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AT91RM9200在嵌入式税控POS系统中的应用
    最新消息:2006-1-24 16:25:27 阅读:9790 次

AT91RM9200在嵌入式税控POS系统中的应用

王培青
华恒科技市场部,合肥,230088

    摘  要  首先介绍并分析了我国税控POS产业的现状及存在的问题,并以目前市场条件下共有的突出技术问题为重心,加以详细阐述;然后在技术层面从硬件和软件两个角度进行了细致的方案选型及可性行分析;最后定位以ARM结构体系处理器为核心的嵌入式税控POS解决方案。同时还从实际应用角度,对我国税控POS产业发展趋势做了分析和预测。
    关键词  ARM,Linux,税控POS,嵌入式解决方案

1  引  言

    据赛迪顾问统计,全国注册的小规模纳税户总数近1500万户,预计有1/3纳税户符合条件,可以安装税控收款机。也就是说,全国将有300~500万台的市场装机总容量及相关税务接口软硬件、配套设备、服务和培训等市场需求,会形成至少300~400亿元的巨大市场。然而,整个税控收款机市场急待解决的问题还不少。
    税控POS产业作为我国双金工程的一支强有力的生力军,备受国人关注。税控POS概念在我国提出虽已有几年时间,但其发展不容乐观;经过几年时间的煎熬加上其现有方案总体技术含量较低,如今各商家的产品基本已趋于同质化。这一现象非常不利于行业的发展,淡化了人们对该行业发展的期望。分析其原因,有来自企业自身的自主创新能力缺乏,也有来自产业链的上下游厂商配合力度不够,甚至还有来自我国相关行业的法律法规相对滞后和不够完善。所有这些问题,都严重影响着我国税控POS产业的发展。不过,相信随着时间的推移,各种问题都将会逐步得以解决。

2  方案需求分析

    为了从技术角度采取一条有效的解决途径,这里针对上述存在的各种问题,抽象并提炼出了如下突出问题:
    (1) 安全性能
    税控POS作为我国税源监控的重要设备,安全性能无疑是设计的最主要方面;然而,先前的一系列产品方案技术含量较低,已很难满足当前系统设计上的需求。因此,急需一种基于高安全性设计的新型税控POS方案,来弥补税控POS产业发展的空缺。
    (2) 知识产权
    在税控产品设计当中知识产权也是作为一个重要问题给出的,但就知识产权而言,涉及面太广,这里主要是从方案设计过程中所涉及的系统软件角度加以阐述的。虽然基于ARM架构设计的嵌入式税控POS系统,可以使用的操作系统远不只嵌入式Linux一种,但其他各种嵌入式操作系统都是非开源的,而且授权使用的版权费也十分高昂。这一点从产业运作的角度来看,对商家十分不利。因此,在软件选型方面,须充分考虑目标系统设计的整体情况,以权衡利弊。
    (3) 产品多元化
    税控POS产业链下,应用涉及日常生活的方方面面,所需的产品在功能和性能上也有很大差异,因此需要提供各种各样的税控产品以满足要求。
    (4) 服务专业化
    税控POS产业不同于其他行业,它需要非常稳定的商家,以提供持续不断的技术支持服务,包括后续的产品改造和升级服务。
    以上众多突出问题,对于一个目标系统应用的方案选型都是应该考虑到的。华恒科技通过成立专项税控方案调研小组及方案策划小组,针对上述各问题进行了详细的调研和论证,并从硬件和软件两个角度综合测评;然后根据各小组汇总的客观数据来进一步确认方案选型。结果表明:硬件选型方面,ARM架构相关的嵌入式处理器更受到青睐;软件选型方面,则更倾向于开源免费的嵌入式Linux。得出此结论,当然不排除有华恒自身特点固有的因素(自身因素也是方案选型的重要方面),但更主要的还是基于如下考虑:
    首先,不论从硬件实现角度还是从软件实现角度来看,税控POS系统都是非常复杂的体系。不同于通常所说的POS终端,税控POS系统不但要满足如今社会信息化的各种要求,还要能满足我国现阶段对税源监控的严格要求。
    其次,嵌入式ARM处理器集成度等方面的独特优越性和相对低廉的价位,也是我们选择用它来实现税控POS系统的重要根据。
    ARM架构是立足于高性能的32位系统架构设计和实现的,其影响力已深入我们日常生活的方方面面;尤其是最近几年,随着智能家电等各类消费电子产品的热度不断攀升,ARM架构嵌入式处理器的销量陡增。这同时也为ARM架构的嵌入式处理器更广泛地深入各大行业做好了准备;也正是因为这种骄人的业绩,ARM架构处理器才得以频频降价,以至逐步走近我们的身边。
    在电子设计领域,一直以嵌入式特点著称的ARM架构处理器已为广大工程师所普遍接受和称赞;纵观嵌入式MCU的整个产业,ARM架构核同样已为全球各大半导体厂商所接受和推崇。
    再者,嵌入式税控POS系统是一套智能且复杂的税控体系,很难再用单片机那样功能单一的处理器来实现。即使用单片机可以做到,那么不论在系统实现的成本上还是系统设计的复杂度上都要远远超过用32位架构的嵌入式处理器实现的模式。本文采取了全新的设计理念,即以高安全性的、32位架构的嵌入式处理器为核心,结合嵌入式Linux操作系统来完成。在32位架构的嵌入式处理器系列中,虽然处理器的种类繁多,但从应用普适性、简易性以及性价比等方面来看,最让我们看好的莫过于ARM系列的嵌入式处理器。因此我们选择32位架构的嵌入式ARM处理器来实现税控POS系统的设计。下面将对ARM处理器系列当中一款典型且性能优异的嵌入式处理器AT91RM9200在税控POS系统上的实现,给以详细介绍。

