CN112306752B - 一种自动掉电重启电路及相应的物联网网关 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动掉电重启电路及相应的物联网网关。该电路包括第一处理单元、状态监测单元、掉电重启功能选择单元、延时上电控制单元、电源控制单元和滤波网络单元。该电路在系统软件运行异常时，通过控制状态监测单元向掉电重启功能选择单元发送低电平信号，使得掉电重启功能选择单元向延时上电控制单元输出低电平信号，以立即响应系统异常状态，进行掉电重启操作，不仅解决了系统出现异常时采用看门狗电路复位仍然无法正常运行的问题，还不会存在因掉电不充分导致系统运行异常的情况。并且，在系统软件升级无法及时喂狗时，可事先屏蔽看门狗电路功能，从而保证有充足的时间进行系统升级。

Description

一种自动掉电重启电路及相应的物联网网关

技术领域

本发明涉及一种自动掉电重启电路，同时也涉及包括该自动掉电重启电路的物联网网关。

背景技术

目前物联网网关大多具备看门狗电路，以实现设备异常时向CPU(中央处理器)发送复位信号，CPU的硬件复位引脚接收到复位信号后重启系统软件。

在铁路行业中，大多数场景下的物联网网关运行环境都比较恶劣，现场通信设备较多、电磁环境复杂，加之电网波动、振动、温湿度等因素影响，多变的环境可能导致物联网网关出现一些无法通过简单的复位而恢复正常的故障。另外，有些潜在的故障导致网关设备软件无法按时喂狗，硬件看门狗芯片虽然不停地复位CPU，但网关设备还是无法正常运行，此种情况往往维护人员到现场后短时间内也无法定位原因，而将网关设备重新上电后设备可能又恢复正常。发生这种故障的原因有很多，如因电磁干扰导致CPU外部器件的某个逻辑出现异常翻转，使得软件读取该逻辑信号时出现异常，CPU在处理该逻辑信号相关的任务时出现异常，导致“死机”。由于硬件看门狗芯片只能复位CPU，无法使CPU外部逻辑器件的逻辑状态恢复正常；当CPU重新运行后，软件处理该逻辑信号时又会出现异常，导致再次“死机”，只有通过掉电重启设备，使设备所有逻辑器件的状态回归初始状态，才能解决根本问题。

出现上述故障在实际中是无法预期的，对于运行在铁路无人职守的机房、监控站等边远地区的物联网网关，维护人员需及时赶赴现场，而又定位不出原因，仅仅是对设备进行重新上电启动的操作，严重的浪费人力资源，增加维护成本。同时由于铁路行业特点，很多机房地处偏远位置，出现上述故障时维护人员需要时间赶赴现场，这期间感知层所监控的关键设备数据将因网关故障而无法发送至云端、也无法保存在网关本地存储空间，造成被监控关键设备状态数据丢失，给用户的大数据积累及分析应用造成不可挽回的损失。并且，网关长期处于故障状态而连续复位，不仅对设备软件的可靠性是一个巨大的考验，同时由于网关故障，云端也无法对感知层的传感器实现远程控制，将会造成更大的损失。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种自动掉电重启电路。

本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种包括该自动掉电重启电路的物联网网关。

为了实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

根据本发明实施例的第一方面，提供一种自动掉电重启电路，包括供电单元、第一处理单元、状态监测单元、掉电重启功能选择单元、延时上电控制单元、电源控制单元和滤波网络单元；系统输入电源连接所述供电单元和所述电源控制单元，所述供电单元连接所述第一处理单元、所述状态监测单元、所述掉电重启功能选择单元、所述延时上电控制单元和所述电源控制单元，所述第一处理单元连接所述状态监测单元和所述掉电重启功能选择单元，所述状态监测单元连接所述掉电重启功能选择单元，所述掉电重启功能选择单元连接所述延时上电控制单元，所述延时上电控制单元连接所述电源控制单元，所述电源控制单元连接所述滤波网络单元；

若系统正常运行，所述第一处理单元向所述掉电重启功能选择单元输出高电平信号，启用掉电重启功能；当所述第一处理单元的软件运行异常或接收到物联网平台发送的断电重启指令时，所述第一处理单元因软件异常无法正常向所述状态监测单元发送喂狗信号或主动停止向所述状态监测单元发送喂狗信号，使得所述掉电重启功能选择单元向所述延时上电控制单元输出低电平信号，所述延时上电控制单元立即无延时的向所述电源控制单元输出低电平信号，控制所述电源控制单元立即变为开路状态，以切断系统输入电源向系统供电，实现断电功能；

断电后，所述掉电重启功能选择单元向所述延时上电控制单元输出高电平信号，经所述延时上电控制单元延时固定时长后向所述电源控制单元输出高电平信号，控制所述电源控制单元处于导通状态，将系统输入电源经所述滤波网络单元给系统供电，实现重启功能。

