摘  要： 以RISC架構的微控制器為核心，通過分析日常使用較多的零售POS機，結合帶糾錯機制的通信方式，設計POS收款機數據采集器。采用熱敏POS機和針式POS機對設計樣品進行了測試，結果表明,該設備采集的準確率符合要求，具有較好的應用前景。
關鍵詞： POS機；票據打印機；信號調理；數據存儲

    POS機最早用于零售業，但因其方便、快捷的特性，當今已用于生活的各方面。隨著POS機的大規模使用，對其通信信息的監控和管理也變得越發重要。通過使用POS機，用戶可以很方便地管理日常銷售、進出貨物等，但相關部門無法透明地對其進行監管。針對這一現象，本文以零售業的POS收款機為例，在不影響票據打印機正常工作的前提下，通過截取打印時的數據，實現了對其通信數據的監控。
1 系統總體方案設計
    POS主機與票據打印機的接口方式有并口、串口和USB，但目前應用較多的還是并口，因此本文主要研究的是并口方式。POS收款機的每一筆銷售及收款數據都會通過票據打印機打印成銷售小票，在POS主機與票據打印機之間加入數據采集裝置，每當打印票據時都會同時觸發采集器進行數據采集，并通過有線通信方式上傳至數據服務器。圖1為設計方案結構。

2 硬件設計
    本文設計的數據采集器由信號調理單元、通信單元、存儲單元、微控制器和供電單元五部分組成。硬件結構框圖如圖2所示。

    6N137有正邏輯和反邏輯兩種工作方式，本文使用的是正邏輯方式，如圖9所示，使用時需要注意以下幾點：

　　(1) 當6N137工作于正邏輯時，前端供電應獨立于系統電源。
　    (2)由6N137的內部結構可知，PIN2與PIN3之間為發光二極管，發光二極管正向壓降1.2 V~1.7 V，正向電流為6.5 mA~15 mA，光敏管導通。若不加限流電阻或阻值很小，6N137仍能工作，但發光二極管導通電流很大,對VCC1有較大沖擊，尤其是數字波形較抖時，上升、下降沿的頻譜很寬，會造成相當大的尖峰脈沖噪聲。因此在可能的情況下，限流電阻盡量取大[2]。
　    (3)VCC和GND引腳之間必須連接一個高頻特性很好的陶瓷電容或固體鉭電容CF(容值為0.1 ?滋F或者更大)，而且盡可能靠近VCC和GND引腳。此電容可以吸收電源線上的紋波，同時減小光電隔離器接收端開關工作時對電源的沖擊。
　    (4)輸出端（PIN6）是集電極開路輸出，通常加上拉電阻RL。此電阻若取的太小，會使6N137的耗電增大，加大對電源的沖擊，使旁路電容CF無法吸收[2]。
2.2 存儲單元
    每張票據包含的信息量大小不一，統計發現8 KB能包含絕大數消費者單次購物的信息量。ATmega128A片內集成有4 KB的SRAM，因此需要外部擴展。本文選用Cypress公司的CY62256，具有15 bit地址線和8 bit數據線，容量為32 KB。由于Atmega128A是高速單片機，建議在高速系統中使用74AHC系列地址鎖存器[3]。
　　為使數據掉電不丟失，使用RAMTRON公司的鐵電存儲器(FRAM)FM24C64，容量64 kbit，可承受一萬億次的擦寫操作，帶I2C接口[4]。本系統使用8片FM24C64，每片單獨存放一張小票的數據。
2.3 通信部分
    串行通信方式有EIA-232[5]、 RS-485D等。本文采用RS-485通信，考慮到系統的穩定性，本文分別在前端和后端加入了隔離電路，如圖10所示。
2.4 電源部分
    本文采用DC-DC電源轉化器件,與LDO器件相比，其轉換效率更高，熱耗散小。典型應用電路見參考文獻[6]，圖11為PIN2(Output)輸出波形。

    采用DC-DC隔離器使6N137前端供電獨立于系統電源，IB050LS-1W在使用時因注意以下幾點：
    (1)輸入和輸出端應該加入濾波電路，實驗發現在不加入濾波電路的情況下，關閉系統電源，會有自動出紙的現象發生。
    (2)推薦使用簡單的被動LC電路濾波，并且電感的自諧振頻率必須遠離于DC-DC模塊的典型工作頻率，電感的DC電流額定值最好大約兩倍于DC-DC模塊的額定輸出電流值[7]。
3 軟件設計
    主流程如圖12所示，在主循環中，用指令包標志位的0、1狀態來表示是否正確接收一個指令包，通過查詢其狀態來執行往后函數。為提高系統的穩定性，加入了指令防錯機制，若上位機發送的指令不符合本系統設定，則返回錯誤狀態數據包。

