CN113341214B - 一种微处理器供电电压监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种微处理器供电电压监测系统，该系统由电源供电模块、供电电压检测微处理器和输出设备三部分依次连接组成，所述供电电压检测微处理器在微处理器芯片内部集成有电源供电电压检测和电源稳压功能，所述电源供电模块为供电电压检测微处理器进行稳压供电，通过所述供电电压检测微处理器对电源供电电压实时监测，再稳压输出至输出设备。本发明直接省去了现有系统中“电源稳压模块”和“电源电压监测模块”两大模块，将这些功能全部集成到微处理器芯片内部，在传统的系统上大大简化，通过该系统可以保证微处理器供电电压的稳定性，保证整个系统的稳定工作，并提高了监测的效率和速度，智能化和可靠性大大提高。

Description

一种微处理器供电电压监测系统

技术领域

本发明涉及微处理器供电电压监测技术领域，具体涉及一种微处理器供电电压监测系统。

背景技术

目前微处理器广泛应用于交通工具、家用电器、工业设备、便携式设备、通信设备、智能照明和城市亮化诸多等领域，在其中起着核心的控制作用，是里面名副其实的“大脑”。而微处理器的稳定供电是其能否稳定工作的前提和必要条件，对于整个设备和系统起着关键性的作用。因此为了保证设备的正常稳定的工作，必须充分重视微处理器的供电方式，对供电电压进行实时监测和分析处理，一旦发现问题，及时采取措施，进行相关的补救措施，并通知有关部门或人员及时进行处理。

通常设备在工作过程中的供电电压，经常会受到外界环境或突发事件的影响，出现电压的波动，甚至超出微处理器的电压工作范围，给微处理器的正常工作和安全带来严重的影响，甚至造成灾难性的后果。如果微处理器能够及早发现诸多不正常的征兆，及早发现供电电压的不正常情况，马上采取相关的措施，自动做出一些必要的保护动作和防范措施，并通过报警、通信、广播等形式通知有关部门或人员，那么肯定能够避免诸多事故和恶果的发生，甚至可以做到毫无发损地正常处理。

现在诸多产品或设备都有电池供电，很多是可充电的锂电池或蓄电池供电。在长期工作过程中，供电电池的电压会不断下降，当电压下降到一定电压时，电池就无法供电，或者电池电压太低严重影响微处理器的正常工作，此时较好的处理方法是停止供电、并停止微处理器的工作，或者立即通知相关部门或工作人员马上更换电池，或立即给电池进行充电，保证电池的工作电压在正常的范围内。

对智能化较高的微处理器而言，实时动态地监测芯片的供电电压完全是可以的，在监测过程中，可以提前预知工作电压是否即将进入临界和危险区域，提前预报进入非正常工作区，马上进行数据的处理、保存，并做一些保护动作，进行报警和预处理，可以保证系统进入平稳正常的工作状态，或关闭系统保护现场。

在一些恶劣环境下，微处理器供电电源或整个系统的电源都可能受到周围环境的影响甚至造成严重的破坏，比如遭受地震、撞击、雷击、炮击、宇宙射线等，只要微处理器能够较为准确地检测到电源电压的非正常波动情况，及时采取各种预防措施，那么一定可以把可能造成的损失降低到最小。

传统的处理方式，一般在供电系统本身，采用高可靠的电源模块进行稳压供电。一旦供电电压不正常，微处理器因为没有实时检测电源电压，一般不正常工作甚至停止工作，微处理器完全处于被动的工作环境下。虽然现在供电模块越来越先进，精度和可靠性不断提高，但是系统损坏或破坏的可能性仍然存在。当然部分系统，有供电电源的实时监测系统，如图1所示，由电源供电模块、电源稳压模块、电源电压监测模块、微处理器、输出设备组成，该系统可以动态监测供电电压，一旦出现问题便进行报警处理，但是该系统成本和复杂性较高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种微处理器供电电压监测系统，降低了系统的复杂性，减少了成本输出。

本发明的技术方案如下：

一种微处理器供电电压监测系统，该系统由电源供电模块、供电电压检测微处理器和输出设备三部分依次连接组成，所述供电电压检测微处理器在微处理器芯片内部集成有电源供电电压检测和电源稳压功能，所述电源供电模块为供电电压检测微处理器进行稳压供电，通过所述供电电压检测微处理器对电源供电电压实时监测，再稳压输出至输出设备。

