（机械电子工程专业论文）基于arm9linux的税控收款机的研究和设计.pdf

摘要 摘要 税收制度是每个国家赖以生存的保障，它的重要性不言而喻。税控收款机作 为税收电子化的“咽喉要道”，是最重要的税收工具，它的推广和应用关系到国 计民生，对于帮助国家税收征收和稽查具有决定性的意义。税控收款机是在普通 收款机的基础上，增加税控功能，采用智能卡、数字加密和网络技术，将纳税人 申报数据与税控收款机记录的数据进行比对，实现对纳税人经营情况的有效监控， 也为实施纳税评估和税务稽查提供重要依据，使税务机关的监控触角延伸到纳税 人的经营数据形成的过程中，使税务稽查有一个依据。税控收款机不仅应保证经 营数据的正确生成、可靠存储和安全传递，而且应当具有适合各个层面用户的良 好的人机互动界面。 笔者根据国家近期公布的推广税控收款机的计划，在深入分析国内税控收款 机市场的现状和不足以及它的发展前景后，提出了一种基于a r m 9 + l i n u x 的税控收 款机方案，其性价比高且具有广泛的市场应用价值。 本论文在总体设计上采用了层次化设计和模块化设计的方法。本论文设计的 税控收款机自底而上分为四层：分别是：硬件电路层、底层驱动层和操作系统层 以及上层应用层。各层均按功能模块进行划分，各模块完成一定的功能。这种分 层设计与模块化设计的方法使各层和各功能模块之间相对独立，有利于系统维护 与改进，并使其具有良好的可扩展性。 本文首先概要介绍了税控收款机以及论文研究意义等；然后对整个方案的整 体设计进行了分析；接着对最底硬件电路层设计进行了详细的分析；并对l i n u x 操 作系统的移植和驱动层，应用层的移植开发思路进行了具体阐述；最后对税控收 款机的安全性设计进行了分析。 关键词：税控收款机，硬件电路层，l i n u x 平台移植，设备驱动，应用层 a b s t r a c t t h ec o l l e c t i o no fr e v e n u ei sv e r yi m p o r t a n tf o re v e r yc o u n t r y t h et a x c o n t r o l l e d m a c h i n ei st h ek e yf o re l e c t r o n i c i z a t i o no fr e v e n u e a st h ei m p o r t a n tt o o l so f t a x - c o l l e c t i o n ，i t sa p p l i c a t i o na n dp o p u l a r i z a t i o ni sc r u c i a lf o rt h ec o l l e c t i o na n dc h e c ko f r e v e n u e t h i sf i s c a lc a s hn o to n l yh a st h et a x - c o l l e c t e df u n c t i o nb u th a st h et a x - - c o n t r o l l e d f u n c t i o n i tu s e st h ei cc a r da n de n c r y p t e dd a t aa n dn e t w o r kt e c h n i q u et om o n i t o ra n d c o n t r o lt h et a x p a y e rt h r o u g ht h ec o m p a r i s o nt h ed e c l a r a b l ed a t ab yt a x p a y e rt ot h e i n t e r c e p t e dd a t ab yf i s c a lc a s h i ta l s oa f f o r d si m p o r t a n tc l u e st o t h ee v a l u a t i o na n d c h e c ko ft a xp a y m e n t t h et a x - c o n t r o l l e dm a c h i n ei sa ne l e c t r o n i cc a s hc o l l e c t o rp l u s t h et a x - c o n t r o l l e df u n c t i o n i ts h o u l dg u a r a n t e et h ec o r r e c td a t ai n c e p t e da n ds t o r e da n d s a f et r a n s f e ra n dt h es a m et i m ei ts h o u l do f f e rt h eu s e rah u m a nm u t u a lg r a p h i c i n t e r f a c e a c c o r d i n gt ot h ep l a no ft a x - c o n t r o l l e dm