稅控收款機的可靠性研究

摘要：稅控收款機關系到國家的稅收，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、硬件組成及軟件結構，從硬件和軟件兩方面分析了設計過程中為提高系統的可靠性應注意的若干關鍵問題，指出了現有產品中存在的不足并提出了更加可行的解決方案。

關鍵詞：稅控收款機；嵌入式系統；硬件；軟件；可靠性設計

中圖分類號：TP311文獻標識碼：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備。其功能是在原有電子收款機上加上稅控功能，方便稅務局監管，主要面向現金流動比較大的第三產業，如商場、飯店、賓館、超市等場所。稅收是事關國計民生的一件大事，對于稅控設備而言，不僅要保證數據的正確生成，還要確保數據的可靠存儲及安全傳遞。稅控收款機的可靠性關系到國家的稅收安全，該設備一般都是連續不斷的工作，而且要面臨各種復雜的應用環境，因此如何設計生產可靠性高的產品就顯得十分重要。本文結合稅控收款機的實際開發過程，從硬件和軟件兩方面分析了設計過程中應該注意的若干關鍵問題，并提出了解決方案。

2 稅控收款機硬件的可靠性設計

目前，稅控收款機一般采用嵌入式系統結構，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整體而言是至關重要的。在設計生產時應盡量采用集成度高的器件，并選用較為穩定、成熟的工藝與電路方案，同時對電路的關鍵點采用過壓、過流等保護措施。下面對設計過程中的應考慮的部分關鍵問題進行闡述：

2.1 散熱設計

對于電子產品，工作溫度越高，器件越容易失效，出故障的幾率也就越大。雖然嵌入式系統功耗低、發熱量小，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，所以仍要考慮產品的合理散熱：

(1)選用低功耗的優質器件；

(2)合理布局，盡量分散發熱量大的元件；

(3)適當開設散熱孔，以利于熱量的散發。本系統在電源模塊旁設計了幾排散熱孔，進行通風散熱。

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

2.2 掉電保護

系統的突然掉電可導致重要數據的丟失，所以在設計時應考慮掉電保護功能。實現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，將收款機的工作狀態與關鍵數據進行保存。當供電恢復后，稅控收款機恢復原來的數據和掉電時的工作狀態，然后繼續工作；第二種是硬件保護：即外加一臺不間斷電源（UPS），當交流供電電源出現問題或突然停電，不間斷電源將自動接續供電。

上述兩種方法都有不足之處：對于軟件保護方式，大多數情況下可以完整的存儲數據，但若遇到反復頻繁的掉電，稅控收款機就可能因無法正確處理數據而出現錯誤；硬件保護方式雖然能保證數據的完整，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，需要人工結束工作并斷開電源。

本系統采用了更加智能的設計：將供電部分分成三個模塊：開關電源模塊、電源監測模塊以及后備電池模塊。開關電源模塊以及后備電池模塊通過監測模塊與主板相耦合，監測模塊負責監控交流供電以及后備電池的能量存儲狀況：如果監測模塊測得的電池電壓小于某一預設值，則自動對后備電池組進行充電；同時監測模塊還對交流供電狀況進行實時檢測。如果交流供電出現故障，則自動將電源切換到電池，并經過直流/交流轉換給系統供電，同時給處理器發送中斷信號，結束當前工作并對涉及的數據進行保存，然后關斷后備電池。這種設計使機器即使在遇到頻繁、重復掉電的情況下仍可保證數據安全，具有高效、無人為操作的優點。

2.3數據存儲器的安全保護

數據存儲器記錄了大量的發票數據，是稽查的重要憑證，因此在設計上應特別考慮安全保護：一方面要防止用戶私自更換元件和篡改數據，另一方面還要考慮當機器受到不可抗拒力損壞時，仍能將數據導出。

本系統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據存儲器專用印刷電路板

將數據存儲模塊與主板分離。電路板上設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。這種設計一方面兼顧了存儲介質的更換需求，保證介質不能被隨意更換，起到一定的鉛封作用，另一方面當設備損壞時可以方便的將數據寫到新的稅控設備中。

(2)使用特殊的鉛封結構

為防止用戶私自打開機殼，現在的稅控收款機都有鉛封。傳統的鉛封結構是在機器上下殼各開一個孔，將金屬杯嵌入孔內，然后將上下殼鎖起來，最后在金屬杯內打入鉛粒，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，可能導致鉛粒脫落或用力太大機殼報廢的問題。本系統為了克服上述缺點采用了不同的設計：在底板和頂板結合的邊緣上有設計一對對應的孔，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 時鐘設計

