摘要：稅控收款機關(guān)系到國家的稅收，因此其可靠性是非常重要的。文章介紹了稅控收款機的功能特點、硬件組成及軟件結(jié)構(gòu)，從硬件和軟件兩方面分析了設(shè)計過程中為提高系統(tǒng)的可靠性應(yīng)注意的若干關(guān)鍵問題，指出了現(xiàn)有產(chǎn)品中存在的不足并提出了更加可行的解決方案。

關(guān)鍵詞：稅控收款機；嵌入式系統(tǒng)；硬件；軟件；可靠性設(shè)計

中圖分類號：TP311文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1009-3044(2008)19-30178-03

The Reliability Research of Fiscal Cash Register

MENG Tao1， ZHANG Wei-wen2

(1.School of Mathematical Sciences， Liaocheng University， Liaocheng 252059， China; 2.Department of Mathematics，Huainan Normal University， Huainan 232001， China)

Abstract: The fiscal cash register plays an important role in the revenue of the nation; therefore， its reliability is of great importance. The article introduces the functions， the hardware and the software of the fiscal cash register; what's more， the article analyzes some key problems in the process of the designing to improve the reliability of the system， points out the shortcomings consisting in the present products， and put forward the more practicable ways.

Key words: Fiscal cash register; Embedded system; Hardware; Software; Design of reliability

1 引言

稅控收款機是中國在實行金稅工程第三期中推行的帶稅控功能的收款設(shè)備。其功能是在原有電子收款機上加上稅控功能，方便稅務(wù)局監(jiān)管，主要面向現(xiàn)金流動比較大的第三產(chǎn)業(yè)，如商場、飯店、賓館、超市等場所。稅收是事關(guān)國計民生的一件大事，對于稅控設(shè)備而言，不僅要保證數(shù)據(jù)的正確生成，還要確保數(shù)據(jù)的可靠存儲及安全傳遞。稅控收款機的可靠性關(guān)系到國家的稅收安全，該設(shè)備一般都是連續(xù)不斷的工作，而且要面臨各種復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境，因此如何設(shè)計生產(chǎn)可靠性高的產(chǎn)品就顯得十分重要。本文結(jié)合稅控收款機的實際開發(fā)過程，從硬件和軟件兩方面分析了設(shè)計過程中應(yīng)該注意的若干關(guān)鍵問題，并提出了解決方案。

2 稅控收款機硬件的可靠性設(shè)計

目前，稅控收款機一般采用嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其硬件平臺一般包括：處理器、顯示模塊、打印模塊、電源模塊、時鐘模塊、稅控存儲器模塊、IC卡接口以及通信接口等。

硬件的可靠性對系統(tǒng)整體而言是至關(guān)重要的。在設(shè)計生產(chǎn)時應(yīng)盡量采用集成度高的器件，并選用較為穩(wěn)定、成熟的工藝與電路方案，同時對電路的關(guān)鍵點采用過壓、過流等保護措施。下面對設(shè)計過程中的應(yīng)考慮的部分關(guān)鍵問題進行闡述：

2.1 散熱設(shè)計

對于電子產(chǎn)品，工作溫度越高，器件越容易失效，出故障的幾率也就越大。雖然嵌入式系統(tǒng)功耗低、發(fā)熱量小，但由于夏天普遍氣溫較高，而且稅控收款機一般多是不間斷工作，所以仍要考慮產(chǎn)品的合理散熱：

(1)選用低功耗的優(yōu)質(zhì)器件；

(2)合理布局，盡量分散發(fā)熱量大的元件；

(3)適當(dāng)開設(shè)散熱孔，以利于熱量的散發(fā)。本系統(tǒng)在電源模塊旁設(shè)計了幾排散熱孔，進行通風(fēng)散熱。

稅控收款機中發(fā)熱的主要部件是電源模塊，為更好的解決散熱問題，本系統(tǒng)采用了打印機電源與整機主工作電源分開的設(shè)計。

2.2 掉電保護

系統(tǒng)的突然掉電可導(dǎo)致重要數(shù)據(jù)的丟失，所以在設(shè)計時應(yīng)考慮掉電保護功能。實現(xiàn)掉電保護的做法一般有兩種：第一種是軟件保護，即在突然掉電的瞬間，CPU進入掉電保護程序，在極短的時間內(nèi)，將收款機的工作狀態(tài)與關(guān)鍵數(shù)據(jù)進行保存。當(dāng)供電恢復(fù)后，稅控收款機恢復(fù)原來的數(shù)據(jù)和掉電時的工作狀態(tài)，然后繼續(xù)工作；第二種是硬件保護：即外加一臺不間斷電源（UPS），當(dāng)交流供電電源出現(xiàn)問題或突然停電，不間斷電源將自動接續(xù)供電。

上述兩種方法都有不足之處：對于軟件保護方式，大多數(shù)情況下可以完整的存儲數(shù)據(jù)，但若遇到反復(fù)頻繁的掉電，稅控收款機就可能因無法正確處理數(shù)據(jù)而出現(xiàn)錯誤；硬件保護方式雖然能保證數(shù)據(jù)的完整，但是在交流電源突然掉電時，由于UPS的介入，CPU不知道掉電而不能做出任何反應(yīng)，需要人工結(jié)束工作并斷開電源。