a c h i n ee x t e n d a n c eo fc h i n e s er e v e n u e ，i h a v er e s e a r c h e dt h e s h o r t c o m i n g s a n df o r g r o u n di nt h em a r k e t i d e s i g n e d a c o m m e r c i o g a n i ct a x - c o n t r o l l e dm a c h i n ep r o j e c tw h ob a s eo nt h ea r m 9a n de m b e d e d l i n u x t h ep a p e rd e s i g nt h ef i s c a lc a s ha st h ea r r a n g ea n dm o d u l a r i z a t i o nr e g u l a t i o n t h e t a xm a c h i n eh a sf o u rl e v e l si nt h es o f t w a r es t r u c t u r e ：h a r d w a r ec k c u i t 、d e v i c ed r i v e r 、 l i n u xo s 、a p p l i c a t i o nl e v e l t h i s d e s i g nm e t h o d h a sg o o d i n d e p e n d e n c ya n d e a s y p o r t i n gc a p a b i l i t ya n dg o o de x t e n d a n c ep e r f o r m a n c e t h ep a p e rf i r s ti n t r o d u c e dt h ef i s c a lc a s ha n dt h er e s e a r c hi n t e n t i o no ft h ea u t h o r ； t h e ni td e t a i l e da n a l y s et h et o t a ld e s i g no ft h ep r o j e c t ；a n dt h e ni tt e l lu sh o wt od e s i g n t h eb o t t o mh a r d w a r ec i r c u i ta n dh o wt op r o g r a ma n dp o r tt h el i n u xo s d e v i c ed r i v e r & a p p l i c a t i o n & g u i a tl a s tt h ep a p e ra n a l y z et h es e c u r i t yd e s i g no f f i s c a lc a s h k e y w o r d s ：f i s c a lc a s h ，l i n u xp o r t i n g ，d e v i c ed r i v i n g ，g u i ，a p p l i c a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示 签 日期：加少年月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签 导师签名：盈遣迭一 日黔冲月歹旧 第一章绪论 1 1 税控收款机简介 第一章绪论 税控收款机是具有税控功能的电子收款机，是应能保证经营数据的正确生成、 可靠存储和安全传递，并可以实现税务机关管理和数据核查等要求的收款机，它 在收款的同时可以存储产品销售的详细记录和应上缴税金的记录，并有严格的物 理和电子保护措施，由税务机关铅封，使存储的数据无法人为地修改和破坏。税 控收款机是在能独立满足“税控 和发票管理基本要求的基础上，同时满足普通 收款机在餐饮、娱乐、服务业的基本管理和普通票据及报表打印要求的税控装置 ：匠口 2 】 j口口。 简单的说，税控收款机就是在普通收款机的内部增加了一个用来自动记录纳 税人经营结果的“黑盒子”，它记录着企业每天的销售数据，且不可被删除，税 务部门可根据税控收款机的每月报表，计算应税额及纳税额，明确交易发生额， 准确统计应税额，保证所有交易有打印凭证即发票确认，使税务机关的监控触角 延伸到纳税人的经营数据形成的过程中，使税务稽查有一个确切的依据口1 。 税控收款机等系列产品的研发，是根据国家税务总局等有关部委精神，配合 金税三期工程( 即解决税收征管、查实征收、堵塞漏洞、彻底解决发票防伪等) 的启动而确立的，目标市场主要针对商业、娱乐业、服务业及出租汽车业等适合 条件的小规模纳税企业和有固定经营场所的个体工商户，市场容量很大h 1 。 从广义上讲税控收款机不仅是一种商用产品，它实际上也是一个系统的概念， 税控系统结构图如下图i - i 所示，主要包括四个层次的内容：( 1 ) 税控收款机本 机；( 2 ) 税控机制；( 3 ) 税务征管部门发行、申报、管理、稽查系统；( 4 ) 管 理、运作、监控规范。