CN112562764A - 嵌入式系统掉电保护的电路与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种嵌入式系统掉电保护电路与方法，包括掉电检测单元实时监控嵌入式系统输入电源，并将输入电源电压与掉电电压阈值进行比较；处理器单元接收掉电检测单元的系统掉电状态信号；随机存取存储器作为操作系统或其他正在运行中的程序的临时数据存储介质；只读存储器用于存储固定程序或数据；系统辅助电源用于在电源进入掉电状态时，为处理器单元、随机存取存储器和只读存储器辅助供电。采用了本发明的嵌入式系统掉电保护的电路与方法，能够有效降低被操作的文件、文件系统根文件目录、系统注册表等重要数据在掉电过程被非预期写入及擦除的可能，提高了掉电情况下系统可靠性和稳定性。

Description

嵌入式系统掉电保护的电路与方法
技术领域
本发明涉及嵌入式系统领域，尤其涉及嵌入式系统掉电保护领域，具体是指一种嵌入式系统掉电保护的电路与方法。
背景技术
在嵌入式系统应用过程中，存在系统在运行过程中突然出现掉电情况。当掉电发生在操作系统正进行数据写入或擦除过程时，存在写入或擦除的数据内容、数据地址不稳定的情况，在此情况容易对操作系统文件数据产生不可逆的破坏。
发明内容
本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种满足稳定性、安全性、适用范围较为广泛的嵌入式系统掉电保护的电路与方法。
为了实现上述目的，本发明的嵌入式系统掉电保护的电路与方法如下：
该嵌入式系统掉电保护的电路，其主要特点是，所述的电路结构包括：
掉电检测单元，用于实时监控嵌入式系统输入电源，并将输入电源电压与掉电电压阈值进行比较；
处理器单元，与所述的掉电检测单元相连接，接收掉电检测单元的系统掉电状态信号；
随机存取存储器，与所述的处理器单元相连接，用于存储操作系统或其他正在运行中的程序的临时数据；
只读存储器，与所述的处理器单元相连接，用于存储固定程序或数据；
系统辅助电源，与所述的掉电检测单元、处理器单元、随机存取存储器和只读存储器相连接，用于在电源进入掉电状态时，为处理器单元、随机存取存储器和只读存储器辅助供电，以延长嵌入式电路结构最小核心单元的工作时间。
较佳地，所述的掉电检测单元包括：
电压比较单元，用于实时监控比较电路结构供电电压与电路结构掉电电压阈值的大小关系；
实时电压模数转换单元，与所述的处理器单元相连接，用于在采样周期内对电路结构供电电压进行实时电压采样，并根据采样电压对电路结构供电电压形为进行分析。
较佳地，所述的电压比较单元包括：
基准电压发生器，用于提供稳定的电压；
逻辑比较器，接收基准电压发生器的电压以及电路结构供电的实时电压；
滤波器，与所述的逻辑比较器相连接，用于得到比较电路稳定掉电有效信号；
所述的电路结构设置基准电压值为电路结构掉电电压阈值，在电路结构供电实时电压低于电路结构掉电电压阈值的情况下，逻辑比较器输出电压出反转，反转后的输出电压经过滤波器后得到比较电路掉电有效信号。
较佳地，所述的实时电压模数转换单元根据采样周期对电路结构实时电压进行采样，并将采样值与电路结构掉电电压阈值进行比较，如果采样电压值比电路结构掉电电压阈值大，则输出模数转换掉电无效信号；如果采样电压值比电路结构掉电电压阈值小，则表示电路结构可能进入掉电状态；
继续采样之后的N－1个电压样本，如果N－1个电压样本均小于电路结构掉电电压阈值，则输出模数转换掉电有效信号；如果继续采样的N－1个电压样本中有至少一个电压样本大于电路结构掉电电压阈值，则以时间上最近一个小于电路结构掉电电压阈值的电压样本点开始重新采样此后的N－1点，其中N大于等于2。
该基于上述电路结构实现针对嵌入式系统进行掉电保护处理的方法，其主要特点是，所述的方法包括以下步骤：
(1)设置掉电检测单元的掉电电压阈值，电压比较单元和电压模数转换单元的掉电电压阈值相同；
(2)掉电检测单元实时监控嵌入式电路结构电源，实时比较、计算采样电压与掉电电压阈值之间的关系，在两个单元同时输出有效的电路结构电压掉电状态信号；
(3)辅助电源供电，电路结构运行保护机制；