本系統(tǒng)采用了更加智能的設(shè)計：將供電部分分成三個模塊：開關(guān)電源模塊、電源監(jiān)測模塊以及后備電池模塊。開關(guān)電源模塊以及后備電池模塊通過監(jiān)測模塊與主板相耦合，監(jiān)測模塊負責(zé)監(jiān)控交流供電以及后備電池的能量存儲狀況：如果監(jiān)測模塊測得的電池電壓小于某一預(yù)設(shè)值，則自動對后備電池組進行充電；同時監(jiān)測模塊還對交流供電狀況進行實時檢測。如果交流供電出現(xiàn)故障，則自動將電源切換到電池，并經(jīng)過直流/交流轉(zhuǎn)換給系統(tǒng)供電，同時給處理器發(fā)送中斷信號，結(jié)束當(dāng)前工作并對涉及的數(shù)據(jù)進行保存，然后關(guān)斷后備電池。這種設(shè)計使機器即使在遇到頻繁、重復(fù)掉電的情況下仍可保證數(shù)據(jù)安全，具有高效、無人為操作的優(yōu)點。

2.3數(shù)據(jù)存儲器的安全保護

數(shù)據(jù)存儲器記錄了大量的發(fā)票數(shù)據(jù)，是稽查的重要憑證，因此在設(shè)計上應(yīng)特別考慮安全保護：一方面要防止用戶私自更換元件和篡改數(shù)據(jù)，另一方面還要考慮當(dāng)機器受到不可抗拒力損壞時，仍能將數(shù)據(jù)導(dǎo)出。

本系統(tǒng)采用了以下方法解決安全保護問題：

(1)采用分離式的稅控數(shù)據(jù)存儲器專用印刷電路板

將數(shù)據(jù)存儲模塊與主板分離。電路板上設(shè)有可拔插存儲器接口，整個電路板通過固定針固定在主板上。這種設(shè)計一方面兼顧了存儲介質(zhì)的更換需求，保證介質(zhì)不能被隨意更換，起到一定的鉛封作用，另一方面當(dāng)設(shè)備損壞時可以方便的將數(shù)據(jù)寫到新的稅控設(shè)備中。

(2)使用特殊的鉛封結(jié)構(gòu)

為防止用戶私自打開機殼，現(xiàn)在的稅控收款機都有鉛封。傳統(tǒng)的鉛封結(jié)構(gòu)是在機器上下殼各開一個孔，將金屬杯嵌入孔內(nèi)，然后將上下殼鎖起來，最后在金屬杯內(nèi)打入鉛粒，把螺釘頭部封裝起來。這種方法有個缺點：將鉛粒打入金屬杯時，受力一端為塑料機殼，其承受能力有限，可能導(dǎo)致鉛粒脫落或用力太大機殼報廢的問題。本系統(tǒng)為了克服上述缺點采用了不同的設(shè)計：在底板和頂板結(jié)合的邊緣上有設(shè)計一對對應(yīng)的孔，由一端固定有螺帽的金屬桿穿過該孔，并在金屬桿的另一端套上金屬杯并旋緊螺絲，最后用工具把金屬桿螺帽端頂住，將鉛粒壓入金屬杯以封裝螺釘頭。這種設(shè)計可避免外力在打入鉛粒時對機殼的直接作用，防止損壞機器。

2.4 時鐘設(shè)計

時鐘的準(zhǔn)確性關(guān)系到系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)。本系統(tǒng)的主板上備有高能鋰電池時鐘芯片，即使發(fā)生掉電情況，時鐘也不會受到影響。

由于稅控收款機易受到外界干擾，對于干擾比較大的環(huán)境，可以選擇在靠近開關(guān)電源模塊的電源線上安裝濾波磁環(huán)。通過濾波磁環(huán)濾波以及CPU內(nèi)置可編程處理器CPLD對外部元件譯碼，可有效隔離外界的干擾，提高整機的抗干擾能力。

3 稅控收款機軟件的可靠性設(shè)計

稅控收款機的軟件一般采用分層的模塊化設(shè)計，一般分為三層：業(yè)務(wù)邏輯層、接口層和驅(qū)動層。業(yè)務(wù)邏輯層主要完成與稅控收款機相關(guān)的業(yè)務(wù)；接口層用于銜接業(yè)務(wù)層和驅(qū)動層，提供一些與硬件無關(guān)的接口函數(shù)；硬件層則包含了相關(guān)的驅(qū)動程序。可靠的軟件對稅控收款機的穩(wěn)定同樣也是至關(guān)重要的。

3.1 稅控數(shù)據(jù)的可靠存儲

為實現(xiàn)稅控數(shù)據(jù)的可靠存儲，在軟件方面本系統(tǒng)增加了對數(shù)據(jù)存儲器FLASH扇區(qū)的冗錯保護及ECC校驗，方法如下：

