CN115598406A - 一种基于状态机的低功耗电压监测方法及系统 - Google Patents

一种基于状态机的低功耗电压监测方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明适用于涉及集成电路逻辑设计领域，提供一种基于状态机的低功耗电压监测方法及系统。本发明在现有电压监测方式的基础上增加了状态机控制电路、模式控制电路和MUX电路等。状态机控制电路可以在CPU不工作的条件下配置和使能ADC电路，读取ADC电路的监测电压值并判断是否为正常工作电压。模式控制电路通过电源控制接口和时钟控制接口使系统工作在不同的模式。在通常模式下，CPU可通过保留接口控制ADC电路监测电压；在休眠模式、低功耗模式和极低功耗模式下，可通过状态机控制电路监测电压。本发明解决了现有方式监测电压需要CPU参与造成的功耗问题，可根据不同的应用场景，选择系统的工作模式，实现低功耗监测电压。

Description

一种基于状态机的低功耗电压监测方法及系统
技术领域
本发明属于涉及集成电路逻辑设计领域，尤其涉及一种基于状态机的低功耗电压监测方法及系统。
背景技术
现在MCU（Micro Controller Unit，微控制器）的应用场景越来越丰富，很多应用产品都使用干电池和锂电池进行供电。为保证系统工作在正常电压下，需要进行电压监测设计，例如智能水表、智能门禁装置中需要保证系统一直处于正常的电压工作状态，否则会导致系统工作停止；同时为了保证系统可以长时间的工作，增加电池的使用时间，需要进行低功耗设计。
目前的电压监测系统一般都是基于ADC（Analog to Digital Converter，模拟/数字转换器）模块实现的，具体实现方式主要有以下两种：
（1）CPU（Central Processing Unit，中央处理器）通过总线配置ADC的工作模式，包括转换模式、转换通道等，使能ADC模块开始转换，在转换完成后产生中断，然后CPU在中断函数中读取转换结果并判断是否为正常电压。若为正常工作电压，则结束中断函数；若低于正常工作电压，则控制外设生成警报，提醒用户检查电池状态。
（2）CPU通过总线配置ADC的工作模式，包括转换模式、转换通道等，使能ADC模块开始转换，在转换完成后产生DMA请求，使用DMA将转换结果搬到SRAM中，在DMA的中断函数中读取SRAM存放的转换结果并判断是否为正常电压。若为正常工作电压，则结束中断函数；若低于正常工作电压，则控制外设生成警报，提醒用户检查电池状态。
对于上述实现方式（1），CPU控制ADC模块的工作状态，并在中断函数中读取转换结果。其局限在于：在获取监测电压过程中，CPU一直处于运行状态，配置ADC的寄存器，读取ADC的转换结果，而且此时系统总线、ADC模块等也处于工作状态，会产生一定的动态功耗。
对于上述实现方式（2），CPU配置ADC和DMA模块搬运转换结果到SRAM中，在DMA的中断函数中读取ADC的转换结果。ADC在转换过程中处于工作状态，生成DMA请求后，DMA模块通过总线搬运数据，并通过CPU进行判断，方式（2）相比于方式（1）可以减少CPU的处理频率，降低动态功耗。其局限在于：CPU模块需要进行DMA中断函数的处理，并判断监测结果；而且在搬运数据过程中总线和DMA等模块也处于工作状态，这些工作状态都会产生一定的动态功耗。
而实际场合中，CPU需要获取具体的电压值时，可通过上述两种方式实现；但在一些工作场景中，CPU不需要获取具体的电压值，只需保证满足系统工作电压要求即可。因此有必要对现有电压监测系统的功耗设计方案进一步优化。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种基于状态机的低功耗电压监测方法及系统，旨在解决现有电压监测系统的功耗相对较高的技术问题。
本发明采用如下技术方案：
一方面，所述基于状态机的低功耗电压监测方法，包括下述步骤：
进入初始状态S0，当接收到监测电压启动信号时，进入状态S1；
在状态S1下，输出ADC时钟使能请求信号，若接收到回复信号，进入状态S2；
在状态S2下，输出MUX电路使能信号，然后输出的总线信号至ADC控制接口，并配置ADC电路的状态，使能ADC电路后进入状态S3；