税控机制由以工c 卡为基础的发行、管理、申报、维护、经 营等系统组成。税务征管部门发行、申报、管理、稽查系统主要由与税控收款机 配套的硬件和软件组成1 。管理、运作、监控规范实际上是一套规则和制度。本论 文主要研究的是( 1 ) 税控收款机本机。纳税户销售商品在税控收款机中的记录与 相关的时间等信息可在机内保留5 1 0 年，不可修改、不可清除。有关数据由税务 部门用专用i c 卡读出，以便稽查。每台税控收款机经税务部门发行处理后具有唯 一性。税控收款机同时也是一台功能完善的商业收款机，不仅可方便纳税人报税， 电子科技大学硕士学位论文 还可帮助纳税户实现单品管理、降低经营成孝：兰璺蕈业员舞弊损耗”1 。意岔雷和婶 j t t 。t # 、 - - 。“、一 、 、二一j 图1 1 税控系统结构图 税控收款机系统应解决的关键问题是。1 ： ( 1 ) 商业收款机功能与税控功能的有机结合； ( 2 ) 机内程序不町复制、更改和数据的不可更改、清除； ( 3 ) 安全、易用、叮靠的申报手段： ( 4 ) 对发行、维修、更新安全性的支持； ( 5 ) 对历史数据稽查的支持； ( 6 ) 对专业犯罪集团对税控收款机侵入的可靠对抗； ( 7 ) 事务完整性； 从技术上说，税控收款机并不是普通收款机与i c 卡技术的简单结合。符合中 国国情的税控收款机包括了收款机内部硬件、软件结构的改变、使用设计和功能 设计的改变、税控机制和安全机制的设计、各种报税手段的规划与实现、税务部 第一章绪论 门相应系统的建立及与之接口、税务征管模式的改变、纳税户和税务征管人员观 念的改变，以及税控财务软件、可与税控收款机接口的商业m i s 系统以及相关的立 法等等。国家将研制开发税控收款机列为重点科技攻关项目，其意义是重大深远阳1 。 税控收款机是税控系统的主要核心设备，由以下九部分组成：( 1 ) 中文显示 系统；( 2 ) 中文打印系统；( 3 ) 专用中央处理系统；( 4 ) 专用税控处理系统； ( 5 ) 专用外围设备驱动系统；( 6 ) 电源、电池系统；( 7 ) 键盘；( 8 ) 带物理 安全保证机箱；( 9 ) 软件处理程序嘲。税控收款机本机组成框图如图卜2 所示： 软件处理程序 1 2 课题研究背景 中央控制 处理系统 带物理安全 保障机箱 图1 2 税控收款机组成框图 l 专用外设 1 驱动系统 、j 电源电池i f 系统 i 专用税控f 处理系统f 综观国外税控收款机的发展历程，多数实行税控收款机制度的国家都与中国 目前的经济状况差不多，经济水平处于中等，发展速度较快，但人们的纳税意识 又相对薄弱，例如东欧和南美各国。目前国际上使用税控收款机的国家主要有意 大利、新加坡、日本、俄罗斯、乌克兰、土耳其、希腊、墨西哥、巴西、匈牙利、 波兰、保加利亚等。其中意大利过去曾被人们称为“偷税漏税的天堂 ，意大利 从八十年代起最早开始使用税控收款机，有成熟的经验与法规，从1 9 8 3 年起，意 大利分时间段依照营业额由高到低分布实施使用税控收款机，目前，意大利全国 1 0 万个商业网点中已安装了1 1 5 万台税控收款机，国家征收到的税金已占应征税的 9 0 ，取得了显著的效果n 们。 而中国尽管每年国内工商税收都比上一年增加数千亿元，但是国内目前法定 应征税额与实征税额之差仍达2 0 - 4 0 ；据有关资料，国家每年税款流失至少5 0 0 0 亿元，这对国家的财政收入带来了很大的损失。中国国内在1 6 0 万一般纳税人通过 金税工程二期全部实现机打发票从而实现了对一般纳税人有效控制后，3 5 0 0 万小 卦翌群文系一一中一f 电子科技大学硕士学位论文 规模纳税人和营业税纳税人就成为下一步的税源监控重点，税控收款机产品与金 税三期相呼应，织成一个覆盖全部税种、面向所有纳税人的大网，将会对强化征 管和纳税人管理起到有效作用。所以金税三期对税控市场有着积极的推动作用“。 随着去年广东国税的税控收款机成功招标和湖南招标工作完成之后，各地税 局进入一个新的观察思考阶段，预计一个新的招标高潮很快会到来，而且国家税 务总局也把税控收款机的推广当作2 0 0 7 2 0 1 0 年的一个工作重点来抓。专家估算， n 2 0 1 0 年，税控收款机领域将会形成一个至少2 0 0 亿人民币规模的市场“。 在我国，税控收款机是嵌入式系统一个热点的应用领域，需要我们去开发研 究。随着国家推广税控收款机进程的深入，特别是推，“到中小城市及小城镇，将 来对税控收款机的定制需求会很大，同时税控收款机市场会呈现多样化的需求， 因此，税控收款机市场要求解决方案也多样化，满足不同用户个性化的需求。 3 税控收款机的技术现状和不足 当前税控市场十分火热，竞争也十分激烈，光是获得了税控收款机生产资质 的厂家就有一百多家，各个厂家纷纷推出了自己的机型，下面我们列出了一些知 名厂商的税控收款机。 ， 顶尖c r ? 