进一步的，所述供电电压检测微处理器包括基准电压发生模块、参考电压发生模块、外部输入电压调理模块、ADC模数转换模块和微处理器核，所述基准电压发生模块具有第一外部电压输入端口和基准电压输出端口，所述参考电压发生模块具有第一基准电压输入端口、第一参考电压输出端口和第二参考电压输出端口，所述外部输入电压调理模块具有第二外部电压输入端口和信号电压输出端口，所述ADC模数转换模块具有信号电压输入端口、第二基准电压输入端口、第一参考电压输入端口和供电电压监测端口，所述微处理器核具有第二参考电压输入端口和输出驱动端口；

所述基准电压发生模块的第一外部电压输入端口、外部输入电压调理模块的第二外部电压输入端口分别与电源供电模块电性连接，所述基准电压发生模块的基准电压输出端口分别与参考电压发生模块、ADC模数转换模块的第一基准电压输入端口和第二基准电压输入端口电性连接，所述外部输入电压调理模块的信号电压输出端口与ADC模数转换模块的信号电压输入端口电性连接，所述参考电压发生模块的第一参考电压输出端口、第二参考电压输出端口分别与ADC模数转换模块的第一参考电压输入端口和微处理器核的第二参考电压输入端口电性连接，所述ADC模数转换模块的供电电压监测端口与微处理器核信号连接，所述微处理器核的输出驱动端口与输出设备电性连接。

进一步的，所述基准电压发生模块为参考电压发生模块和ADC模数转换模块提供一个稳定的基准电压1.1V。

进一步的，所述参考电压发生模块由运放电路、比较电路、参考电压输出电路依次连接组成。

进一步的，所述参考电压发生模块利用基准电压1.1V，会输出一个稳定的参考电压3.0V。

进一步的，所述ADC模数转换模块包括12位ADC模数转换电路和定时器，通过所述定时器设定时间进行电压的采样。

进一步的，所述定时器的定时时间为5～20ms。

进一步的，所述外部输入电压调理模块通过对电源供电模块的供电电压分压后输出至ADC模数转换模块。

进一步的，所述外部输入电压调理模块对电源供电模块的供电电压进行1/5或1/6的分压。

进一步的，所述电源供电模块的供电电压范围在3.0V～5.3V。

相对于现有技术，本发明的有益效果在于：本发明直接省去了现有系统中“电源稳压模块”和“电源电压监测模块”两大模块，将这些功能全部集成到微处理器芯片内部，在传统的系统上大大简化，通过该系统可以保证微处理器供电电压的稳定性，保证整个系统的稳定工作，并提高了监测的效率和速度，智能化和可靠性大大提高；一旦发现故障，微处理器能够立即进行相关的处理，保护好现场的同时，通过多种输出来应对各种复杂的异常情况，从而减少了可能造成的各种严重后果，包括微处理器损坏、输出设备的误动作给系统造成的破坏等。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有供电电源监测系统的系统框图；

图2为本发明提供的一种微处理器供电电压监测系统的系统框图；

图3为本发明所述供电电压检测微处理器的组成框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

实施例

请参阅图2，本发明实施例提供一种微处理器供电电压监测系统，该系统由电源供电模块、供电电压检测微处理器和输出设备三部分依次连接组成，供电电压检测微处理器在微处理器芯片内部集成有电源供电电压检测和电源稳压功能。工作流程：电源供电模块为供电电压检测微处理器进行稳压供电，通过供电电压检测微处理器对电源供电电压实时监测，再稳压输出至输出设备。

该系统直接省去了现有系统中“电源稳压模块”和“电源电压监测模块”两大模块，将这些功能全部集成到微处理器芯片内部，在传统的系统上大大简化，通过该系统可以保证微处理器供电电压的稳定性，保证整个系统的稳定工作，并提高了监测的效率和速度，智能化和可靠性大大提高。

具体的，如图3所示，所述供电电压检测微处理器包括基准电压发生模块、参考电压发生模块、外部输入电压调理模块、ADC模数转换模块和微处理器核，基准电压发生模块具有第一外部电压输入端口和基准电压输出端口，参考电压发生模块具有第一基准电压输入端口、第一参考电压输出端口和第二参考电压输出端口，该参考电压发生模块由运放电路、比较电路、参考电压输出电路依次连接组成，外部输入电压调理模块具有第二外部电压输入端口和信号电压输出端口，ADC模数转换模块具有信号电压输入端口、第二基准电压输入端口、第一参考电压输入端口和供电电压监测端口，该ADC模数转换模块包括12位ADC模数转换电路和定时器，通过定时器设定时间进行电压的采样，微处理器核具有第二参考电压输入端口和输出驱动端口。

