CN104850182A - 应用于嵌入式系统的电路结构和掉电保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及应用于嵌入式系统的电路结构和掉电保护方法，所述电路结构包括防反电路、系统主控电路和存储器，所述防反电路具有电源电压输入端和电压输出端，所述系统主控电路的电源端电连接所述电压输出端，所述存储器电连接所述系统主控电路；此外，所述电路结构还包括：掉电保护电路，电连接在所述防反电路的所述电压输出端和所述系统主控电路的所述电源端之间；以及法拉电容，电连接所述掉电保护电路并用于储存电能以在所述防反电路的所述电源电压输入端掉电后给所述系统主控电路的所述电源端供电以完成文件保存至所述存储器。因此，通过软硬件设计，本发明可以在紧急掉电时保护用户数据及系统文件不被损坏。

Description

应用于嵌入式系统的电路结构和掉电保护方法

技术领域

本发明涉及嵌入式系统技术领域，特别涉及一种应用于嵌入式系统的具有掉电保护功能的电路结构以及相应的掉电保护方法。

背景技术

嵌入式系统是计算机软件与硬件的综合体，它是以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁剪，从而能够适应实际应用中对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。Windows CE是微软公司嵌入式、移动计算平台的基础，它是一个开放的、可升级的32位嵌入式操作系统，是基于掌上型电脑类的电子设备操作系统。

现有使用Windows CE操作系统的嵌入式系统设备，均存在设备掉电后有一定概率出现操作系统文件损坏问题。此问题的产生是由于硬件设备在设计存储方式时使用NAND FLASH(闪存)作为存储芯片，软件方面是由于Windows CE操作系统架构设计上的自身缺陷。设备紧急断电时Windows CE操作系统未做保存处理工作，可能会产生误读/写信号误操作NAND FLASH而导致已保存的文件损坏或丢失，若损坏的区域为用户已保存的数据，则会对用户资料造成一定损害，若损坏的文件为Windows CE系统文件，则出现系统无法正常使用等情况。

如图1所示，原硬件设计方案中，与文件保存相关的电路部分从外部输入的5V电源电压通过防反电路后直接给系统主控电路供电，同时存储器工作。在5V输入电源电压紧急掉电的情况下，上述电路部分会同时直接断电，这样存储器就有可能出现不正常工作的情况，导致系统或用户文件丢失。

发明内容

因此，本发明提出一种应用于嵌入式系统的电路结构和掉电保护方法，以解决嵌入式系统设备使用中出现的设备掉电后系统和/或用户文件损坏的问题。

具体地，本发明实施例提供的一种应用于嵌入式系统的电路结构，包括防反电路、系统主控电路、存储器、掉电保护电路以及法拉电容；防反电路具有电源电压输入端和电压输出端，存储器电连接系统主控电路，掉电保护电路电连接在防反电路的电压输出端和系统主控电路的电源端之间，法拉电容电连接掉电保护电路并用于储存电能以在防反电路的电源电压输入端掉电后给系统主控电路的电源端供电以完成文件保存至存储器。

在本发明的一个实施例中，上述掉电保护电路包括：状态监测电路、状态通知电路和掉电维持电路；状态监测电路电连接至防反电路的电压输出端并用于监测上述电压输出端的输出电压以得到监测值；状态通知电路电连接状态监测电路和系统主控电路的中断端口，用于接收上述监测值以判断防反电路的电源电压输入端是否掉电并产生掉电状态通知输出给系统主控电路的中断端口；掉电维持电路电连接在状态监测电路和系统主控电路的电源端之间并电连接上述法拉电容，用于在电源电压输入端未掉电状态下对法拉电容充电并将防反电路的电压输出端的电压传递至系统主控电路的电源端、以及用于在电源电压输入端掉电状态下利用法拉电容储存的电能向系统主控电路的电源端供电。

在本发明的一个实施例中，上述状态监测电路为分压采样电路。

在本发明的一个实施例中，上述分压采样电路包括串接在上述电压输出端和接地电位之间的第一电阻和第二电阻，并且第一电阻和第二电阻之间的节点电压作为上述监测值。

在本发明的一个实施例中，上述状态通知电路包括单片机，且单片机利用通用目的输入/输出口接收上述监测值。

在本发明的一个实施例中，上述掉电维持电路包括：第一二极管、电阻和第二二极管；第一二极管的正极电连接上述状态监测电路，第一二极管的负极电连接系统主控电路的电源端，电阻电连接在第一二极管的负极和法拉电容之间，第二二极管的正极电连接法拉电容且第二二极管的负极电连接第一二极管的负极，从而电阻和第二二极管并联在第一二极管的负极和法拉电容之间。