其中较优地，所述状态监测单元包括看门狗芯片、第一电阻和第一电容；所述看门狗芯片的看门狗信号输入引脚通过所述第一电阻连接所述第一处理单元，所述看门狗芯片的看门狗信号输出引脚连接所述掉电重启功能选择单元，所述看门狗芯片的电源引脚连接所述供电单元和所述第一电容的一端，所述第一电容的另一端和所述看门狗芯片的接地引脚与电源跌落电压监控输入端分别接地。

其中较优地，所述掉电重启功能选择单元包括三态门芯片、三极管、第二电阻、第三电阻、第四电阻和第二电容；所述三态门芯片的输出使能控制引脚连接所述三极管的集电极和所述第三电阻的一端，所述三极管的基极通过所述第二电阻连接所述第一处理单元，所述第三电阻的另一端连接所述供电单元、所述第二电容的一端、所述三态门芯片的电源引脚和所述第四电阻的一端，所述第四电阻的另一端连接所述三态门芯片的信号输出引脚，所述三态门芯片的信号输出引脚连接所述延时上电控制单元，所述三态门芯片的信号输入引脚连接所述看门狗芯片的看门狗信号输出引脚，所述三极管的发射极、所述第二电容的另一端和所述三态门芯片的接地引脚分别接地。

其中较优地，所述延时上电控制单元包括只具备上升沿延时的集成延时芯片、第五电阻、第六电阻、第七电阻和第三电容；所述集成延时芯片的输入引脚连接所述三态门芯片的信号输出引脚，所述集成延时芯片的输出引脚连接所述电源控制单元，所述集成延时芯片的延时设置引脚连接所述第五电阻的一端，所述集成延时芯片的可编程分压输入引脚连接所述第六电阻和所述第七电阻的一端，所述第六电阻的另一端连接所述集成延时芯片的电源引脚、所述第三电容的一端和所述供电单元，所述集成延时芯片的接地引脚、所述第五电阻、所述第七电阻、所述第三电容的另一端分别接地。

其中较优地，所述电源控制单元包括光电耦合器、第八电阻、第九电阻、第十电阻、PMOS晶体管和熔断器，所述光电耦合器中的光电二极管的阳极通过所述第八电阻连接所述供电单元，所述光电二极管的阴极连接所述集成延时芯片的输出引脚，所述光电耦合器中的光敏三极管的集电极通过所述第九电阻连接系统输入电源，所述光敏三极管的发射极连接所述PMOS晶体管的栅极和所述第十电阻的一端，所述第十电阻的另一端接地，所述PMOS晶体管的源极连接所述熔断器的一端，所述熔断器的另一端连接所述系统输入电源，所述PMOS晶体管的漏极连接所述滤波网络单元。

其中较优地，所述自动掉电重启电路还包括第二处理单元，所述第二处理单元一方面连接所述第一处理单元，另一方面通过相应的电阻对应连接所述看门狗芯片的信号输入引脚和所述三极管的基极。

根据本发明实施例的第二方面，提供一种物联网网关，包括电源模块、处理模块、通信接口模块、存储模块和由上述的自动掉电重启电路组成的自动掉电重启模块，所述自动掉电重启模块连接所述电源模块，所述电源模块连接所述处理模块、所述通信接口模块和所述存储模块，所述处理模块连接所述通信接口模块和所述存储模块。

其中较优地，所述通信接口模块包括有线通信接口单元和无线通信接口单元，所述有线通信接口单元和所述无线通信接口单元均连接所述处理模块；

所述有线通信接口单元包括多个有线通信接口，所述无线通信接口单元包括多个无线通信接口。

其中较优地，所述电源模块由多个DC-DC芯片级联组成。

本发明所提供的自动掉电重启电路及相应的物联网网关在系统软件运行异常时，通过控制状态监测单元向掉电重启功能选择单元发送低电平信号，使得掉电重启功能选择单元向延时上电控制单元输出低电平信号，延时上电控制单元立即向电源控制单元发送低电平信号，以便电源控制单元立即响应系统异常状态，立即断开系统输入电源向系统供电，实现掉电重启操作；系统掉电后，掉电重启功能选择单元因第四电阻的上拉作用，会立即向延时上电控制单元发送高电平信号，延时上电控制单元经过一定时间的延时后，再将该高电平信号发送给电源控制单元，控制电源控制单元处于导通状态，将系统输入电源通过滤波网络单元连接至物联网网关的电源模块。本发明不仅解决了系统出现异常时采用看门狗电路复位仍然无法正常运行的问题，还不会存在因掉电不充分导致系统运行异常的情况。并且，在系统软件升级，无法及时喂狗时，可通过掉电重启功能选择单元事先屏蔽看门狗电路功能，从而保证有充足的时间进行系统升级。