(4)不再增加新的数据读写操作任务，停止对只读存储器进行写入或擦除操作。
较佳地，所述的方法还包括实时电压模数转换单元在电源进入掉电状态下对电压采样过程的处理过程，具体包括以下步骤：
(2.1)采样当前样本点电压；
(2.2)判断当前采样点P0小于电路结构掉电电压阈值，如果是，则继续步骤(2.3)；否则，继续步骤(2.1)；
(2.3)判断下一采样点Pn是否小于电路结构掉电电压阈值，其中n大于等于1，如果是，则继续步骤(2.4)；否则，继续步骤(2.1)；
(2.4)判断是否完成N个连续电压采样，其中N大于等于2，如果是，则继续步骤(3)；否则，继续步骤(2.3)。
采用了本发明的嵌入式系统掉电保护的电路与方法，通过本发明能够有效降低被操作的文件、文件系统根文件目录、系统注册表等重要数据在掉电过程被非预期写入及擦除的可能，提高了掉电情况下系统可靠性和稳定性。
附图说明
图1为本发明的实现针对嵌入式系统进行掉电保护处理的方法的流程图。
图2为本发明的嵌入式系统掉电保护的电路的系统框图。
图3为本发明的嵌入式系统掉电保护的电路的电压比较单元的原理框图。
图4为本发明的系统实时电压与采样点关系示意图。
图5为本发明的系统实时电压采样流程示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。
本发明的嵌入式系统掉电保护的电路及方法，其中包括：
掉电检测单元，用于实时监控嵌入式系统输入电源，并将输入电源电压与掉电电压阈值进行比较；
处理器单元，与所述的掉电检测单元相连接，接收掉电检测单元的系统掉电状态信号；
随机存取存储器，与所述的处理器单元相连接，用于存储操作系统或其他正在运行中的程序的临时数据；
只读存储器，与所述的处理器单元相连接，用于存储固定程序或数据；
系统辅助电源，与所述的掉电检测单元、处理器单元、随机存取存储器和只读存储器相连接，用于在电源进入掉电状态时，为处理器单元、随机存取存储器和只读存储器辅助供电，以延长嵌入式电路结构最小核心单元的工作时间。
作为本发明的优选实施方式，所述的掉电检测单元包括：
电压比较单元，用于实时监控比较电路结构供电电压与电路结构掉电电压阈值的大小关系；
实时电压模数转换单元，与所述的处理器单元相连接，用于在采样周期内对电路结构供电电压进行实时电压采样，并根据采样电压对电路结构供电电压形为进行分析。
作为本发明的优选实施方式，所述的电压比较单元包括：
基准电压发生器，用于提供稳定的电压；
逻辑比较器，接收基准电压发生器的电压以及电路结构供电的实时电压；
滤波器，与所述的逻辑比较器相连接，用于得到比较电路稳定掉电有效信号；
所述的电路结构设置基准电压值为电路结构掉电电压阈值，在电路结构供电实时电压低于电路结构掉电电压阈值的情况下，逻辑比较器输出电压出反转，反转后的输出电压经过滤波器后得到比较电路掉电有效信号。
作为本发明的优选实施方式，所述的实时电压模数转换单元根据采样周期对电路结构实时电压进行采样，并将采样值与电路结构掉电电压阈值进行比较，如果采样电压值比电路结构掉电电压阈值大，则输出模数转换掉电无效信号；如果采样电压值比电路结构掉电电压阈值小，则表示电路结构可能进入掉电状态；
继续采样之后的N－1个电压样本，如果N－1个电压样本均小于电路结构掉电电压阈值，则输出模数转换掉电有效信号；如果继续采样的N－1个电压样本中有至少一个电压样本大于电路结构掉电电压阈值，则以时间上最近一个小于电路结构掉电电压阈值的电压样本点开始重新采样此后的N－1点，其中N大于等于2。
本发明的该基于上述电路结构实现针对嵌入式系统进行掉电保护处理的方法，其中包括以下步骤：
(1)设置掉电检测单元的掉电电压阈值，电压比较单元和电压模数转换单元的掉电电压阈值相同；
(2)掉电检测单元实时监控嵌入式电路结构电源，实时比较、计算采样电压与掉电电压阈值之间的关系，在两个单元同时输出有效的电路结构电压掉电状态信号；
(2.1)采样当前样本点电压；
(2.2)判断当前采样点P0小于电路结构掉电电压阈值，如果是，则继续步骤(2.3)；否则，继续步骤(2.1)；
(2.3)判断下一采样点Pn是否小于电路结构掉电电压阈值，其中n大于等于1，如果是，则继续步骤(2.4)；否则，继续步骤(2.1)；