此外，本发明实施例提供的一种应用于嵌入式系统的电路结构，包括系统主控电路、存储器、掉电保护电路和电容。其中，系统主控电路的电源端用于接收一电源电压，存储器电连接系统主控电路。掉电保护电路包括：串接在上述电源电压和接地电位之间的第一电阻和第二电阻、且第一电阻和第二电阻之间的节点作为监测值输出端；单片机，其一通用目的输入/输出(GPIO)口电连接监测值输出端、且其状态通知输出端电连接系统主控电路的中断端口；以及第一二极管、第三电阻和第二二极管，第一二极管的正极电连接上述电源电压、第一二极管的负极电连接系统主控电路的电源端，第三电阻和第二二极管并联在第一二极管的负极和上述电容之间并且第二二极管的正极电连接所述电容以及第二二极管的负极电连接第一二极管的负极。

在本发明的一个实施例中，上述电容为法拉电容。

另外，本发明实施例提供的一种应用于嵌入式系统的掉电保护方法，执行于系统主控电路，其中系统主控电路的电源端用于接收一电源电压，系统主控电路的电源端和所述电源电压之间设置有掉电保护电路、所述掉电保护电路挂接有电容、且掉电保护电路用于在所述电源电压处于掉电状态时产生掉电状态通知。所述掉电保护方法包括步骤：操作系统层接收所述掉电状态通知以触发中断；操作系统层在中断处理函数中判断掉电状态是否稳定，并在判断结果为“是”时通知应用软件层进行掉电处理；应用软件层保存应用软件层数据并关闭运行的应用软件层程序；应用软件层调用系统挂起(suspend)命令；操作系统层响应系统挂起命令使操作系统进入待关机状态，以在所述电容放电完成之前完成系统文件的保存。

由上可知，本发明实施例通过在硬件设计中增加掉电保护电路和电容，并且在软件设计中得知掉电状态后进行文件(数据)保存，两部分配合发挥作用；因此可以保护用户数据不被破坏，使用户文件的可靠性增加，以及可以保护系统文件不被损坏从而解决该问题所导致的系统无法正常启动等问题。

通过以下参考附图的详细说明，本发明的其它方面和特征变得明显。但是应当知道，该附图仅仅为解释的目的设计，而不是作为本发明的范围的限定，这是因为其应当参考附加的权利要求。还应当知道，除非另外指出，不必要依比例绘制附图，它们仅仅力图概念地说明此处描述的结构和流程。

附图说明

下面将结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细的说明。

图1为现有技术中与文件保存相关的电路部分的模块示意图。

图2A为本发明优选实施例的与文件保存相关的电路部分的模块示意图。

图2B为图2A所示状态监测电路的具体电路结构举例。

图2C为图2A所示掉电维持电路的具体电路结构举例。

图3为本发明优选实施例的实现掉电保护方法的掉电处理软件框图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

请参见图2A，本发明实施例提供的一种应用于嵌入式系统的电路结构具有紧急掉电保护功能，其包括：防反电路21、掉电保护电路23、法拉电容25、系统主控电路27以及存储器29。

其中，防反电路21具有电源电压输入端和电压输出端，所述电源电压输入端用于接收输入的电源电压V0(例如5V直流电压)，所示电压输出端用于输出电压V1。本实施例中，防反电路21例如是由单个二极管构成，也可以是由MOS管和电阻连接而成，或是其它各种现有的防反接保护电路。可以理解的是，防反电路21作为一种保护电路，其在某些特定需求下也可考虑省略掉。