附图说明

图1为本发明所提供的自动掉电重启电路的结构示意图；

图2为本发明所提供的自动掉电重启电路中，状态监测单元的电路原理图1；

图3为本发明所提供的自动掉电重启电路中，掉电重启功能选择单元的电路原理图1；

图4为本发明所提供的自动掉电重启电路中，延时上电控制单元的电路原理图；

图5为本发明所提供的自动掉电重启电路中，电源控制单元的电路原理图；

图6为本发明所提供的自动掉电重启电路中，滤波网络单元的电路原理图；

图7为本发明所提供的自动掉电重启电路中，状态监测单元的电路原理图2；；

图8为本发明所提供的自动掉电重启电路中，掉电重启功能选择单元的电路原理图2；

图9为本发明所提供的物联网网关的系统结构示意图；

图10为本发明所提供的物联网网关中，电源模块的一个实施例图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术内容做进一步的详细说明。

针对设置有看门狗电路的物联网网关发生异常时，硬件看门狗芯片虽然不停地复位CPU，但网关设备还是无法正常运行，等待维护人员赶赴现场后短时间内又无法定位出原因，只能对设备进行重新上电启动的操作，这样不仅浪费人力资源，增加维护成本，而且在维护人员赶赴现场期间，还可能出现被监控关键设备状态数据丢失的问题。此外，网关长期处于故障状态而连续复位，影响设备软件的可靠性的同时也会导致云端无法对感知层的传感器实现远程控制。

为此，如图1所示，本发明一实施例提供了一种自动掉电重启电路，包括供电单元1、第一处理单元2、状态监测单元3、掉电重启功能选择单元4、延时上电控制单元5、电源控制单元6和滤波网络单元7；系统输入电源分别连接供电单元1和电源控制单元6，供电单元1分别连接第一处理单元2、状态监测单元3、掉电重启功能选择单元4、延时上电控制单元5和电源控制单元6，第一处理单元2连接状态监测单元3和掉电重启功能选择单元4，状态监测单元3连接掉电重启功能选择单元4，掉电重启功能选择单元4连接延时上电控制单元5，延时上电控制单元5连接电源控制单元6，电源控制单元6连接滤波网络单元7。

为保证系统能够正常启动，或者在远程升级时因无法及时喂狗而触发自动断电功能，第一处理单元2在上电启动到正常向状态监测单元3发送喂狗信号之前，或者接收到系统需要远程升级软件时，需先向掉电重启功能选择单元4输出低电平信号，以控制掉电重启功能选择单元4来关闭自动掉电重启功能，此时所述掉电重启功能选择单元4向延时上电控制单元5输出高电平信号，以延时固定时长后向电源控制单元6输出高电平信号，使得电源控制单元6处于导通状态，实现将系统输入电源经滤波网络单元7给系统供电。

第一处理单元2启动完成或远程升级软件成功，开始正常向状态监测单元3发送喂狗信号后，此时再向掉电重启功能选择单元4输出高电平信号，启用自动掉电重启功能，掉电重启功能选择单元4接收到状态监测单元3输出的高电平信号后，向延时上电控制单元5输出高电平信号，控制延时上电控制单元5向电源控制单元6输出高电平信号，使得电源控制单元6处于导通状态，实现将系统输入电源经滤波网络单元7给系统供电。

当第一处理单元2的软件运行异常软件运行异常或接收到物联网平台发送的断电重启指令时，第一处理单元2因软件异常无法正常向状态监测单元3发送喂狗信号或主动停止向状态监测单元3发送喂狗信号，使得掉电重启功能选择单元4向延时上电控制单元5输出低电平信号，延时上电控制单元5立即无延时的向电源控制单元6输出低电平信号，控制电源控制单元6立即变为开路状态，以切断系统输入电源向系统供电，实现断电功能。

断电后，掉电重启功能选择单元4向延时上电控制单元5输出高电平信号，经延时上电控制单元延时固定时长后向电源控制单元输出高电平信号，控制电源控制单元处于导通状态，将系统输入电源经滤波网络单元给系统供电，实现重启功能。

具体的说，供电单元1可以采用一片独立的电源芯片实现。通过该电源芯片将系统输入电源转换成+3.3V电压，用于给自动掉电重启电路的各个单元进行供电。

第一处理单元2共用物联网网关的CPU。通过CPU不仅实现在上电启动到正常向状态监测单元3发送喂狗信号之前，或者接收到系统需要远程升级软件时，向掉电重启功能选择单元4输出低电平信号，关闭自动掉电重启功能，还可以在物联网网关正常工作时，正常向状态监测单元3发送喂狗信号；并且在物联网网关的系统软件运行异常或CPU接收到物联网平台发送的断电指令时，CPU继续向掉电重启功能选择单元4输出高电平信号，同时停止向状态监测单元3发送喂狗信号。

状态监测单元3，用于在物联网网关正常工作的过程中，即第一处理单元2正常向状态监测单元3发送喂狗信号后，根据每隔固定时长是否接收到喂狗信号，控制向掉电重启功能选择单元4输出相应的高电平信号或低电平信号，从而使得掉电重启功能选择单元4、延时上电控制单元5、电源控制单元6和滤波网络单元7共同配合实现物联网网关正常供电的需求，或者对物联网网关进行断电重启的操作。