其中，基准电压发生模块的第一外部电压输入端口、外部输入电压调理模块的第二外部电压输入端口分别与电源供电模块电性连接，基准电压发生模块的基准电压输出端口分别与参考电压发生模块、ADC模数转换模块的第一基准电压输入端口和第二基准电压输入端口电性连接，外部输入电压调理模块的信号电压输出端口与ADC模数转换模块的信号电压输入端口电性连接，参考电压发生模块的第一参考电压输出端口、第二参考电压输出端口分别与ADC模数转换模块的第一参考电压输入端口和微处理器核的第二参考电压输入端口电性连接，ADC模数转换模块的供电电压监测端口与微处理器核信号连接，微处理器核的输出驱动端口与输出设备电性连接。

通过在微处理器芯片上集成了一个基准电压发生模块，其可以为参考电压发生模块和ADC模数转换模块提供一个稳定的基准电压1.1V，可以在外部输入电压很低(1.8V)的条件下，保证输出的精度，基本不随外部输入电压的变化而影响。基准电压具有很好的温度特性，在一定的温度变化范围(-40℃～125℃)内，可以保证基准电压的输出精度，波动范围基本在+0.015V。

所述参考电压发生模块通过运放电路和比较电路，利用上述基准电压1.1V，输出一个相对稳定的参考电压3.0V，给到微处理器核和ADC模数转换模块进行供电。在一定的外部输入电压范围和外部环境温度条件下，保证微处理器核和ADC模数转换模块的供电电压VDD在3.0V+/-20mV的范围内稳定地工作，以保证输出的精度范围。

所述外部输入电压调理模块通过对电源供电模块的供电电压1/5或1/6分压后输出至ADC模数转换模块，以保证输入电压范围在ADC模数转换模块的工作范围之内。

利用以上的1.1V基准电压，12位ADC模数转换电路可以对微处理器芯片外部的供电电压进行实时监测，对于不同的外部输入电压，通过ADC数模转换后进行相关的软件处理并输出相关信号。

12位ADC模数转换电路的电压采样受微处理器核的控制，并通过定时器来进行电压的采样，定时时间为5～20ms。

对于一般的电源供电系统，尤其是对微处理器的供电，一般会出现的三种情况，可以有不同的处理方式：

1)供电电压输入降低，甚至供电不足，微处理器无法正常工作。这种情况目前最为普遍，尤其是目前市场上电池供电的产品和设备越来越多，欠压甚至停电造成的系统不正常甚至系统瘫痪非常普遍；

2)供电电压输入太高，这一般是由于外界突发事件引起的，如雷击、地震、毁坏等情况，造成的危害比较严重。除了损坏系统外，对微处理器本身也造成严重的伤害，甚至将微处理器芯片直接击穿烧坏；

3)系统输入电压不稳定，给微处理器芯片的供电电压忽高忽低，这一般会严重干扰微处理器的信号的准确性和稳定可靠性，甚至出现误判断，根据不同的系统应采用不同的防范措施

为了保证微处理器芯片稳定、可靠、安全地工作，首先必须保证供电电压VCC在安全输入电压范围内工作，一般芯片的安全电压工作范围为2.5V～5.5V，但是为了系统稳定和安全起见，电压范围优选在3.0V～5.3V较为合适。微处理器芯片可以实时检测VCC电压的范围，一旦即将临界或已经超出这个范围，微处理器就必须立即进行相关的处理。

下面实际分析处理原理和过程：

若内部设置的电压分压比为1/5，那么输入到ADC端的电压正常范围就是0.60～1.06V。VIN通过12位ADC后输出的数字量的值为D_ADC＝4095*VCC/1.1；

其数字量的范围，下限为DL＝4095*0.6/1.1＝2233；

上限为DH＝4095*1.06/1.1＝3946；

在程序中，将12位ADC得到的DADC值和DH、DL进行比较，就可以知道当前的电源供电电压输入范围是否正常了。

如果DADC>DH(即3946)，说明目前电源输入电压过高，可能有异常情况需要防范，一般要注意以下几点：

1)一般电源供电电压过高的可能性较小，偶然性较多，但是危害性很大，必须严加防范；

2)很多系统，本着“宁愿误报、绝不漏报”的原则，一旦发生情况，就要马上报警、保护现场、进入应急状态。但是未必需要有升级的动作，如关闭系统、停机停电等；

3)发生以上情况后，再次检测电源供电电压是否过高，如果连续测得2次以上，则一般可以确认故障存在，此时行动必须进一步升级，做出关闭系统、停机停电等动作。如果后续发现供电电压恢复正常，VADC恢复正常了，那么马上撤销报警并恢复现场。可以确认前面供电异常为干扰信号，可以忽略。