掉电保护电路23电连接在防反电路21的电压输出端和系统主控电路27的电源端之间，其具体可包括：状态监测电路231、状态通知电路233和掉电维持电路235。其中，状态监测电路231电连接防反电路21的电压输出端且用于监测防反电路21的电压输出端的电压值V1作为监测值，状态监测电路231典型的是分压采样电路，例如图2B所示，分压采样电路包括电阻R1和电阻R2，电阻R1和R2串联在Vcc电压端和接地电位之间，且电阻R1和R2之间的节点电压(也即Vcc的分压值)作为监测值Vdet输出端；此处，Vcc电压端例如直接连接防反电路21的电压输出端，也即Vcc＝V1。状态通知电路233电连接在状态监测电路231的监测值Vdet输出端和系统主控电路27的中断端口之间，其例如包括单片机；在此，单片机可以利用一个通用目的输入/输出(GPIO，General Purpose Input/Output)口电连接状态监测电路231的监测值Vdet输出端，从而单片机可以根据接收到的监测值Vdet判断防反电路21的电源电压(V0)输入端是否掉电并在掉电时生成掉电状态通知以触发系统主控电路27产生系统级中断，而单片机与系统主控电路27的中断端口的连接端口则作为掉电状态通知输出端；可以理解的是，此处的单片机主要是用于根据监测值Vdet判断防反电路21的电源电压(V0)输入端是否掉电，因此单片机也可以替换成其它比较电路，通过监测值Vdet和预设的参考电压进行比较来产生掉电状态通知。掉电维持电路235的A端和B端分别电连接状态监测电路231和系统主控电路27的电源端，并且法拉电容25挂接至掉电维持电路235；在本实施例中，如图2C所示，掉电维持电路235例如包括二极管D1、D2以及电阻R3，二极管D1的正极(A端)例如电连接图2B所示的Vcc电压端，二极管D1的负极(B端)电连接系统主控电路27的电源端，电阻R3和二极管D2并联在法拉电容25和二极管D1的负极(B端)之间；更具体地，二极管D2的正极电连接法拉电容25且二极管D2的负极电连接二极管D1的负极(B端)。

法拉电容25属于双电层电容器，其用于储存电能并在掉电时给系统主控电路27的电源端供电；可以理解的是，法拉电容25也可以替换成具有足够电能储存能力的其它类型电容。

系统主控电路27作为嵌入式系统的主控部分，其典型地会安装有操作系统例如Windows CE操作系统。本实施例中，系统主控电路27例如包括微处理器(如ARM处理器等)、存储器读写电路以及其它外围电路。

存储器29电连接系统主控电路27，其例如是非易失性存储器，像闪存(如NAND FLASH)等等，在此不作具体限制。

比较图2A和图1可以发现，本发明上述实施例提供的具有掉电保护功能的电路结构增加了掉电保护电路23和法拉电容25，其中掉电保护电路包括状态监测电路231、状态通知电路233和掉电维持电路235；状态监测电路231可以监测防反电路21的电源电压(V0)输入端是否掉电并可及时给状态通知电路233发送掉电状态监测值，状态通知电路233在获取到掉电状态监测值后向系统主控电路27的中断端口发送掉电状态通知以触发系统级中断，使得系统能够在得知掉电状态后做后续处理工作；状态监测电路231后端的掉电维持电路235在正常电源电压V0输入时是不起作用的，仅作图2A中所示A端到B端的电源通道，但是在外部电源电压掉电后A端前端没有电压，掉电维持电路235发挥作用以通过挂接的法拉电容25放电维持B端及B端后续电路的电压，使系统可完成后续文件(数据)保存工作。此外，嵌入式系统在上电时会通过防反电路21、状态监测电路231和掉电维持电路235给法拉电容25充电，根据法拉电容25的容值不同充电时间不同，当法拉电容25充满后即可执行上述掉电保护功能。

请参见图3，本发明实施例实现掉电保护方法的软件适于执行在系统主控电路27中，其是在系统得知掉电状态后发挥作用。具体地，如图3所示，一方面，操作系统层初始化后等待中断并等待硬件掉电状态通知，之后通过状态通知电路233得知掉电状态后触发系统级中断并在中断处理函数中做状态稳定性判断，如果判断结果为状态稳定，也即确实为电源掉电引起的中断触发，则通知应用软件层进行后续掉电处理。另一方面，应用软件层会启动监测程序并等待系统通知，当获取进行掉电处理通知后会进行掉电处理工作，首先保存应用软件层数据(也即用户数据)，然后关闭正在运行的应用软件层程序，最后应用软件层调用系统挂起(suspend)命令。接下来，由操作系统层响应系统挂起命令以使系统进入待关机状态，在待关机状态下操作系统对系统文件进行保存，在系统文件保存完成后法拉电容25放电完成，整个系统掉电。这样，就可以实现对整个嵌入式系统的存储文件起到了保护作用。

综上所述，本发明实施例通过在硬件设计中增加掉电保护电路和电容，并且在软件设计中得知掉电状态后进行文件(数据)保存，两部分配合发挥作用；因此可以保护用户数据不被破坏，使用户文件的可靠性增加，以及可以保护系统文件不被损坏从而解决该问题所导致的系统无法正常启动等问题。

至此，本文中应用了具体个例对本发明的应用于嵌入式系统的电路结构和掉电保护方法的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，本发明的保护范围应以所附的权利要求为准。

Claims (9)