如图2所示，状态监测单元3包括看门狗芯片U1、第一电阻R1和第一电容C1；看门狗芯片U1的看门狗信号输入引脚WDI通过第一电阻R1连接第一处理单元2的CPU的第一输入/输出接口I/O1，看门狗芯片U1的看门狗信号输出引脚WDO连接掉电重启功能选择单元4，看门狗芯片U1的电源引脚VCC连接供电单元1和第一电容C1的一端，第一电容C1的另一端和看门狗芯片U1的接地引脚GND、看门狗芯片的电源跌落电压监控输入端PFI分别接地。

如图3所示，掉电重启功能选择单元4包括三态门芯片(三态单总线缓冲器门芯片)U2、三极管Q1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4和第二电容C2；三态门芯片U2的输出使能控制引脚OE连接三极管Q1的集电极和第三电阻R3的一端，三极管Q1的基极通过第二电阻R2连接第一处理单元2的CPU的第二输入/输出接口I/O2，第三电阻R3的另一端连接供电单元1、第二电容C2的一端、三态门芯片U2的电源引脚VCC和第四电阻R4的一端，第四电阻R4的另一端连接三态门芯片U2的信号输出引脚OUT，三态门芯片U2的信号输出引脚OUT连接延时上电控制单元5，三态门芯片U2的信号输入引脚IN连接看门狗芯片U1的看门狗信号输出引脚WDO，三极管Q1的发射极、第二电容C2的另一端和三态门芯片U2的接地引脚GND分别接地。

延时上电控制单元5，用于接收掉电重启功能选择单元4输出的高电平信号，以延时固定时长后向电源控制单元6输出高电平信号，使得电源控制单元6处于导通状态，实现将系统输入电源经滤波网络单元7给系统供电。或者，接收掉电重启功能选择单元4输出的低电平信号，立即无延时的向电源控制单元6输出低电平信号，使得电源控制单元6立即变为开路状态，以切断系数输入电源向系统供电，实现断电功能。

如图4所示，延时上电控制单元5包括集成延时芯片U3、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7和第三电容C3；集成延时芯片U3的输入引脚IN连接三态门芯片U2的信号输出引脚OUT，集成延时芯片U3的输出引脚OUT连接电源控制单元6，集成延时芯片U3的延时设置引脚SET连接第五电阻R5的一端，集成延时芯片U3的可编程分压输入引脚DIV连接第六电阻R6和第七电阻R7的一端，第六电阻R6的另一端连接集成延时芯片U3的电源引脚VCC、第三电容C3的一端和供电单元1，集成延时芯片U3的接地引脚GND、第五电阻R5、第七电阻R7、第三电容C3的另一端分别接地。

其中，集成延时芯片U3的延时时间Tdelay＝(NDIV*RSET)*1us/50KΩ，NDIV表示集成延时芯片U3的内部时钟分频系数，由第六电阻R6和第七电阻R7的阻值决定，RSET表示对集成延时芯片U3内部主振荡器频率进行编程的电阻，其阻值为第五电阻R5的阻值。

如图5所示，电源控制单元6包括光电耦合器U4、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、PMOS晶体管Q2和熔断器F1，光电耦合器U4中的光电二极管的阳极通过第八电阻R8连接供电单元1，光电二极管的阴极连接集成延时芯片U3的输出引脚OUT，光电耦合器U4中的光敏三极管的集电极通过第九电阻R9连接系统输入电源SYS_PWR_IN，光敏三极管的发射极连接PMOS晶体管Q2的栅极和第十电阻R10的一端，第十电阻R10的另一端接地，PMOS晶体管Q2的源极连接熔断器F1的一端，熔断器F1的另一端通过连接器J连接系统输入电源SYS_PWR_IN，PMOS晶体管Q2的漏极连接滤波网络单元7。

滤波网络单元7，用于滤去系统输入电源SYS_PWR_IN输出的电压中的干扰信号，实现为物联网网关提供可靠稳定的直流供电电压。如图6所示，滤波网络单元7由多个第四电容并联组成。具体的说，每个第四电容(如图6所示的电容C4～C12)的一端连接PMOS晶体管Q2的漏极和物联网网关的电源模块，每个第四电容的另一端接地。

下面以第一处理单元2采用CPU，状态监测单元3的看门狗芯片采用型号为PT7A7514WE的看门狗芯片，掉电重启功能选择单元4的三态门芯片采用型号为SN74VCIG125DBVR的三态门芯片，延时上电控制单元5的集成延时芯片采用型号为LTC6994IS6的集成延时芯片，电源控制单元6的光电耦合器采用型号为TLPS21-1的光电耦合器为例，结合图2～图6，对自动掉电重启电路的工作原理进行详细说明。