4 f 1 撵螓警通 同方t f 肛s k 5 m浪潮r e 3 6 0 f b 图卜3 目前的税控收款机代表产品 尽管目前税控市场上税控收款机品种繁多，但是归类来说税控收款机主要有3 种类型：9 8 1 6 位单片机为主的低端机；以a r m 7 不带操作系统的中端机或以 a 刚y + u c l i n u x 为主的中高端机；还有部分高端机由p c 机组成系统控制部分。 这几种机型各自具有明显的缺陷： ( 1 ) 以8 1 6 位单片机为主的低端机尽管硬件成本最低，但是由于处理器性能 的局限性，速度慢，功能十分有限，而且随着3 2 位处理器的市场应用不断增大而 使3 2 位处理器的成本越来越低，其价格优势也在不断减少。另外由于单片机所能 蒸 秒 第一章绪论 采用的存储器容量较小，不利于大量历史数据的存储；同时该款机型的液晶显示 器也大多采用点阵式，不能采用图形显示器：而且低端税控机一般无操作系统， 编程没有统一接口，开发者需要自己编程并直接对硬件进行操作，无法编写通用 的程序，因此需要投入大量的维护成本和时间。 ( 2 ) 以a r m 7 不带操作系统的中端机或以a r m 7 + u c l i n u x 为主的中高端机尽管硬 件成本适中，但是该类型税控收款机则或者没有操作系统或者大多采用没有内存 管理的u c l i n u x 操作系统，一方面稳定性差，另一方面也不容易写出通用的应用软 件来；而且a r m 7 处理器速度不够快，难以适应某些高速度要求的功能。 ( 3 ) 而以p c 为主机的高端税控机，如映美3 8 0 p c c k ，研华工控税控机等则成 本太高，普通消费者难以承受。 针对以上税控收款机的不足之处，我们面向市场推出了能改进以上不足之处 的a r m 9 + l i n u x 的税控收款机。 1 4 论文研究意义及技术改进 本论文针对目前税控收款机市场上的现状和不足，研制的税控收款机硬件上 采用三星a r m 9 处理器$ 3 c 2 4 1 0 ，操作系统上采用带m m u 的嵌入式l i n u x 操作系统。 本论文税控收款机硬件上应用a r m 9 处理器是因为a r m 9 处理器频率可达 2 0 0 4 0 0 姗z ，这样其运算速度不仅比单片机有了飞跃性的提升，而且也比a r m 7 快很 多，这样不仅整个税控收款机速度更快，而且当使用图形用户界面时，效果更好。 另外由于a r m 9 自带d r a m 控制器，内置c a c h e 更大，并采用五级流水线模式，故进一 步使税控收款机的性能获得更大幅度的提升。 另外a r m 9 处理器集成度比单片机和a r m 7 更高，接口也更丰富，故整个税控系 统不仅可以节省许多外设驱动芯片，降低外设驱动成本，而且整个系统的集成度 更高，同时也令整个税控收款机系统的稳定性更高。 从硬件性能比较而言，尽管采用a r m 9 处理器的税控收款机比采用高配置p c 工 控税控收款机差一些，但是a r m 9 处理器的运算速度已经完全可以满足市场上绝大 部分顾客的需求，而且从整体成本而言有了大幅度降低，相对而言其性价比更高。 软件操作系统上采用功能更强大的带m m u 的嵌入式l i n u x 操作系统。由于嵌入 式a r m - l i n u x 操作系统其具有统一的编程接口，有强大的网络、文件及数据库等支 持，因此可以比较方便、快速地开发出通用的、功能强大的、易于移植和扩展的 应用软件； 5 电子科技大学硕士学位论文 本论文设计的税控收款机性价比高，可靠性更高，扩展性强，移植升级能力 强，而且由于具有高速的a r m 9 处理器和嵌入式l i n u x 操作系统，故可以更方便的采 用图形用户界面，使人机交互界面更方便和更具人性化。总体而言这种设计代表 着税控收款机未来的发展方向。它不仅保证用户使用功能的更强大，另外也有利 于税控收款机将来的功能扩展和技术上市场上快速升级到下一代即将流行的可刷 银行信用卡的金融税控一体机，在将来竞争激烈的市场上取得市场先机。 1 5 研究内容和章节安排 本论文采用以a r m 9 + l i n u x 平台为税控收款机的软硬件平台，介绍了一种性价 比高、功能强大的高端税控收款机的设计开发。本文主要完成了该税控收款机的 整体硬件设计，搭建了整个a r m - l i n u x 税控开发平台，并阐述在其平台和目标硬件 上如何开发相应硬件的设备驱动程序，并根据用户的需求和国标g b 1 8 2 4 0 的要求， 设计和实现系统的图形界面和应用程序。本文共八章： 第一章：绪论。大体介绍了税控收款机的概念以及本论文研究的历史背景、 研究意义和研究内容等。 第二章：税控收款机总体分析和设计。对本论文从系统方案总体设计的角度 进行了分析和设计思路等的介绍。 第三章：税控收款机硬件系统设计。本章就税控收款机总体硬件结构作了阐 述，并对一些主要功能模块的硬件设计机理作了介绍，给出了部分硬件电路图。 第四章：a r m 9 一l i n u x 税控收款机系统软件平台设计。包括开发环境的搭建、 l i n u x 内核的移植，文件系统的建立等。 第五章：设备驱动的开发和移植。主要就l i n u x 设备驱动程序的编写设计进行 了介绍，并对其中的l c d ，打印机等驱动设计进行了具体分析。 第六章：图形界面和应用程序的编写。