3  方案设计与实现

3.1  系统设计架构与性能参数
    AT91RM9200是一款最具代表性的基于ARM920T核的嵌入式处理器,其总线架构接口模式如图1所示。


图1  总线架构接口模式

    图1所示的总线接口是一种典型的应用型嵌入式处理器设计模式。这里以AT91 RM9200为例说明。之所以选择AT91RM9200,原因很简单,这颗ARM处理器不但性能卓越,同时价格相对低廉(10k量以上的采购价甚至可以突破10美金),而且它还是一款工业级微控处理器;其集成度也十分高,几乎囊括了嵌入式应用领域内的各种主流接口,可以说是ARM处理器设计中的一个佼佼者。另一个重要参考因素,那就是方案应用定位。此税控POS方案于设计之初,就已充分考虑了方案定位的典型性和普适性,没有一味追求高端。同时,嵌入式系统设计的特点也告诉我们,应用系统设计不应一味追求高性能,往往某些性能的取得要付出高昂的代价,甚至很多情况下这些性能根本就没有为目标系统应用带来多少价值。作为嵌入式领域内的应用系统设计,应充分考虑系统应用的具体需要,充分利用软硬件本身已有的各种资源,合理地定位系统选型。这样才能更好地发挥嵌入式系统在设计上的灵活性等优势。
    表1为系统的性能参数。