系统上电后到CPU正常启动并且可以正常给看门狗芯片发送喂狗信号前这个时间段，掉电重启功能选择单元4中三极管Q1的基极应为低电平，从而使三态门芯片U2的输出使能控制引脚OE置高，关闭自动掉电重启功能，以免出现系统在上电1.6S内未启动喂狗进程，自动掉电重启电路错误的将系统电源(物联网网关的供电电源)切断。此外，当CPU接收到系统需要远程升级软件时，需要保证系统一直保持在通电状态下，因此，也需要关掉自动掉电重启功能。具体的说，CPU上电后应首先通过CPU的第二输入/输出接口I/O2将低电平信号输出到三极管Q1的基极,使得三极管Q1处于截止状态，第三电阻R3为上拉电阻，三态门芯片U2的输出使能控制引脚OE在该上拉电阻的作用下为高电平，使得三态门芯片U2的信号输出引脚OUT为高阻态；第四电阻R4为上拉电阻，使得三态门芯片U2的信号输出引脚OUT在该上拉电阻的作用下，输出信号为高电平。当集成延时芯片U3的输入引脚IN接收到三态门芯片U2输出到的高电平信号时，该集成延时芯片U3的输出引脚OUT延时固定时长后向光电耦合器U4输出高电平信号，光电耦合器U4的光电二极管的阴极接收到该高电平信号后，因其无法发光，使得光电耦合器U4的光敏三极管处于截止状态，第十电阻R10为下拉电阻，通过该下拉电阻将PMOS晶体管Q2的栅极接地，使得PMOS晶体管Q2的栅极为低电平，此时PMOS晶体管Q2处于导通状态，实现将系统输入电源经熔断器F1、滤波网络单元7后给系统供电。

在本发明中，系统为物联网网关；系统输入电源为将物联网网关连接具有电压转换功能的直流电源适配器后，通过该直流电源适配器将市电转换为满足物联网网关电源需求的直流电压。例如，物联网网关所需的电源电压为直流12V，则可以通过直流电源适配器将市电转换为直流12V后提供给物联网网关的电源模块。

CPU正常启动后，随着系统程序的运行，CPU通过第一输入/输出接口I/O1向看门狗芯片U1发送喂狗信号后，CPU首先通过第二输入/输出接口I/O2将高电平信号输出到三极管Q1的基极,使得三极管Q1处于导通状态，由于三极管Q1的管压降很小，相当于将三态门芯片U2的输出使能控制引脚OE接地，即三态门芯片U2的输出使能控制引脚OE为低电平，使得三态门芯片U2的信号输出引脚OUT的状态随其信号输入引脚IN的状态变化而变化，即使能了自动掉电重启功能。此时，若系统运行正常，则看门狗芯片U1的信号输出引脚WDO将保持为高电平，三态门芯片U2的信号输入引脚IN接收到看门狗芯片U1输出的高电平信号后，三态门芯片U2的信号输出引脚OUT将向集成延时芯片U3的输入引脚IN输出高电平信号，使得集成延时芯片U3的输出引脚OUT无延时的向光电耦合器U4输出高电平信号，光电耦合器U4的光电二极管的阴极接收到该高电平信号后，因其无法发光，使得光电耦合器U4的光敏三极管处于截止状态，第十电阻R10为下拉电阻，通过该下拉电阻将PMOS晶体管Q2的栅极接地，使得PMOS晶体管Q2的栅极为低电平，此时PMOS晶体管Q2处于导通状态，实现将系统输入电源经熔断器F1、滤波网络单元7后给系统供电。

若系统软件运行出现异常(如CPU软件跑死)或CPU接收到物联网平台发送的断电指令时，CPU通过第二输入/输出接口I/O2继续将高电平信号输出到三极管Q1的基极，同时停止向看门狗芯片U1发送喂狗信号，看门狗芯片U1的信号输出引脚WDO将变为低电平，三态门芯片U2的信号输入引脚IN接收到看门狗芯片U1输出的低电平信号后，三态门芯片U2的信号输出引脚OUT将向集成延时芯片U3的输入引脚IN输出低电平信号；由于集成延时芯片U3只具备上升沿延时能力，不具备下降沿延时的能力，在集成延时芯片U3的输入引脚IN由高电平变为低电平时，集成延时芯片U3的输出引脚OUT立即由高电平变为低电平，立即响应系统的异常状态，以及时对系统进行断电重启，防止系统长期处于故障状态导致数据大量丢失；光电耦合器U4的光电二极管的阴极接收到集成延时芯片U3的输出引脚OUT输出的低电平信号后处于导通发光状态，使得光电耦合器U4的光敏三极管处于导通状态，使得PMOS晶体管Q2的栅极被第九电阻R9拉高，此时PMOS晶体管Q2处于截止状态，这样系统输入电源将无法为系统供电，从而实现断电功能。

系统断电后，由于CPU处于断电状态，三极管Q1的基极不再有高电平信号，三极管处于截止状态，三态门芯片U2的输出使能控制引脚OE在上拉电阻R3的作用下为高电平，此时三态门芯片U2的输出信号状态不受输入信号状态的影响，三态门芯片U2的信号输出引脚OUT在上拉电阻R4的作用下，输出信号为高电平。当集成延时芯片U3的输入引脚IN接收到三态门芯片U2输出的由低到高的上升沿信号时，该集成延时芯片U3的输出引脚OUT延时固定时长，保证系统充分断电后，向光电耦合器U4输出高电平信号，光电耦合器U4的光电二极管的阴极接收到该高电平信号后，使得光电耦合器U4的光敏三极管处于截止状态，使得PMOS晶体管Q2的栅极重新变为低电平，此时PMOS晶体管Q2恢复为导通状态，实现将系统输入电源经熔断器F1、滤波网络单元7后给系统供电，从而实现重启功能。