首先介绍了g u i 的选择和移植，然后对 主要的应用程序设计进行了分析，并给出了部分关键流程图。 第七章：介绍了税控系统的安全性设计。 第八章：结论。主要是对本论文的研究进行归纳总结和课题前景的展望。总 结目前在研究中还存在的一些问题和不足，并给出下一步可能的研究方向和设想。 6 第二章税控收款机总体分析和设计 第二章税控收款机总体分析与设计 2 1 系统总体设计概述 税控收款机系统具有税控功能及收款管理功能。本论文设计的税控收款机按 照税控收款机国家标准的要求进行设计，并能完成一定的商业管理功能，操作方 便；其采用以税控i c 卡为核心的安全机制一一通过税控卡正确生成税控数据，然后 将税控数据分别可靠地存储在税控卡和税控存储器中；其中采用用户卡将税控数 据安全传递到税务机关的税控收款机管理系统中。本论文设计的税控收款机和税 控i c 卡分别遵循统一的技术规范，使得税控收款机和税控i c 卡的设计、生产、测 试和验收得以分别实施。税控收款机管理系统将纳税人相关信息写入税控卡中， 并通过税控卡对税控收款机进行初始化处理，即建立税控卡和税控收款机的惟一 对应关系：经过初始化后的税控收款机，才可进入正常使用状态。税控收款机系 统还应具备收款功能，满足小型商户、超市等商业管理的需求。 本章着重介绍了税控收款机的整体方案的设计，首先在设计税控收款机之前， 应该先熟悉税控收款机相关国家标准，这样设计的税控收款机才能符合税控部门 的要求、通过国家部门的检测。本论文税控收款机主要是以a r m 9 - l i n u x 平台为基 础设计，设计的工作原理可以从硬件设计和软件设计的角度分析考虑。硬件方面， 开发以$ 3 c 2 4 1 0 为核心的嵌入式税控收款机硬件平台；软件方面总体而言，主要进 行嵌入式l i n u x 操作系统的移植、设备接口驱动程序的开发、税控收款机图形界 面选择和移植和税控应用程序的开发。最后形成软硬件一体的税控收款机解决方 案，满足国家标准各项要求。 从硬件角度设计考虑，税控收款机分为主控模块、存储模块、实时时钟模块、 电源模块、打印机模块、i c 卡模块等模块、通信扩展接口模块，每个模块完成不 同的功能。主控模块采用3 2 位a r m 9 处理器的$ 3 c 2 4 1 0 ，其工作频率可达2 0 0 m h z 。中 央处理单元的工作很大程度上依赖于存储器，这里所说的存储器是用于存储税控 收款机系统数据、运算变量、用户编程数据以及经营报表数据的存储器。实时时 钟是税控产品中的另一个重要部件，所有税控记录的合法性和有效性都依赖于内 部实时时钟的准确性。税控收款机的电源是指为其主板、中央处理单元、数据存 储器和其他内部设备提供合适电能的直流稳压电源，因此电源质量的好坏直接影 7 电子科技大学硕士学位论文 响到产品的稳定性和可靠性，同时从数据安全性出发还需要对异常掉电做掉电处 理，以防数据丢失。打印机是税控收款机中的关键部件，发票的产生最终将依赖 于打印机；打印机又是税控收款机中最易磨损的部件，因此它的好坏直接影响到 税控收款机的可靠性和使用寿命；同时增加了掉电续打的功能，防止异常掉电， 打印发票不完整n 朝。i c 卡模块是税控收款机的核心，根据g b l 8 2 4 0 国标，我国税控 收款机的核心就是带有安全认证和数据加密功能的税控卡，此外还有“税控存储 器”、。发票存储器 和用户税控卡接口n 劓。 从软件角度设计考虑，税控收款机软件分为系统软件和应用软件，其中系统 软件采用嵌入式l i n u x 操作系统；应用软件采用图形用户界面g u i ，此界面美观、 方便用户操作，此外还包括应用程序的设计开发。 2 2 税控系统的嵌入式软硬件框架 税控系统总体软硬件框架图如下图2 一l 所示n 朝：人机交互接口主要包括l c d 、 v f d 、键盘、鼠标、触摸屏等接口；外设接口主要包括u s b 、串口、以太网等接口。 软件 应用程序 文件系统g u i 接口 嵌入式a r 旷lin u x 操作系统 启动代码 l i n u x 硬件驱动 硬件 税控卡l 嵌入式i r o m 数据存储l 处理器 s d r a m 环设接司( s 3 c 2 4 1 0 ) i g p l 0 人机交互接口 图2 - 1 税控系统软件硬件框架图 2 2 1 税控系统硬件构成 本论文税控系统硬件连接图如下图2 2 所示：硬件设计上，在核心处理器 $ 3 c 2 4 1 0 a 的基础上，外扩了各种接口的专用芯片。本系统其主要实现的接口如下： ( 1 ) 总线接口：连接s d r a m ，f l a s h 主存储器接口。 ( 2 ) 标准串行接口：提供3 个2 线串口来支持多种外设，如i c 卡、条码扫描仪， 手写板，p c 等。其中串d o 作为税控专用接口：税控器的专用通道，是专为税务部 门有效控制税收来源而设计和预留的；其灵活的模块化设计，可以极大地方便税 第二章税控收款机总体分析和设计 控收款机的功能升级和维护。 ( 3 ) 网络接口：具有智能纠错功能的i o m h z 高速以太网口设计，保证了数据 传输的高效性和实时性。 ( 4 ) u s b 接口：包括u s bh o s t 、u s bd e v i c e 等，可以实现数据存储，可以外 接u s b 键盘，鼠标，可以升级外扩其他u s b 设备等。 ( 5 ) c p l d 扩展g p i o 接口：为有效节约税控板上空间，扩展c p u 的g p i o 接口线 数，利用c p l d 电路作扩展功能。主要扩展有：键盘、片选信号、串口、打印机等。 ( 6 ) s p i 总线接口：接v f d 用户显示屏，同时扩接s p i 串行税控数据存储器。 ( 7 ) 1 2 c 总线接口：接r t c 芯片，1 2 c 总线常改动数据存储器和复位芯片等。 图2 - 2 税控收款机硬件连接图 2 2 2 税控系统软件构成 本论文软件系统采用的是一套标准的嵌入式l i n u x 系统a r m l i n u x 操作系 统。除了l i n u x 操作系统部分，还包括l i n u x 设备驱动程序和图形主界面以及税控 应用程序几部分的开发移植。 l i n u x 操作系统部分其构件包括：u - b o o t ( b o o t l o a d e r ) 、z i m a g e ( k e r n e l ) 、 9 电子科技大学硕士学位论文 f i l e s y s t e m - - 部分： ( 1 ) b o o t l o a d e r ：系统启动时第一时间执行的一段代码；在功能上类似p c 机 上的b i o s 系统。应用系统主要靠它来完成系统的安装和调试等任务；在整个系统 设计过程中，b o o t l o a d e r 是与具体硬件结合最紧密部分，其实现主要为汇编语言。 ( 2 ) k e r n e l ：整个应用系统的核心，它负责统一调度和管理系统上的所有资 源；系统启动过程中，继引导代码之后进一步初始化外设和系统配置。 ( 3 ) f i l e s y s t e m ：l i n u x 系统下的重要组成部分，可以简单理解为系统下各 种文件的有机组织结构；一般包含系统以及其上层应用程序运行时所需的各种库 文件和资源文件。 以上三部分的有机结合便构成了一个完整的a r m - l i n u x 操作系统。本税控收款 机系统应用时是通过烧写器把它们固化在一颗f l a s h 芯片上。 2 3 总体设计原则 税控收款机嵌入式终端设备应用平台是比较复杂的系统，在开发过程中，要 全面考虑到各种情况，主要遵循的一些设计原则有： ( 1 ) 易用性。提供的应用编程接口要尽可能简洁而又满足需要，函数要有良好 的容错性，便于将来升级为银税机开发时，其他开发者能很容易的掌握和运用。 ( 2 ) 高性能。要在保证终端设备能够正常运行的情况下，考虑到对存储器( 包 括s d r a m 和f l a s h ) 的严格要求，要尽量减少可执行代码所需的空间，提高程序的运 行速度。这与应用程序有关，更与a p i 函数代码的优化有关。 ( 3 ) 模块化。采用软件工程的思想，分工明确，降低错误率，缩短开发周期。 ( 4 ) 协同开发。软件以及软硬件之间采用协同开发模式。 ( 5 ) 可移植性。嵌入式操作系统和开发出来的应用程序要具有良好跨平台性， 要能支持主流的微处理器硬件平台。便于将来的升级优化。 ( 6 ) 安全性高。具有完备的掉电保护功能，确保数据正确。 2 4 总体开发模式 整个平台采用软硬件协同开发模式；硬件部分以s a m s u n g 公司提供的$ 3 c 2 4 1 0 开发板为设计参考，软件部分则是参考过去的a r m t + u c l i n u x 税控收款机，充分利 用互联网上的开源自由软件，以遵循g p l 规则的l i n u xk e r n e l ，g n us o f t w a r e 为原 1 0 第二章税控收款机总体分析和设计 型，在此基础上进行嵌入式软件平台的开发，通过脚本配置、修改定制、自主编 写等方式来进行工具链的构建和应用编程接口库的封装，然后再以g p l 或l g p l 的方 式进行发布。 2 5 税控系统安全性设计考虑 税控收款机内部装有不能随意更改和抹掉的自动记录税控数据的存储器，它 记录着每天的日交易数据，是向纳税机关纳税的凭据，要求数据存储的安全可靠 性相当高n 钔。由于其应用环境比较复杂，操作人员的素质也不一样，在实际应用 过程中难免出现一些异常的情况。为了保证税务数据正确的传输与存储，正确的 生成与反馈等，在税控收款机发生异常情况时，必须从硬软件两方面进行保护， 以使税控收款机的税务数据安全性得到有效的保障。 ( 1 ) 本论文税控收款机是依据国标6 8 1 8 2 4 0 - 2 0 0 3 系列标准，根据安全性、方 便性和经济性的原则来进行设计。其采用以税控i c 卡为核心的安全机制，其首先 通过税控卡正确生成税控数据，然后税控数据分别可靠地存储在税控卡和税控存 储器中，最后采用用户卡或其它媒体介质将税控数据安全传递到税务机关的税控 收款机管理系统中。 ( 2 ) 在i c 卡数据加密算法中，广泛采用d e s 算法或以d e s 为基础的加密算 法。而税控发票管理系统采用r s a 算法和身份认证技术实现对税控交易终端的有 效管理并确保税务交易数据的不可抵赖性n 引。 ( 3 ) 电池电压过低时，税控器会向用户发出提示信号，要求用户更换电池， 确保税控收款机时钟的走时精确。 ( 4 ) 具有完备的掉电保护功能，确保数据正确。 1 ) 、当电源掉电时，电源监测电路零延时发出中断信号，通知mc u 。 2 ) 、当掉电时，正在进行数据处理、存储、卡操作等操作，由大容量电容供 电，经过升压电路处理，向主板提供稳定的5v 和3 3v ，直至操作完成。 3 ) 、系统配有8 0 0 m a h 的后备电池，具有完善的切换逻辑。当电源掉电时，可 无扰动、无延迟的自动切换到电池供电。 ( 5 ) 软件方面，我们对安全性做了以下处理：通过发卡系统使税控机和使用 者通过i d 一一对应，通过密钥将用户卡和税控卡以及税控机绑定。 电子科技大学硕士学位论文 第三章税控收款机硬件系统设计 根据税控收款机在商业和税控方面的要求，一个完整的税控收款机要具有计 算、记录、打印、显示、掉电保护、安全等功能。因此从硬件设计角度划分，税 控收款机由主控模块、输入输出设备扩展专用接口模块、显示模块、税控i c 读写 卡模块、打印机模块五部分组成n 引。税控收款机的硬件组成框图如图3 1 所示： 图3 一l 税控收款机硬件框图 税控收款机完成初始化、开票、申报、完税和稽查的操作过程，是由其各个 部件的分工合作来完成的。以下是税控收款机各功能模块的工作原理和设计思想 以及元器件选型等的分析。 3 1 主控模块 主控模块包括最小系统模块，r t c 模块，税控数据存储器模块共三部分。 3 1 1 最小系统模块 1 2 第三章税控收款机硬件系统设计 最小系统如下图3 - 2 所示包括微处理器、存储器、晶振时钟系统和j t a g 口以及 调试串口，它是整个系统的调试基础n 钔。有了最小系统之后，便可进行基本的软 件调试和其他硬件功能模块的调试。 图3 - 2 嵌入式系统最小系统框图 3 1 1 1 微处理器 微处理器是税控系统设备的大脑中枢，它负责指挥和协调各外围功能模块的 工作。通过翻译输入指令，确定对各种外部设备的操作，并将从外设得到的信息 或对外设操作后的信息进行处理后，指挥显示器显示相应信息或输出到其它设备， 同时将关键信息存储到存储区。微处理器性能的好坏直接影响税控终端设备的性 能。本论文设计的税控收款机定位在高端，并具有网络接口和u s b 接口，因此在选 择主控模块的处理器时，选择了功能强，性价比高的三星的$ 3 c 2 4 1 0 处理器。 ( 1 ) $ 3 c 2 4 1 0 结构介绍 $ 3 c 2 4 1 0 a 微处理器是一款由s a m s u n g 半导体公司为手持设备等相关应用设计 的，低功耗、高集成度的微处理器。$ 3 c 2 4 1 0 芯片基于a r m 9 2 0 t 内核，采用五级流 水线和哈佛结构，提供1 1 m i p s m h z 的性能，是高性能和低功耗的硬宏单元。 a r i v l 9 2 0 t 具有全性能的m m u 、指令和数据c a c h e 以及高速a m b a 总线接口口0 1 。 $ 3 c 2 4 1 0 a 的内部功能方框块图如图3 - 3 所示口。$ 3 c 2 4 1 0 a 片上集成的功能主要 包括以下几个方面： 1 8 v 2 o v 内部供电，3 3 v 存储器，3 3 v 外部i o 供电； 电源控制四种模式：正常模式，s l o w 模式，空闲模式和掉电模式； 1 6 k b 指令c a c h e 和1 6 k b 数据c a c h e 和内存管理单元m m u , l c dl c d c 。盯 d 削a 。以 、 r 。 卜、 、r 1 ， 八 广叫 图3 3 $ 3 c 2 4 1 0 庆j 部结构块图 具有外部存储器控制器( s d r a m 控制和片选逻辑) ； l c d 控制器( 支持高达4 k 色s t n 屏和2 5 6 k 色tf r i l 型液晶屏，i 路l c dd m a ) ； 4 路d m a ，具备外部请求脚，i 1 4 第三章税控收款机硬件系统设计 3 路u a r t ( 支持i r d a i 0 1 6 字节发送f i f o 1 6 字节接收f i f o ) 2 通道s p i ； l 路多主模式的i i c 总线，l 路i i s 总线控制器； 兼容v 1 o 的s d 主接口协议和v 2 1 1 的删c 卡协议； 2 路全速u s b 主设备，其中1 路可以作为u s b 从设备( v 1 1 协议) ； 4 路p w m 定时器和一路内部定时器； 具有看门狗定时器； 共提供1 1 7 个通用i o ，2 4 路外部中断； 8 路1 0 位a d c ，其中2 路可以作为触摸屏接口； 具有日历功能的r t c 时钟； 片内倍频锁相环p l l ； s 3 c 2 4 1 0 提供了一套比较完整的通用系统的外围设备，并且使得整个系统消耗 最小。正因为它具有很多常用功能模块，避免了添加配置附加设备的麻烦j ( 2 ) $ 3 c 2 4 1 0 系统存储映射 $ 3 c 2 4 1 0 将系统的存储空间分成8 个b a n k ，每组的大小是1 2 8 m 字节，共1 g 字节。 