在状态S3下，输出读取ADC监测电压命令，ADC电路开始数据采集，进入状态S4；
在状态S4下，等待监测电压读出结果，若读出结果的有效信号有效，则保存读出结果，同时进入状态S5；
在状态S5下，将保存的监测电压的读出结果与阈值电压比较，若小于阈值电压，则表示电源电量不足，进入状态S6，否则进入状态S7；
在状态S6下，输出电压不足的警告中断，并进入状态S7；
在状态S7下，输出ADC时钟关闭请求信号，若收到回复信号，则进入状态S8；
状态S8为结束状态，释放MUX电路使能信号，选择保留接口信号，并进入初始状态S0。
进一步的，在状态S0下，ADC电路的时钟处于关断状态。
进一步的，所述阈值电压通过总线结构配置。
另一方面，所述低功耗电压监测系统，包括ADC电路，还包括模式控制电路、状态机控制电路、MUX电路、ADC控制接口以及总线接口和保留接口，所述MUX电路的两个输入口分别对应连接至状态机控制电路和保留接口，所述UX电路的输出口通过ADC控制接口连接至ADC电路，所述模式控制电路与状态机控制电路连接，同时模式控制电路还与电源控制接口以及时钟控制接口连接，所述模式控制电路具有通常模式、睡眠模式、低功耗模式以及极低功耗模式四个工作模式，根据实际应用场景选择系统的工作模式，其中所述状态机控制电路工作在睡眠模式、低功耗模式以及极低功耗模式下，且按照所述低功耗电压监测方法执行状态机控制。
进一步的，在通常模式下，CPU运行，MUX电路选通保留接口，以控制ADC控制监测电压。
进一步的，在睡眠模式下，CPU停止运行，MUX电路选通状态机控制电路，CPU时钟关断，通过执行睡眠指令进入睡眠模式；在睡眠模式下，若接收到外设中断请求，则将系统唤醒至通常模式，此时模式控制电路使能CPU时钟以使CPU运行。
进一步的，在低功耗模式，CPU停止运行，高速时钟停止运行，通过设置模式控制电路的寄存器并执行睡眠指令进入低功耗模式，模式控制电路关断CPU时钟与高速时钟及高功耗外设，保留部分低功耗模块运行，只有一些低功耗的周边模块运行；在低功耗模式下，若接收到外设中断请求，则将系统唤醒至通常模式，此时模式控制电路使能CPU时钟以使CPU运行。
进一步的，在极低功耗模式下，CPU断电，高速时钟停止运行，通过设置模式控制电路的寄存器并执行睡眠指令进入极低功耗模式；在极低功耗模式下，若接收到外设中断请求，则将系统唤醒至通常模式，此时模式控制电路控制CPU恢复上电，然后使能CPU时钟以使CPU运行。
本发明的有益效果是： 本发明提供的低功耗电压监测方法及系统，通过模式控制电路可以实现系统处于合适的工作状态，在通常模式下，CPU可通过保留接口控制ADC电路监测电压；在休眠模式、低功耗模式和极低功耗模式下，可通过状态机控制电路监测电压；本发明的实现方式解决了现有方式监测电压需要CPU参与造成的功耗问题，可根据不同的应用场景，选择系统的工作模式，实现低功耗监测电压这一需求。
附图说明
图1是本发明实施例提供的低功耗电压监测系统的结构图；
图2是本发明实施例提供的一种基于状态机的低功耗电压监测方法流程图；
图3是本发明实施例提供的模式控制电路控制的工作模式转换图。
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。
在一些使用干电池和锂电池进行供电的MCU应用产品中，需要进行电压监测设计以保证系统处于正常的工作电压状态。此外，还需要进行低功耗设计以增加电池的使用时间。本发明提出了一种基于状态机的低功耗电压监测方法及系统，通过低功耗设计，满足了不同场景下的电压监测需求。本发明中的电压监测系统可以在不同的模式下工作，实现在CPU 不参与的情况下监测电压，降低系统的功耗。
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。
如图1所示，本实施例提供的低功耗电压监测系统包括ADC电路还包括模式控制电路、状态机控制电路、MUX电路、ADC控制接口以及总线接口和保留接口，所述MUX电路的两个输入口分别对应连接至状态机控制电路和保留接口，所述UX电路的输出口通过ADC控制接口连接至ADC电路，所述模式控制电路与状态机控制电路连接，同时模式控制电路还与电源控制接口以及时钟控制接口连接，所述模式控制电路具有通常模式、睡眠模式、低功耗模式以及极低功耗模式四个工作模式，根据实际应用场景选择系统的工作模式，其中所述状态机控制电路工作在睡眠模式、低功耗模式以及极低功耗模式下。