(2.4)判断是否完成N个连续电压采样，其中N大于等于2，如果是，则继续步骤(3)；否则，继续步骤(2.3)；
(3)辅助电源供电，电路结构运行保护机制；
(4)不再增加新的数据读写操作任务，停止对只读存储器进行写入或擦除操作。
较佳地，所述的方法还包括实时电压模数转换单元在电源进入掉电状态下对电压采样过程的处理过程，具体包括以下步骤：
(2.1)采样当前样本点电压；
(2.2)判断当前采样点P0小于电路结构掉电电压阈值，如果是，则继续步骤(2.3)；否则，继续步骤(1-4)；
(2.3)判断下一采样点Pn是否小于电路结构掉电电压阈值，其中n大于等于1，如果是，则继续步骤(2.4)；否则，继续步骤(2.1)；
(2.4)判断是否完成N个连续电压采样，其中N大于等于2，如果是，则继续步骤(3)；否则，继续步骤(2.3)。
提出的嵌入式系统掉电保护电路与方法，能够有效避免嵌入式系统在应用过程中，出现突发系统掉电情况下，系统文件数据因掉电过程电源不稳定导致的数据损坏的情况。
如图1所示，本发明的一种嵌入式系统掉电电路与方法的流程图，包括：
步骤101，设置掉电检测单元的掉电电压阈值，通过硬件电路配置电压比较单元掉电电压阈值，通过程序设计配置电压模数转换单元掉电电压阈值，两个单元的掉电电压阈值相同。
步骤102，掉电检测单元实时监控嵌入式系统电源，系统电源被掉电检测单元采样后，实时比较、计算采样电压与掉电电压阈值之间的关系，当两个单元同时输出有效的系统电压掉电状态信号。
步骤103，系统辅助电源供电，系统运行保护机制，此过程中电源逐步损耗，系统辅助电源介入供电，操作系统关闭未必要的功能，进一步节省无必要单元能耗。
步骤104，操作系统不再增加新的数据读写操作任务，停止对只读存储器进行写入或擦除操作。
如图2所示，根据本发明的一个实施例的一种嵌入式系统掉电电路与方法的系统框图。根据本发明的一种嵌入式系统掉电电路与方法的掉电检测单元200，包括：电压比较单元201，用于实时监控比较系统供电实时电压与系统掉电电压阈值的大小关系；实时电压模数转换单元202，用于在采样周期内，对系统供电实时电压进行电压采样，根据采样电压对系统供电电压形为进行分析，在本实施例中，实时电压模数转换单元独立于处理器单元206；系统辅助电源203，用于电源进入掉电状态(或过程)时为处理器单元206及外围核心单元随机存取存储器204、只读存储器205进行辅助供电，以延长嵌入式系统最小核心单元的工作时间；处理器单元206，接收掉电检测单元200的系统电压掉电状态信号。
本发明结合图3至图5，对本发明的实施例的掉电检测电路及方法进行说明。
如图3所示，为电压比较单元201的原理框图，基准电压发生器提供基准电压的装置或电路，在系统电源跌落至处理器单元206的最小工作电压前，基准电压发生器能够提供稳定的电压。在实施例中，设置基准电压值为系统掉电电压阈值，当系统供电实时电压低于系统掉电电压阈值时，逻辑比较器输出电压出反转，反转后的输出电压经过滤波器后得到比较电路掉电有效信号。
如图4所示为实时电压模数转换单元202在电源进入掉电状态(或过程)时对电压采样过程的示意图。
模数转换单元根据采样周期对系统实时电压进行采样，并将采样值与与系统掉电电压阈值进行比较，当采样电压值比系统掉电电压阈值大时，则输出模数转换掉电无效信号；当采样电压值比系统掉电电压阈值小时，则表示系统可能进入掉电状态(或过程)。为防止误判进入掉电状态(或过程)，继续采样此后N－1(N≥1)个电压样本，当此后N－1个电压样本均小于系统掉电电压阈值时，输出模数转换掉电有效信号。当继续采样后N－1个电压样本中有至少一个电压样本大于系统掉电电压阈值时，则以时间上最近一个小于系统掉电电压阈值的电压样本点开始重新采样此后N－1点。
如图5所示为实时电压模数转换单元202在电源进入掉电状态(或过程)时对电压采样过程的示意图。
开始，进入步骤501；
步骤501，采样当前样本点电压，进入步骤502；
步骤502，判断当前采样点P0小于系统掉电电压阈值，若是，则进入步骤503，否则进入步骤501；
步骤503，判断下一采样点Pn(n≥1)小于系统掉电电压阈值，若是，则进入步骤504，否则进入步骤501；
