池監(jiān)控器、12字節(jié)的NVRAM和復(fù)位輸出，并采用占位很小的8引腳SOIC低價(jià)封裝。

● 電源管理

整個(gè)系統(tǒng)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(shè)計(jì)了專用的電壓檢測電路對(duì)外部供電進(jìn)行監(jiān)控，并采用一個(gè)2.7V、3.3F的電容作為外部供電停止后的備用電源，保證當(dāng)前稅控流程的完整，防止操作中數(shù)據(jù)丟失，其保護(hù)時(shí)間可達(dá)15s。

● 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

　　FLASH M25P64通過SPI串行接口與MCU連接，大大簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，減少了封裝的引腳數(shù)量及總線干擾。FLASH采用優(yōu)質(zhì)的CMOS制造工藝，數(shù)據(jù)保存期限至少20年，每扇區(qū)擦寫次數(shù)保證10萬次，其中包括整體擦除和扇區(qū)擦除指令。它的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)鐘頻率可達(dá)50MHz，數(shù)據(jù)讀取吞吐量最高50Mbps，并設(shè)計(jì)有深節(jié)能模式(power-down)，僅消耗1mA電流，從而大幅度降低了系統(tǒng)功耗。在設(shè)計(jì)中，為了迎合不同用戶的需求，從2MB~16MB容量型號(hào)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(qū)為對(duì)象的讀寫和擦除操作；高層API是以整個(gè)統(tǒng)一存儲(chǔ)空間為對(duì)象的讀寫透明操作，完全無需顧及因?yàn)橛布奶厥庑远a(chǎn)生的各種限制(如跨頁編程、跨扇區(qū)編程、在已經(jīng)有內(nèi)容的區(qū)域更新內(nèi)容、跨頁更新內(nèi)容、跨扇區(qū)更新內(nèi)容等等)。FLASH的寫操作流程見圖5。

● U盤讀寫

CH375是一個(gè)帶UART接口的USB總線通用接口芯片，內(nèi)部集成了PLL倍頻器、主從USB接口SIE、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、被動(dòng)并行接口、異步串行接口、命令解釋器、控制傳輸?shù)膮f(xié)議處理器和通用的固件程序等；串行接口速度可達(dá)460800bps，利用其動(dòng)態(tài)鏈接庫實(shí)現(xiàn)USB-HOST主機(jī)方式讀寫U盤。支持常用的FAT12、FAT16和FAT32文件系統(tǒng)，支持U盤最大容量100GB。在讀寫操作中，不需要考慮文件系統(tǒng)，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(fā)票的場所，通過稅控IC卡的相互認(rèn)證，可連接外部稅控打印機(jī)打印稅控防偽發(fā)票，存儲(chǔ)相關(guān)稅控?cái)?shù)據(jù)，并完成申報(bào)完稅及核查的所有稅控應(yīng)用。其軟硬件設(shè)計(jì)均通過國家電子計(jì)算機(jī)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的稅控檢測，完全符合國家稅控標(biāo)準(zhǔn)。

結(jié)束語

本方案與其他廠家稅控器方案比較，在生產(chǎn)和研發(fā)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(xiàn)
1. STM32F103xx、M25P64、M41T83、CH375數(shù)據(jù)手冊
2. ST Tax Box Application Note
3.《GB 18240稅控收款機(jī)國家標(biāo)準(zhǔn)》