在本税控收款机系统平台上，$ 3 c 2 4 1 0 的b a n k 空间的分配图3 - 4 所示。 没有采用n a n d f l h 做启动r o m o x f f f ff h 叩 o x 6 0 0 00 0 0 0 o ，【4 8 0 0o 0 0 0 o x 4 0 0 0o f f f o x 4 0 0 00 0 0 0 0 x 3 8 0 00 0 0 0 0 ) 【3 0 0 0o 0 0 0 0 x 2 8 0 00 0 0 0 o x 2 0 0 00 0 0 0 o x l 8 0 00 0 0 0 o x l 0 0 00 0 0 0 o x 0 8 0 00 0 0 0 o x 0 0 0 00 0 0 0 b o o t s r a m ( 4 k b ) ( n g c s 7 )1 2 8 】 ( n o e s 6 ) 1 2 8 】 s d r a m ( n g c s 5 )1 2 8 】 ( n c , c s 4 )1 2 8 】 斗 ( n o c s 3 ) 1 2 8 l e t h e r n e t 以太网芯片 ( n g c $ 2 )1 2 引 ( n 1 3 c s l ) 1 2 8 1 ( n g c s o ) a m 2 9 l v 6 4 0 b 1 2 8 1 图3 _ 4 系统s 3 c 孔1 0 存储地址空间分配 $ 3 c 2 4 1 0 的b a n k o 至l j b a n k 5 的开始地址是固定的，用于r o m 或s r a m 。b a n k 6 和b a n k 7 用于r o m ，s r a m 或s d r a m ，这两个b a n k 可编程，且大小相同。b a n k 7 的开始地址是b a n k 6 1 5 电子科技大学硕士学位论文 的结束地址，灵活可变。所有内存块的访问周期都可编程，支持外部w a i t 等待信 号延长总线周期。$ 3 c 2 4 1 0 采用n g c s 7 ：0 共8 个通用片选线选择8 个b a n k 区1 。 $ 3 c 2 4 1 0 处理器可以对8 个b a n k 进行寻址，每b a n k 最大空间为1 2 8 m ；为了使处理器 对各个设备的访问互不干扰，本设计将不同类的设备映射到不同的b a n k 内。除了 b a n k o 分配给了程序n o rf l a s h ，起始地址为o x 0 0 0 0 0 0 0 0 ；b a n k 3 分配给以太网控制 器设备，b a n k 6 分配给s d i 洲。 3 1 1 2 复位模块和掉电检测、时钟后备电池供给电路 在最小系统电路中，复位电路主要完成系统的上电复位和系统在运行时候用 户的按键复位功能。复位电路可由简单r c 电路组成，但有时还需外带按钮去抖动 和波形整形功能的电路，也可采用功能更完善的专用复位芯片。本系统由于税控 数据的保护需要用到一个非常重要的掉电检测电路和时钟后备电池供给电路。而 这三个电路可用一个芯片( 如下图中的s t m 7 0 4 删) 来统一实现，此芯片带掉电检 测，手动，自动复位，电池切换。采用下面的s t m 7 0 4 芯片电路一方面节省了分立电 路的成本，另一方面保证了几个电路的集成可靠性，具体电路图如图3 5 所示。 一3 3 v 工 图3 - 5 复位、掉电检测、时钟后备电池供给电路 图3 - 5 中r 8 5 ，r 8 为掉电取样电路的分压电阻，当外部电压掉电过程中，经调 节后的掉电保护电压p w r d o w n 经过s t 7 0 4 的第4 脚输入，经过第5 脚 ( p o w e r f a i l o u t p u t ) 输出为一个掉电中断信号p w r i n t ，也就是第5 脚输出掉电 检测信号再传送至, j m c u 处理器的中断输入端，当处理器检测到掉电信号后，将启动 掉电保护程序。 同样手动复位按钮h a n d r s t 按下后在s t m 7 0 4 的第6 脚( m r ：m a n u a lr e s e ti n p u t ) 产生一个低电平的脉冲信号后，经过s t m 7 0 4 的整形和门限处理后从第7 脚输出一个 低电平系统复位脉冲信号。 实时时钟后备是正常情况下s t m t 0 4 第1 脚输s p v c c 电压由第2 脚v c c 输入供电， 1 6 第三章税控收款机硬件系统设计 当v c c 掉电后，p v c c 电压由第8 脚v b a t 端连接的实时时钟后备电池b t i 后备供电维持 p v c c 至u i 8 v b a t 转换供电，保证实时时钟正常运行。 3 1 1 3 电源管理模块 本系统税控主板需要供电的模块比较多，所需电源种类也比较多。女h v f d 用户 屏，就需要a c4 2 v 和d c - 2 6 v 两种电源；针式打印机需要d c + 2 4 v ；主板需要处 理器核电压+ 1 8 v ，外设接口需要+ 5 0 v 或+ 3 3 v 电压。我们所采用的解决方式是选 用是外置的a c d c 的开关电源，提供板上所需的：a c4 2 v ，d c - 2 6 v ，d c + s v 。