步骤504，判断完成N(N≥2)个连续电压采样，若是，则进入步骤505，否则进入步骤503。
本发明的具体实施方式中，包括以下单元；
设置系统掉电电压阈值V0、系统供电实时电压V1、嵌入式系统最小工作电压为V2、嵌入式处理器单元U1、随机存取存储器M1、只读存储器M2、保护操作时间t1、掉电检测单元F0、电压比较单元F1、系统实时电压模数转换单元F2、系统辅助电源E1。
嵌入式系统最小工作电压V2为嵌入式系统满足最低正常工作的电压，系统供电实时电压V1不低于嵌入式系统最小工作电压V2。
设置系统掉电电压阈值V0，在电压比较单元F1中通过硬件电路进行设置，在系统实时电压模数转换单元F2中通过程序设置。
为实现上述目的，根据本发明的实施例，包括，
根据系统需要设置系统掉电电压阈值；
实时监控嵌入式系统供电电压；
嵌入式系统供电电压低于设置系统掉电电压阈值时，掉电检测单元F0通过电压比较单元F1，系统实时电压模数转换单元F2中的至少一种检测单元，判定嵌入式系统供电电压进入掉电状态(或过程)，并输出有效的系统电压掉电状态信号S0；
嵌入式处理器单元U1接收到有效的系统电压掉电状态信号S0时，执行系统保护机制；
执行系统保护机制操作包括但不限于关闭非必要的系统功能，如显示单元，操作系统不再增加新的数据读写操作任务，同时完成现有随机存取存储器M1中需要向只读存储器M2中进行读写的操作。
操作系统不涉及对只读存储器M2进行数据写入或擦除操作时，则正常运行直到系统掉电完成；
操作系统存在对只读存储器M2进行数据写入或擦除操作时，操作系统停止对只读存储器M2进行操作；
操作系统接收到的系统电压掉电状态信号S0变更为无效时，解除系统保护机制，操作系统正常对只读存储器M2进行数据写入或擦除操作。
根据本发明上述实施提供的电路与方法，还具有以下附加技术特征：
掉电检测单元F0至少包含电压比较单元F1、实时系统电压模数转换单元F2其中一种单元，即F0包含F1或F2，或同时包含F1与F2。
通过硬件电路配置，得到系统掉电电压阈值V0，电压比较单元F1实时比较系统掉电电压阈值V0与系统供电实时电压V1，系统供电实时电压V1低于系统掉电电压阈值V0时，电压比较单元F1输出比较电路掉电有效信号S1。电压比较单元F1在实时比较过程中，系统掉电电压阈值V0与系统供电实时电压V1接近时，滤除比较电路掉电有效信号S1不稳定的状态。在该技术方案中，通过对电压比较单元输出的比较电路掉电有效信号进行滤波处理，能够有效处理当系统供电实时电压与掉电电压阈值相近时，比较电路掉电有效信号不稳定情况，进而避免操作系统对信号的误操作。
通过程序设计，得到系统掉电电压阈值V0系统实时电压模数转换单元F2，系统实时电压模数转换单元F2，是将系统实时模拟电压转换为数字信号的模数转换单元，该单元是一种电路功能单元，不受存在物理位置限制，可以是独立功能电路，也可以是集成在嵌入式处理器单元U1中功能组件。
模数转换器采样周期为t0，采样点电压分别为p1，p2…pn(n≥3)，根据公式
Figure BDA0002835724690000081
Figure BDA0002835724690000082
(n≥3)计算两相邻采样电压点电压变化速度v1，v2…vn(n≥2)，
当采样点电压pn小于设置掉电电压阈值V0时，记录当前采样点后连续N(N≥2)点电压，后续所有N(N≥2)点电压均小于掉电电压阈值V0时，输出模数转换掉电有效信号S2，有效避免系统电压与掉电阈值电压相近时的不稳定状态。
当掉电检测单元F0包含电压比较单元F1时，比较电路掉电有效信号S1有效，系统电压掉电状态信号S0有效；
当掉电检测单元F0包含电压模数转换单元F2时，模数转换掉电有效信号S2有效，系统电压掉电状态信号S0有效；
当掉电检测单元F0同时包含电压比较单元F1、电压模数转换单元F2时，比较电路掉电有效信号S1、模数转换掉电有效信号S2任一信有效，系统电压掉电状态信号S0有效；
根据本发明上述实施提供的电路与方法，还具有以下附加技术特征：
保护操作时间t1指，在电源进入掉电状态(或过程)，系统供电实时电压由V1跌落至嵌入式系统最小工作电压为V2的时间。