(1)創(chuàng)建FLASH扇區(qū)狀態(tài)映射表

在初始化FLASH時，首先檢查每個扇區(qū)狀態(tài)，若扇區(qū)無效則在扇區(qū)狀態(tài)映射表的對應(yīng)位置填寫備份扇區(qū)號。另外，在每次對FLASH扇區(qū)進行寫操作時，先對數(shù)據(jù)進行備份，若寫操作出現(xiàn)異常，則在FLASH扇區(qū)狀態(tài)映射表中填寫備份扇區(qū)號，并在備份扇區(qū)中復(fù)制改寫的數(shù)據(jù)。

(2)FLASH數(shù)據(jù)扇區(qū)的映射和存儲

在讀扇區(qū)時，先根據(jù)狀態(tài)映射表查找扇區(qū)的映射扇區(qū)號，然后讀映射扇區(qū)的內(nèi)容；在寫扇區(qū)時，先根據(jù)狀態(tài)映射表查找扇區(qū)的映射扇區(qū)號，根據(jù)映射扇區(qū)號讀出內(nèi)容并進行備份，然后改寫備份數(shù)據(jù)的內(nèi)容。隨后擦除該映射扇區(qū)內(nèi)容。若該映射扇區(qū)失效，則更新FLASH扇區(qū)狀態(tài)映射表，映射到其它備份扇區(qū)，然后將數(shù)據(jù)寫入到該備份扇區(qū)中。

(3)FLASH扇區(qū)的冗錯

在寫FLASH數(shù)據(jù)扇區(qū)前，先進行ECC校驗，然后將數(shù)據(jù)和校驗碼分別寫入數(shù)據(jù)區(qū)和ECC校驗區(qū)；在讀扇區(qū)時，將數(shù)據(jù)和校驗碼一并讀出，若有錯誤則進行糾錯。

3.2 用戶權(quán)限分級管理

稅控收款機集商務(wù)、稅控、管理等功能于一體。為提高安全性，應(yīng)對用戶權(quán)限進行分級管理。在設(shè)計中用戶進入相應(yīng)模式都要輸入合法的密碼。本設(shè)計中密碼采用了8位數(shù)字與字母組合，密碼加密后存儲在FLASH中。設(shè)計中有三種具有不同操作權(quán)限的角色：系統(tǒng)管理員、收款員和稅務(wù)稽查員。系統(tǒng)管理員能執(zhí)行除稽查任務(wù)外的所有功能：添加、刪除收款員、更改密碼、開票、報稅、查詢交易記錄、查詢商品信息等；收款員主要完成與交易有關(guān)的一些基本操作：錄入發(fā)票、開票、修改本用戶密碼等。稅務(wù)稽查員主要完成稽查任務(wù)：稽查交易記錄、開票和報稅等情況以防止偷漏稅。

3.3 掉電保護

為保證突然掉電時數(shù)據(jù)不丟失、無差錯，不僅需要硬件方面的設(shè)計，同樣也需要軟件的支持。在軟件方面，本系統(tǒng)采用了以下方法：

在錄入發(fā)票、開票、報稅、完稅等關(guān)鍵步驟前檢測電源是否有異常：如有掉電情況則停止當(dāng)前工作，若電源正常則設(shè)置標(biāo)志開始正常操作，工作完成后，清除標(biāo)志；如果在工作中突然掉電，系統(tǒng)會設(shè)置一個未完標(biāo)志，然后保存退出。當(dāng)下次開機后會檢測到該標(biāo)志，軟件將自動調(diào)用恢復(fù)機制并繼續(xù)完成剩余工作。

對于打印機在打印發(fā)票過程中掉電，系統(tǒng)將進行掉電續(xù)打操作：在打印前系統(tǒng)置“打印未完“標(biāo)志，若在打印過程中突然掉電，掉電保護裝置會給處理器發(fā)送中斷信號，中斷處理程序?qū)⒂涗洰?dāng)前的打印位置和狀態(tài)，如當(dāng)前行字符點陣、打印針出針次數(shù)、當(dāng)前打印針點陣信息和打印緩沖區(qū)字符信息等，然后將相關(guān)數(shù)據(jù)保存到外部的存儲器中?；謴?fù)供電以后，收款機上電檢測，如果檢測到”打印未完”標(biāo)志，程序?qū)⒆x取保存在外部存儲器中的打印參數(shù)和狀態(tài)，根據(jù)參數(shù)值控制打印機完成剩余的操作，然后將“打印未完”標(biāo)志清除。

4 結(jié)束語

稅控收款機是保證國家稅收的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此其可靠性是非常重要的。文章結(jié)合稅控機的實際開發(fā)從硬件和軟件兩方面對部分需要考慮的問題進行了闡述，希望能為廣大開發(fā)人員提供幫助。提高系統(tǒng)整體可靠性是個復(fù)雜的工作，需要考慮的問題還有很多，比如如何解決系統(tǒng)軟件更新和下載時的安全性和可靠性問題；當(dāng)機器出現(xiàn)故障時，怎樣才能維持使用并進行快速維修以及如何實現(xiàn)機器的安全聯(lián)網(wǎng)等。本設(shè)計已應(yīng)用于sk-3830改進型稅控收款機，系統(tǒng)已通過測試，性能穩(wěn)定可靠。

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