表1  性能参数

3.2  系统软硬件构成及实现
    (1) 硬件构成
    硬件设计上,在核心处理器AT91RM9200的基础上,外扩了各种接口的专用芯片,如图2所示。


图2  基于AT91RM9200处理器的税控POS主板

    其主要实现接口如下:
    ① 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,极大地方便了税控器的功能升级和维护,更加突显其设计模式在税控领域的优越性。
    ② 网络接口: 具有智能纠错功能的10/100 MHz自适应的高速以太网口设计,保证了数据传输的高效性和实时性。
    ③ 标准串行接口: 提供3个2线串口、1个4线串口和1个8线串口来支持多种外设,如IC卡、磁条扫描、串行热敏打印机和GPRS/CDMA无线通信模块等。由于嵌入式系统没有通常意义上的标准输入/输出,因此输入和输出方面一般通过串口的重定向来满足要求;其中COM1主要用来操作控制终端(类似鼠标、键盘充当输入),其他端口可以根据具体要求来实现模拟输出等应用。
    ④ 存储卡接口: 丰富的各类存储卡接口,包括USB Host、USB Device、CF卡和IDE硬盘等,可以实现大容量数据存储。
    (2) 软件构成
    采用的是一套标准的嵌入式Linux系统——ARM-Linux,其构件包括Uboot(Bootloader)、zImage(Kernel)和Ramdisk(Filesystem)3个主体部分。其中:
    ① Bootloader: 系统启动时第一时间执行的一段代码;在功能上类似PC机上的BIOS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,BootLoader是与具体硬件结合最紧密的部分,其实现主要为汇编语言。虽然实现代码长度比较短,但设计的难度还是很大的,建议初步学习时暂避开这部分。Bootloader的地位非常重要,系统启动时,很多底层硬件都须依赖它来完成初始化及设置任务。
    ② Kernel: 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 Filesystem: ARMLinux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应用程序运行时所需的各种库文件和资源文件。实际应用时,单一的Ramdisk文件系统往往不能够很好地满足系统应用的需要;在设计时,从系统应用角度通常会扩展一些特殊的文件系统,如Cramfs(高压缩比特性)和Jffs2(可实现ROM芯片的实时读/写,断电不丢失)等。
    以上3部分的有机结合便构成了一个完整的ARMLinux操作系统。实际应用时还须通过烧写器把它固化在一颗FLASH芯片上。
3.3  方案价值与特点
    ① 高度安全性: 安全性能,是众多系统应用过程中都要充分考虑的。对于32位架构的嵌入式ARM处理器上的应用设计,安全性同样也是一个重要课题,特别是在当前网络等信息化的应用要求下,应用安全性方面显得更加突出。此方案在安全性设计上,具有其独到的地方: 首先,该方案在应用上是系统级的,整个系统设计是把上层应用纳入系统一级实现的;其次,操作系统上选择了以安全性著称的Linux系统实现,再结合ARM处理器的各种数据保护机制的使用,有效地保证了税控POS在数据采集、处理、存储和传送等过程中的高度安全性。
    ② 稳定健壮性: 采用最主流的ARM9处理器AT91RM9200,主频为200 MHz,性能高,功耗低,内置资源丰富,外围电路设计简单,保证了生产的方便和稳定性。采用QFP封装的处理器取代BGA封装,大大降低了整板的焊接成本,提高了整机的一次调测成功率。
    ③ 扩展灵活性: 通过内置的两个USB Host接口为产品的后续升级提供高度的扩展性,如USB无线网卡和USB键盘、鼠标等输入设备。
    ④ 多种存储方式: 提供扩展FLASH存储,并支持IDE硬盘、电子盘、CF卡和U盘等存储卡。
    ⑤ 多种通信方式: 提供100 MHz以太网,吞吐量可达60 Mbps以上。支持普通Modem拨号、GPRS/CDMA拨号和ADSL拨号上网。
    ⑥ 普适通用性: 支持多种LCD屏及VGA显示器,包括黑白屏和TFT真彩屏;分辨率可支持640×480以上,并支持触摸屏(800×600)。满足多种POS机应用需求。
    ⑦ 界面可自定义: 提供基于嵌入式Linux操作系统的丰富的软件资源,例如各种GUI API供客户定制自己的UI界面。甚至产品外壳也可设计得非常小巧、精致,如图3所示。


图3  基于ARM920T核的嵌入式税控POS主机外观

    ⑧ 操作简易方便:支持PS2,以及USB标准键盘、鼠标,自定义小键盘和触摸屏等。

4  税控POS发展趋势

    从上述方案介绍不难看出,我国税控POS产业的发展路途的确很艰辛,要解决的问题仍然很多,而且大多比较棘手。目前市场条件,还不能祈求都得到很好的解决,尤其是技术以外的各种难题;但从我国嵌入式技术发展的情况来看,势头还是很喜人的。特别是近几年,接触和学习嵌入式ARM技术的人群迅猛膨胀,其技术实力较前些年也有了很大提高;本土的很多技术工程师都已能很好地、独立自主地完成各类复杂嵌入式系统产品的设计。值此时节,我国的税控POS产业也迎来了一个快速发展的时期;目前已由早期的单片机主导设计,过渡到了以32位结构体系处理器为主流的嵌入式方案设计。这一重大变化,为税控POS产品的完善和改进提供了丰富的资源。
    随着我国信息化建设的不断深入,网络纳税已不再是遥不可及的口号;基于ARM架构开发的各种嵌入式税控POS不断推陈出新,具有无线功能的手持终端POS也已开始应用。随着我国网络纳税的兴起,过不了多久,嵌有功能更强大的并网纳税管理系统的税控POS产品将会发展起来。届时整个税控POS系统不再是单一的POS终端,而是一套网络化、系统化、智能化的税控POS设备。这类POS终端很可能先出现在一些高档的餐饮、娱乐等场所,然后逐步普及开来。因此,未来几年时间内,税控POS的发展应该是更多地向更高的信息化、网络化和智能化方向不断推进。

5  结束语

    目前,此方案已通过国家相关部门的严格测试和认证,并已实现量产。事实证明,基于ARM结构体系的嵌入式税控POS解决方案,优势是十分明显的,同时也是十分成功的。为此,要感谢ARM公司及其合作伙伴给我们提供了如此性能卓越的微控处理器;更令人振奋的是,ARM公司及其合作伙伴一直快速、稳健地推出适用于各种场合的ARM架构核与微控处理器。我们有理由相信ARM结构体系处理器在中国市场的普及和推广必将带动我国税控POS等电子产业的快速发展。

参考文献

1  ATMEL公司. AT91RM9200 Datasheet. Version B. 2003
2  HHTECH公司. HHARM9200R1 Manual. Version2.0. 2004
3  ARM公司. Products&Solutions. http://www.arm.com/. 2005

 

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