系统辅助电源E1为嵌入式系统提供电源的装置，在保护操作时间t1内，能够使嵌入式系统完成系统保护机制。
采用了本发明的嵌入式系统掉电保护的电路与方法，通过本发明能够有效降低被操作的文件、文件系统根文件目录、系统注册表等重要数据在掉电过程被非预期写入及擦除的可能，提高了掉电情况下系统可靠性和稳定性。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (6)

1.一种嵌入式系统掉电保护的电路，其特征在于，所述的电路结构包括：
掉电检测单元，用于实时监控嵌入式系统输入电源，并将输入电源电压与掉电电压阈值进行比较；
处理器单元，与所述的掉电检测单元相连接，接收掉电检测单元的输入电源电压的系统掉电状态信号；
随机存取存储器，与所述的处理器单元相连接，用于存储操作系统或其他正在运行中的程序的临时数据；
只读存储器，与所述的处理器单元相连接，用于存储固定程序或数据；
系统辅助电源，与所述的掉电检测单元、处理器单元、随机存取存储器和只读存储器相连接，用于在电源进入掉电状态时，为处理器单元、随机存取存储器和只读存储器辅助供电，以延长嵌入式电路结构最小核心单元的工作时间。
2.根据权利要求1所述的嵌入式系统掉电保护的电路，其特征在于，所述的掉电检测单元包括：
电压比较单元，用于实时监控比较电路结构供电电压与电路结构掉电电压阈值的大小关系；
实时电压模数转换单元，与所述的处理器单元相连接，用于在采样周期内对电路结构供电电压进行实时电压采样，并根据采样电压对电路结构供电电压形为进行分析。
3.根据权利要求2所述的嵌入式系统掉电保护的电路，其特征在于，所述的电压比较单元包括：
基准电压发生器，用于提供稳定的电压；
逻辑比较器，接收基准电压发生器的电压以及电路结构供电的实时电压；
滤波器，与所述的逻辑比较器相连接，用于得到比较电路稳定掉电有效信号；
所述的电路结构设置基准电压值为电路结构掉电电压阈值，在电路结构供电实时电压低于电路结构掉电电压阈值的情况下，逻辑比较器输出电压出反转，反转后的输出电压经过滤波器后得到比较电路掉电有效信号。
4.根据权利要求2所述的嵌入式系统掉电保护的电路，其特征在于，所述的实时电压模数转换单元根据采样周期对电路结构实时电压进行采样，并将采样值与电路结构掉电电压阈值进行比较，如果采样电压值比电路结构掉电电压阈值大，则输出模数转换掉电无效信号；如果采样电压值比电路结构掉电电压阈值小，则表示电路结构可能进入掉电状态；
继续采样之后的N－1个电压样本，如果N－1个电压样本均小于电路结构掉电电压阈值，则输出模数转换掉电有效信号；如果继续采样的N－1个电压样本中有至少一个电压样本大于电路结构掉电电压阈值，则以时间上最近一个小于电路结构掉电电压阈值的电压样本点开始重新采样此后的N－1点，其中N大于等于2。
5.一种基于权利要求1所述的电路结构实现针对嵌入式系统进行掉电保护处理的方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：
(1)设置掉电检测单元的掉电电压阈值，电压比较单元和电压模数转换单元的掉电电压阈值相同；
(2)掉电检测单元实时监控嵌入式电路结构电源，实时比较、计算采样电压与掉电电压阈值之间的关系，在两个单元同时输出有效的电路结构电压掉电状态信号；
(3)辅助电源供电，电路结构运行保护机制；
(4)不再增加新的数据读写操作任务，停止对只读存储器进行写入或擦除操作。
6.根据权利要求5所述的实现针对嵌入式系统进行掉电保护处理的方法，其特征在于，所述的方法还包括实时电压模数转换单元在电源进入掉电状态下对电压采样过程的处理过程，具体包括以下步骤：
(2.1)采样当前样本点电压；
(2.2)判断当前采样点P0小于电路结构掉电电压阈值，如果是，则继续步骤(2.3)；否则，继续步骤(2.1)；
(2.3)判断下一采样点Pn是否小于电路结构掉电电压阈值，其中n大于等于1，如果是，则继续步骤(2.4)；否则，继续步骤(2.1)；
(2.4)判断是否完成N个连续电压采样，其中N大于等于2，如果是，则继续步骤(3)；否则，继续步骤(2.3)。
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