如果DADC<DL(即2233)，说明目前电源输入电压过低，可能是电源已经关闭，或者电池电压不足了，需要换电池或进行电池充电，或需要排查电源关闭的具体原因。这些情况较为常见，可以进行区别处理：

1)对于诸多交流或直流电源供电的系统，电源电压突然下降，一般也都是电源系统出现故障，甚至可能有突发破坏性时间发生，需要和以上情况一样处理；

2)对于电池供电的系统，一旦发现供电输入电压情况异常偏低，一般不需要马上进行应急报警处理，可以根据前几次的判断结果区别对待。如果前几次监测到电池电压已经很低，和DL(2233)值比较临界，那么马上确定电池电压已经不足，需要进行充电或换电池的操作。可以通过报警或通讯的方式提醒有关部门处理；

3)对于上面的电池供电系统，如果发现供电输入电压偏低，但是前面几次的检测电池电压都比较正常没有偏低，则可能是检测误判断或信号干扰。此时可以再测2～3次进行确认，如果测到的电压恢复正常，那么可以确认电池供电基本正常；否则如果监测到电池电压仍然偏低，就可以马上判断出电池的输入供电电压确实低了，需要马上进行应急处理。

如果DL<＝DADC<＝DH，说明外部供电基本正常，此时可以进行正常的数据处理工作。但是此时绝不可以掉以轻心，需要严加防范，不同的系统处理方式有所不同。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种微处理器供电电压监测系统，其特征在于：该系统由电源供电模块、供电电压检测微处理器和输出设备三部分依次连接组成，所述供电电压检测微处理器在微处理器芯片内部集成有电源供电电压检测和电源稳压功能，所述电源供电模块为供电电压检测微处理器进行稳压供电，通过所述供电电压检测微处理器对电源供电电压实时监测，再稳压输出至输出设备；

所述供电电压检测微处理器包括基准电压发生模块、参考电压发生模块、外部输入电压调理模块、ADC模数转换模块和微处理器核，所述基准电压发生模块具有第一外部电压输入端口和基准电压输出端口，所述参考电压发生模块具有第一基准电压输入端口、第一参考电压输出端口和第二参考电压输出端口，所述外部输入电压调理模块具有第二外部电压输入端口和信号电压输出端口，所述ADC模数转换模块具有信号电压输入端口、第二基准电压输入端口、第一参考电压输入端口和供电电压监测端口，所述微处理器核具有第二参考电压输入端口和输出驱动端口；

所述基准电压发生模块的第一外部电压输入端口、外部输入电压调理模块的第二外部电压输入端口分别与电源供电模块电性连接，所述基准电压发生模块的基准电压输出端口分别与参考电压发生模块、ADC模数转换模块的第一基准电压输入端口和第二基准电压输入端口电性连接，所述外部输入电压调理模块的信号电压输出端口与ADC模数转换模块的信号电压输入端口电性连接，所述参考电压发生模块的第一参考电压输出端口、第二参考电压输出端口分别与ADC模数转换模块的第一参考电压输入端口和微处理器核的第二参考电压输入端口电性连接，所述ADC模数转换模块的供电电压监测端口与微处理器核信号连接，所述微处理器核的输出驱动端口与输出设备电性连接；所述参考电压发生模块由运放电路、比较电路、参考电压输出电路依次连接组成；所述ADC模数转换模块包括12位ADC模数转换电路和定时器，通过所述定时器设定时间进行电压的采样；

所述基准电压发生模块为参考电压发生模块和ADC模数转换模块提供一个稳定的基准电压1.1V；所述参考电压发生模块利用基准电压1.1V，会输出一个稳定的参考电压3.0V，给到微处理器核和ADC模数转换模块进行供电；所述外部输入电压调理模块通过对电源供电模块的供电电压分压后输出至ADC模数转换模块；所述外部输入电压调理模块对电源供电模块的供电电压进行1/5或1/6的分压；根据内部设置的电压分压比计算得到安全电压输入到ADC模数转换模块的电压正常范围的数字量，将ADC模数转换模块转换后的当前实时检测的电源供电电压的数字量与电压正常范围的数字量进行对比，得知当前的电源供电电压输入范围是否正常。

2.根据权利要求1所述的一种微处理器供电电压监测系统，其特征在于：所述定时器的定时时间为5~20ms。

3.根据权利要求1所述的一种微处理器供电电压监测系统，其特征在于：所述电源供电模块的供电电压范围在3.0V~5.3V。