    采集的數據直接緩存在外擴的存儲器內，32 KB被均勻分成4塊區域，每塊區域單獨緩存一張小票的數據。并行接口在SPP模式下,速率是50 KB/s~150 KB/s[1]，傳輸一張信息量為8 KB的票據，最長也只需0.16 s。本文的設計思想：在每張票據第一次觸發外部中斷采集數據的同時打開定時器，如圖13所示，1 s后POS主機已將票據的信息傳送給票據打印機，緩存區域內也已存有這張票的數據，此時進入定時中斷服務函數完成數據的轉存。本文使用狀態機[6]思想完成數據的轉存，如圖14所示。輸入為0時進入狀態0，緩存塊0中的數據被轉存至第一片FM2C64內，指針指向緩存塊1，關定時器，中斷返回，其后狀態與之類似。
　    如圖15所示，在串口接收中斷服務函數內，將ATmega128A自帶的各種錯誤標志位作為第一層篩選條件，讀取緩存區的數據后將系統設定值作為第二層篩選條件。滿足以上條件表示數據接收正確，將指令包標志位置1，中斷返回。

    ATmega128A片內集成硬件看門狗，所以本系統并未加入外圍看門狗復位電路。本文采用的方式是，設置看門狗典型溢出時間為0.9 s，使用定時器每0.5 s進入中斷服務函數喂狗。
4 結果及分析
    分別采用針式打印機和熱敏打印機對本系統進行測試。往ATmega128A燒寫程序前應先配置好熔絲位，對熔絲位的誤操作會將芯片鎖死。
    表1為測試用的6種指令包，首先設定裝置所在的地址范圍，第1個指令包將設備的地址限定在了0X01~0X50內，起始字節0X24與結束字節0X2A分別為特殊字符S和*，第6個字節與第7個字節為前5個字節的CRC-16校驗字，返回相同的數據包表明配置成功；接著第2個指令包將設備的地址設為0X05，之后數據采集裝置就可開始工作；指令包3的含義是將設備的地址設定成0X57，然而先前設備的地址已經被限定在了0X01~0X50范圍內，指令有誤，應返回錯誤狀態數據包。程序中定義了一系列錯誤狀態標志位，以指示不同的錯誤狀態，防止誤操作。

    第4個指令包發送后，回傳第一張小票的數據，需注意返回的數據包中第7個字節起才是票據的數據，將其與打印出的小票進行核對，最后第2和第3個字節是對小票數據進行CRC-16的校驗字；與指令5對應的數據包表明存儲的第二張小票的數據被清除；而對應于指令6返回的數據包說明小票地址有誤。
    本文設計的POS收款機數據采集器解決了零售行業中票據信息無法監控的問題，對數據統計和管理具有實際意義。創新地加入了鐵電存儲器，數據信息頻繁擦寫的同時延長了設備的有效壽命。隨著POS機的發展和儀表的智能化、人性化，可以近一步完善產品功能，從通信方面考慮改用無線方式(如Wi-Fi)完成數據的傳送，減少線纜鋪設成本。
參考文獻
[1] 計算機的并行接口大全[EB/OL].(2010-03-09)[2013-09-24].http://www.elecfans.com/baike/computer/taishiji/20100309183757.html.
[2] 高速光耦6N137應用電路[EB/OL].(2011-03-21)[2013-09-24]. http://wenku.baidu.com/view/43b6857e5acfa1c7aa-00ccff.html.
[3] Atmel Corp..ATmega128A complete[EB/OL].(2011-02-xx)[2013-09-24].http//www.atmel.com/devices/ATMEGA128A.aspx?tab=documents.
[4] Cypress Incorporated. FM24C64B:64Kb Serial 5 V F-RAM  Memory[EB/OL].(2013-07-19)[2013-09-24].http://www.cypress.com/?rID=73453
[5] 韋曉茹，蔡志堅，居戩之.AVR單片機ATmega16與計算機串行通信的實現[J].微型機與應用，2012,31(14):30-33.
[6] Teax Instruments Corp..LM2596 simple switcher power con verter 150 kHz 3A step-down voltage regulator[EB/OL]. (2013-04-xx)[2013-09-24].http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm2596.
[7] Delus Corp..模塊電源產品選型手冊[EB/OL].(2009-xx-xx)[2013-09-24].http://www.delus.cn.