1.一种应用于嵌入式系统的电路结构，包括防反电路、系统主控电路和存储器，所述防反电路具有电源电压输入端和电压输出端，所述系统主控电路的电源端电连接所述电压输出端，所述存储器电连接所述系统主控电路；其特征在于，还包括：

掉电保护电路，电连接在所述防反电路的所述电压输出端和所述系统主控电路的所述电源端之间；以及

法拉电容，电连接所述掉电保护电路并用于储存电能以在所述防反电路的所述电源电压输入端掉电后给所述系统主控电路的所述电源端供电以完成文件保存至所述存储器。

2.如权利要求1所述的应用于嵌入式系统的电路结构，其特征在于，所述掉电保护电路包括：

状态监测电路，电连接至所述防反电路的所述电压输出端并用于监测所述电压输出端的输出电压以得到监测值；

状态通知电路，电连接所述状态监测电路和所述系统主控电路的中断端口，用于接收所述监测值以判断所述防反电路的所述电源电压输入端是否掉电并产生掉电状态通知输出给所述系统主控电路的所述中断端口；以及

掉电维持电路，电连接在所述状态监测电路和所述系统主控电路的所述电源端之间并且电连接所述法拉电容，用于在所述电源电压输入端未掉电状态下对所述法拉电容充电并将所述防反电路的所述电压输出端的电压传递至所述系统主控电路的所述电源端、以及用于在所述电源电压输入端掉电状态下利用所述法拉电容储存的电能向所述系统主控电路的所述电源端供电。

3.如权利要求2所述的应用于嵌入式系统的电路结构，其特征在于，所述状态监测电路为分压采样电路。

4.如权利要求3所述的应用于嵌入式系统的电路结构，其特征在于，所述分压采样电路包括串接在所述电压输出端和接地电位之间的第一电阻和第二电阻，并且所述第一电阻和所述第二电阻之间的节点电压作为所述监测值。

5.如权利要求2所述的应用于嵌入式系统的电路结构，其特征在于，所述状态通知电路包括单片机，并且所述单片机利用通用目的输入/输出口接收所述监测值。

6.如权利要求2所述的应用于嵌入式系统的电路结构，其特征在于，所述掉电维持电路包括：第一二极管、电阻和第二二极管；所述第一二极管的正极电连接所述状态监测电路，所述第一二极管的负极电连接所述系统主控电路的所述电源端；所述电阻电连接在所述第一二极管的负极和所述法拉电容之间，所述第二二极管的正极电连接所述法拉电容且所述第二二极管的负极电连接所述第一二极管的负极，从而所述电阻和所述第二二极管并联在所述第一二极管的负极和所述法拉电容之间。

7.一种应用于嵌入式系统的电路结构，包括系统主控电路和存储器，所述系统主控电路的电源端用于接收一电源电压，所述存储器电连接所述系统主控电路；其特征在于，还包括掉电保护电路和电容；所述掉电保护电路包括：

串接在所述电源电压和接地电位之间的第一电阻和第二电阻、且所述第一电阻和所述第二电阻之间的节点作为监测值输出端；

单片机，所述单片机的通用目的输入/输出口电连接所述监测值输出端、且所述单片机的状态通知输出端电连接所述系统主控电路的中断端口；以及

第一二极管、第三电阻和第二二极管，所述第一二极管的正极电连接所述电源电压、所述第一二极管的负极电连接所述系统主控电路的所述电源端，所述第三电阻和所述第二二极管并联在所述第一二极管的负极和所述电容之间并且所述第二二极管的正极电连接所述电容以及所述第二二极管的负极电连接所述第一二极管的负极。

8.如权利要求7所述的应用于嵌入式系统的电路结构，其特征在于，所述电容为法拉电容。

9.一种应用于嵌入式系统的掉电保护方法，执行于系统主控电路，其中所述系统主控电路的电源端用于接收一电源电压；其特征在于，所述系统主控电路的电源端和所述电源电压之间设置有掉电保护电路、所述掉电保护电路挂接有电容、且所述掉电保护电路用于在所述电源电压处于掉电状态时产生掉电状态通知；所述掉电保护方法依序包括步骤：

操作系统层接收所述掉电状态通知以触发中断；

操作系统层在中断处理函数中判断掉电状态是否稳定，并在判断结果为“是”时通知应用软件层进行掉电处理；

应用软件层保存应用软件层数据并关闭运行的应用软件层程序；

应用软件层调用系统挂起命令；以及

操作系统层响应系统挂起命令使操作系统进入待关机状态，以在所述电容放电完成之前完成系统文件的保存。