時鐘的準確性關系到系統的正常運轉。本系統的主板上備有高能鋰電池時鐘芯片，即使發生掉電情況，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境，可以選擇在靠近開關電源模塊的電源線上安裝濾波磁環。通過濾波磁環濾波以及CPU內置可編程處理器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計

稅控收款機的軟件一般采用分層的模塊化設計，一般分為三層：業務邏輯層、接口層和驅動層。業務邏輯層主要完成與稅控收款機相關的業務；接口層用于銜接業務層和驅動層，提供一些與硬件無關的接口函數；硬件層則包含了相關的驅動程序?？煽康能浖Χ惪厥湛顧C的穩定同樣也是至關重要的。

3.1 稅控數據的可靠存儲

為實現稅控數據的可靠存儲，在軟件方面本系統增加了對數據存儲器FLASH扇區的冗錯保護及ECC校驗，方法如下：

(1)創建FLASH扇區狀態映射表

在初始化FLASH時，首先檢查每個扇區狀態，若扇區無效則在扇區狀態映射表的對應位置填寫備份扇區號。另外，在每次對FLASH扇區進行寫操作時，先對數據進行備份，若寫操作出現異常，則在FLASH扇區狀態映射表中填寫備份扇區號，并在備份扇區中復制改寫的數據。

(2)FLASH數據扇區的映射和存儲

在讀扇區時，先根據狀態映射表查找扇區的映射扇區號，然后讀映射扇區的內容；在寫扇區時，先根據狀態映射表查找扇區的映射扇區號，根據映射扇區號讀出內容并進行備份，然后改寫備份數據的內容。隨后擦除該映射扇區內容。若該映射扇區失效，則更新FLASH扇區狀態映射表，映射到其它備份扇區，然后將數據寫入到該備份扇區中。

(3)FLASH扇區的冗錯

在寫FLASH數據扇區前，先進行ECC校驗，然后將數據和校驗碼分別寫入數據區和ECC校驗區；在讀扇區時，將數據和校驗碼一并讀出，若有錯誤則進行糾錯。

3.2 用戶權限分級管理

稅控收款機集商務、稅控、管理等功能于一體。為提高安全性，應對用戶權限進行分級管理。在設計中用戶進入相應模式都要輸入合法的密碼。本設計中密碼采用了8位數字與字母組合，密碼加密后存儲在FLASH中。設計中有三種具有不同操作權限的角色：系統管理員、收款員和稅務稽查員。系統管理員能執行除稽查任務外的所有功能：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的一些基本操作：錄入發票、開票、修改本用戶密碼等。稅務稽查員主要完成稽查任務：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據不丟失、無差錯，不僅需要硬件方面的設計，同樣也需要軟件的支持。在軟件方面，本系統采用了以下方法：

在錄入發票、開票、報稅、完稅等關鍵步驟前檢測電源是否有異常：如有掉電情況則停止當前工作，若電源正常則設置標志開始正常操作，工作完成后，清除標志；如果在工作中突然掉電，系統會設置一個未完標志，然后保存退出。當下次開機后會檢測到該標志，軟件將自動調用恢復機制并繼續完成剩余工作。

對于打印機在打印發票過程中掉電，系統將進行掉電續打操作：在打印前系統置“打印未完“標志，若在打印過程中突然掉電，掉電保護裝置會給處理器發送中斷信號，中斷處理程序將記錄當前的打印位置和狀態，如當前行字符點陣、打印針出針次數、當前打印針點陣信息和打印緩沖區字符信息等，然后將相關數據保存到外部的存儲器中?；謴凸╇娨院?，收款機上電檢測，如果檢測到”打印未完”標志，程序將讀取保存在外部存儲器中的打印參數和狀態，根據參數值控制打印機完成剩余的操作，然后將“打印未完”標志清除。

4 結束語

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

參考文獻：

[1] 杜春雷.ARM體系結構與編程[M].北京:北京清華大學出版社，2002.

[2] GB 18204 1-2003稅控收款機 第一部分：機器規范[S].

[3] 李敏，宋曰聰，陳燕平，等.金融稅控收款機信息安全策略[J].微計算機信息.2007，23(6-3):43-45.

[4] 涂杰，王新，盤細平.基于安全系統的稅控系統設計與實現[J].計算機應用與軟件2006，23(1):112-115.

[5] 劉娟.稅控收款機的信息安全[J].電腦與信息技術，2006，14(1):29-32，45.

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