综上所述，自动掉电重启电路中的延时上电控制单元5选用仅具备上升沿延时能力的集成延时芯片，不仅能够在系统出现异常时及时响应系统异常进行自动断电处理，同时还能够保证系统充分断电以后再重新上电，既保证了对系统故障响应的实时性，同时也保证了系统充分断电后再上电，具有较高的上电重启可靠性。

当应用场景复杂，CPU任务繁重时，为了防止CPU使用率较高的情况下出现无法按时喂狗的情况，或者系统需要进行软件升级使得CPU无法按时喂狗时，可以在本发明所提供的自动掉电重启电路中额外设置第二处理单元。该第二处理单元可以采用单片机实现，该单片机与CPU之间通过相应的输入/输出接口连接，使得单片机可以接收CPU发送的各项指令和CPU状态指示信号。如图7所示，单片机MCU的第一输入/输出接口I/O1通过第十一电阻R11连接看门狗芯片U1的信号输入引脚WDI；如图8所示，单片机MCU的第二输入/输出接口I/O2通过第十二电阻R12连接三极管Q1的基极。

第二处理单元的设置使得第一处理单元2的应用更灵活。具体的说，当采用第二处理单元按时向看门狗芯片发送喂狗信号时，可以使用第一处理单元2或第二处理单元向三极管Q1输出高电平信号或低电平信号，使得该三极管Q1处于导通或截止状态；并且，第二处理单元可以根据接收第一处理单元2的心跳信号，判断系统软件是否跑死或者存在其它异常而需断电重启。

第二处理单元定时接收到第一处理单元2输出的指示其处于正常状态的心跳信号时，按时向看门狗芯片发送喂狗信号。若第二处理单元在超过指定时间仍未接收到第一处理单元2输出的心跳信号时，判断第一处理单元2出现异常，此时停止向看门狗芯片发送喂狗信号，进行断电重启操作。

第二处理单元接收到第一处理单元2输出的断电指令时，进行断电操作。当第一处理单元2接收到系统需要远程升级软件时，可以采用第二处理单元按时向看门狗芯片发送喂狗信号，保证系统不会断电，还可以通过第二处理单元进行断电重启操作。其中，第二处理单元实现断电重启操作的过程同第一处理单元2实现断电重启操作的过程，在此不再赘述。

当采用第一处理单元2按时向看门狗芯片发送喂狗信号时，同样可以使用第一处理单元2或第二处理单元向三极管Q1输出高电平信号或低电平信号，使得该三极管Q1处于导通或截止状态；若第一处理单元2因任务繁重无法继续按时喂狗时，可以向第二处理单元发送喂狗指令，由第二处理单元完成喂狗的任务；当第一处理单元2任务不忙，可以完成按时喂狗任务时，可以切换回第一处理单元2完成按时喂狗任务。

如图9所示，本发明实施例还提供一种物联网网关，包括由自动掉电重启电路组成的自动掉电重启模块8、电源模块9、处理模块10、通信接口模块11和存储模块12；自动掉电重启模块8连接电源模块9，电源模块9连接处理模块10、通信接口模块11和存储模块12，处理模块10连接通信接口模块11和存储模块12。

自动掉电重启模块8，通过自动掉电重启电路主要用于在系统出现异常时，进行自动断电重启操作。该自动掉电重启模块8还可以根据物联网网关实际需求进行断电、保证持续为系统供电等功能。该自动掉电重启电路的结构及工作原理同上，不再详述。

处理模块10，用于通过有线或无线通信接口接收感知层各个传感器发送的数据，进行数据处理；处理模块10还具有协议转换、边缘计算与云边协同等功能。该处理模块10主要包括CPU、内存芯片、存储芯片，CPU连接通信接口模块11、存储模块12、内存芯片和存储芯片。

通信接口模块11包括有线通信接口单元和无线通信接口单元；有线通信接口单元和无线通信接口单元均连接处理模块10。其中，有线通信接口单元包括千兆以太网口、RS422接口、RS485接口、Can总线接口、GPIO接口。有线通信接口单元各接口的数量和规格可依据应用场景灵活适配。所有有线通信接口均具备静电防护能力。RS485/RS422/CAN/GPIO接口均采用光耦或磁耦隔离器件进行信号隔离，采用隔离电源模块实现电源隔离，所有有线通信接口均具备浪涌防护能力。此外，RS485接口和RS4222接口具备对外提供直流5V供电能力。

无线通信接口单元包括物联网领域常用的Wi-Fi、Zig-Bee、NB-IoT、LoRa、4G及GPS/BD等通信接口。采用集成通信模组的方式实现，模组和天线均为可拆卸设计，可依据不同的应用场景需求灵活适配。

电源模块9由多个DC-DC(直流转直流)芯片级联组成。通过该电源模块9实现为处理模块10、通信接口模块11和存储模块12提供所需的直流供电电压。具体的说，电源模块9可以包括第一DC-DC芯片、第二DC-DC芯片、第三DC-DC芯片、第四DC-DC芯片、第五DC-DC芯片、第六DC-DC芯片和第七DC-DC芯片。以第一DC-DC芯片采用TI公司型号为TPS54361的DC-DC芯片，第二DC-DC芯片、第三DC-DC芯片、第四DC-DC芯片、第六DC-DC芯片和第七DC-DC芯片采用MPS系列的DC-DC芯片，第五DC-DC芯片采用金升阳科技公司型号为B0305S-1W的隔离DC-DC芯片为例，如图10所示，第一DC-DC芯片的输入端连接系统输入电源的输出端，第一DC-DC芯片的输出端连接第二DC-DC芯片、第三DC-DC芯片和第四DC-DC芯片的输入端，第二DC-DC芯片的输出端连接无线通信接口单元和第五DC-DC芯片的输入端，第五DC-DC芯片的输出端连接有线通信接口单元；第三DC-DC芯片的输出端连接第六DC-DC芯片、第七DC-DC芯片、存储模块12，第六DC-DC芯片与第七DC-DC芯片的输出端连接无线通信接口单元，第四DC-DC芯片的输出端连接处理模块10的输入端。

通过第一DC-DC芯片将系统输入电源输出的电压转换成9V直流电压，分别输出给第二DC-DC芯片、第三DC-DC芯片和第四DC-DC芯片，该第一DC-DC芯片使得物联网网关具有直流12-60V的宽压输入范围；第二DC-DC芯片将9V直流电压转换成3.3V直流电压，实现为无线通信接口单元供电，第二DC-DC芯片还向第五DC-DC芯片提供3.3V直流电压；第五DC-DC芯片将3.3V直流电压转换成5V直流电压，实现为有线通信接口单元供电，并且第五DC-DC芯片为隔离电源；第三DC-DC芯片将9V直流电压转换成5V直流电压，实现为存储模块12供电，第三DC-DC芯片还将5V直流电压分别输出给第六DC-DC芯片和第七DC-DC芯片，第六DC-DC芯片将5V直流电压转换成3.3V直流电源，实现为无线通信接口单元供电，第七DC-DC芯片将5V直流电压转换成3.8V直流电源，实现为无线通信接口单元供电；第四DC-DC芯片将9V直流电压转换成5V直流电压，实现为处理模块10供电。

存储模块12包括本地存储芯片及外部存储扩展接口，其中外部存储扩展接口包括USB2.0接口、USB3.0接口及TF Card接口、SATA硬盘接口等。灵活的扩展存储接口设计满足一般应用场景需求的同时，也能边缘计算场景下对设备本地数据存储能力的扩展要求。

此外，本发明所提供的自动掉电重启电路还可以应用于任何需要自动掉电重启场景下的电子设备中，在设备出现看门狗复位无法解决的异常时，无需维护人员现场操作，实现设备自动掉电重启功能。

本发明所提供的自动掉电重启电路及相应的物联网网关在系统软件运行异常时，通过控制状态监测单元向掉电重启功能选择单元发送低电平信号，使得掉电重启功能选择单元向延时上电控制单元输出低电平信号，延时上电控制单元立即向电源控制单元发送低电平信号，以便电源控制单元立即响应系统异常状态，立即断开系统输入电源向系统供电，实现掉电重启操作；系统掉电后，掉电重启功能选择单元因第四电阻的上拉作用，会立即向延时上电控制单元发送高电平信号，延时上电控制单元经过一定时间的延时后，再将该高电平信号发送给电源控制单元，控制电源控制单元处于导通状态，将系统输入电源通过滤波网络单元连接至物联网网关的电源模块。本发明不仅解决了系统出现异常时采用看门狗电路复位仍然无法正常运行的问题，还不会存在因掉电不充分导致系统运行异常的情况。并且，在系统软件升级，无法及时喂狗时，可通过掉电重启功能选择单元事先屏蔽看门狗电路功能，从而保证有充足的时间进行系统升级。

以上对本发明所提供的自动掉电重启电路及相应的物联网网关进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质内容的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将属于本发明专利权的保护范围。

Claims (9)

1.一种自动掉电重启电路，其特征在于包括供电单元、第一处理单元、状态监测单元、掉电重启功能选择单元、延时上电控制单元、电源控制单元和滤波网络单元；系统输入电源连接所述供电单元和所述电源控制单元，所述供电单元连接所述第一处理单元、所述状态监测单元、所述掉电重启功能选择单元、所述延时上电控制单元和所述电源控制单元，所述第一处理单元连接所述状态监测单元和所述掉电重启功能选择单元，所述状态监测单元连接所述掉电重启功能选择单元，所述掉电重启功能选择单元连接所述延时上电控制单元，所述延时上电控制单元连接所述电源控制单元，所述电源控制单元连接所述滤波网络单元；

若系统正常运行，所述第一处理单元向所述掉电重启功能选择单元输出高电平信号，启用掉电重启功能；当所述第一处理单元的软件运行异常或接收到物联网平台发送的断电重启指令时，所述第一处理单元因软件异常无法正常向所述状态监测单元发送喂狗信号或主动停止向所述状态监测单元发送喂狗信号，使得所述掉电重启功能选择单元向所述延时上电控制单元输出低电平信号，所述延时上电控制单元立即无延时的向所述电源控制单元输出低电平信号，控制所述电源控制单元立即变为开路状态，以切断系统输入电源向系统供电，实现断电功能；

断电后，所述掉电重启功能选择单元向所述延时上电控制单元输出高电平信号，经所述延时上电控制单元延时固定时长后向所述电源控制单元输出高电平信号，控制所述电源控制单元处于导通状态，将系统输入电源经所述滤波网络单元给系统供电，实现重启功能。

2.如权利要求1所述的自动掉电重启电路，其特征在于：

所述状态监测单元包括看门狗芯片、第一电阻和第一电容；所述看门狗芯片的看门狗信号输入引脚通过所述第一电阻连接所述第一处理单元，所述看门狗芯片的看门狗信号输出引脚连接掉电电压检测单元，所述看门狗芯片的电源引脚连接所述供电单元和所述第一电容的一端，所述第一电容的另一端和所述看门狗芯片的接地引脚与电源跌落电压监控输入端分别接地。

3.如权利要求2所述的自动掉电重启电路，其特征在于：

所述掉电重启功能选择单元包括三态门芯片、三极管、第二电阻、第三电阻、第四电阻和第二电容；所述三态门芯片的输出使能控制引脚连接所述三极管的集电极和所述第三电阻的一端，所述三极管的基极通过所述第二电阻连接所述第一处理单元，所述第三电阻的另一端连接所述供电单元、所述第二电容的一端、所述三态门芯片的电源引脚和所述第四电阻的一端，所述第四电阻的另一端连接所述三态门芯片的信号输出引脚，所述三态门芯片的信号输出引脚连接所述延时上电控制单元，所述三态门芯片的信号输入引脚连接所述看门狗芯片的看门狗信号输出引脚，所述三极管的发射极、所述第二电容的另一端和所述三态门芯片的接地引脚分别接地。

4.如权利要求3所述的自动掉电重启电路，其特征在于：

所述延时上电控制单元包括只具备上升沿延时的集成延时芯片、第五电阻、第六电阻、第七电阻和第三电容；所述集成延时芯片的输入引脚连接所述三态门芯片的信号输出引脚，所述集成延时芯片的输出引脚连接所述电源控制单元，所述集成延时芯片的延时设置引脚连接所述第五电阻的一端，所述集成延时芯片的可编程分压输入引脚连接所述第六电阻和所述第七电阻的一端，所述第六电阻的另一端连接所述集成延时芯片的电源引脚、所述第三电容的一端和所述供电单元，所述集成延时芯片的接地引脚、所述第五电阻、所述第七电阻、所述第三电容的另一端分别接地。

5.如权利要求4所述的自动掉电重启电路，其特征在于：

所述电源控制单元包括光电耦合器、第八电阻、第九电阻、第十电阻、PMOS晶体管和熔断器，所述光电耦合器中的光电二极管的阳极通过所述第八电阻连接所述供电单元，所述光电二极管的阴极连接所述集成延时芯片的输出引脚，所述光电耦合器中的光敏三极管的集电极通过所述第九电阻连接系统输入电源，所述光敏三极管的发射极连接所述PMOS晶体管的栅极和所述第十电阻的一端，所述第十电阻的另一端接地，所述PMOS晶体管的源极连接所述熔断器的一端，所述熔断器的另一端连接所述系统输入电源，所述PMOS晶体管的漏极连接所述滤波网络单元。

6.如权利要求3所述的自动掉电重启电路，其特征在于还包括第二处理单元，所述第二处理单元一方面连接所述第一处理单元，另一方面通过相应的电阻对应连接所述看门狗芯片的信号输入引脚和所述三极管的基极。

7.一种物联网网关，其特征在于包括电源模块、处理模块、通信接口模块、存储模块和由权利要求1～6所述的自动掉电重启电路组成的自动掉电重启模块，所述自动掉电重启模块连接所述电源模块，所述电源模块连接所述处理模块、所述通信接口模块和所述存储模块，所述处理模块连接所述通信接口模块和所述存储模块。

8.如权利要求7所述的物联网网关，其特征在于：

所述通信接口模块包括有线通信接口单元和无线通信接口单元，所述有线通信接口单元和所述无线通信接口单元均连接所述处理模块；

所述有线通信接口单元包括多个有线通信接口，所述无线通信接口单元包括多个无线通信接口。

9.如权利要求7所述的物联网网关，其特征在于：

所述电源模块由多个DC-DC芯片级联组成。