本电压监测系统，在现有两种电压监测方式的基础上增加了一个状态机控制电路、模式控制电路和MUX电路。状态机控制电路可以在CPU不工作的条件下配置和使能ADC电路，读取ADC电路的监测电压值并判断是否为正常工作电压。模式控制电路通过电源控制接口和时钟控制接口使系统工作在不同的模式。总线接口和保留接口一般可以为APB（Advanced Peripheral Bus,外围总线）总线接口。CPU可通过总线接口配置电压监测系统的寄存器，保留接口和状态机控制电路生成的接口信号通过MUX（选择电路）电路连接到ADC控制接口，最后访问ADC电路；ADCdialup的输入通道连接监测电源，负责获取工作电压值。
本结构中，CPU可通过保留接口访问ADC控制接口，即CPU在正常工作的通常模式下，通过MUX电路选择保留接口的信号，以控制ADC电路监测电源状态，即本电压监控系统也可实现常规方案的电压监测。
所述状态机控制电路可在CPU不参与工作的条件下实现对ADC电路的控制；其主要的接口信号包括：MUX电路使能信号、输出到ADC控制接口的总线信号（一般为APB总线）、生成的警告中断信号、输出到模式控制电路的ADC时钟使能与关闭请求信号、模式控制电路应答的回复信号。
如图2所示，本实施例还提供了一种基于状态机的低功耗电压监测方法，包括下述步骤：
（1）进入初始状态S0，当接收到监测电压启动信号时，进入状态S1；否则保持状态S0。
本实施例中，在状态S0下，ADC电路时钟处于关断状态，可以有效降低系统的功耗。对于状态S0接收到的监测电压启动信号，该启动信号来自外部输入。具体实例中，如在MCU系统中，RTC（Real Time Clock，实时时钟）模块一直保持运行状态（即使CPU处于不工作的状态），可以配置RTC使其产生周期性的信号，作为状态机的启动信号，实现周期的监测电压。
（2）在状态S1下，输出ADC时钟使能请求信号，若接收到回复信号，进入状态S2；否则保持状态S1。本状态下，状态机控制电路输出ADC时钟使能请求信号至模式控制电路，模式控制电路输出的回复信号。
（3）在状态S2下，输出MUX电路使能信号，然后输出的总线信号至ADC控制接口，并配置ADC电路的状态，使能ADC电路后进入状态S3。本状态下，状态机控制电路输出MUX电路使能信号，然后状态机控制电路输出的总线信号通过MUX电路到ADC控制接口，并配置ADC电路的状态，包括转换模式、转换通道，使能ADC电路并进入状态S3。
（4）在状态S3下，输出读取ADC监测电压命令，ADC电路开始数据采集，进入状态S4。本状态下，ADC电路接收到读取ADC监测电压命令后开始采集监测电源的电压数据。
（5）在状态S4下，等待监测电压读出结果，若读出结果的有效信号有效，则保存读出结果，同时进入状态S5。
（6）在状态S5下，将保存的监测电压的读出结果与阈值电压比较，若小于阈值电压，则表示电源电量不足，进入状态S6，否则进入状态S7。状态S5下，阈值电压可通过总线接口配置。
（7）在状态S6下，输出电压不足的警告中断，并进入状态S7。
（8）在状态S7下，输出ADC时钟关闭请求信号，若收到回复信号，则进入状态S8；本状态下，状态机控制电路输出ADC时钟关闭请求信号至模式控制电路，模式控制电路确认后应答回复信号。
（9）状态S8为结束状态，释放MUX电路使能信号，选择保留接口信号，并进入初始状态S0。
模式控制电路的接口信号主要包括电源控制信号、时钟控制信号与状态机控制电路交互的信号。其模式控制电路控制的工作模式转换如图3所示，共有通常模式、睡眠模式、低功耗模式以及极低功耗模式四个工作模式。下面对这四种工作模式具体说明。
（1）通常模式
该模式下，CPU运行，MUX电路选通保留接口，以控制ADC控制监测电压，周边外设模块正常运行。
（2）睡眠模式
该模式下，CPU停止运行，周边外设模块正常运行。此模式下，MUX电路选通状态机控制电路，CPU时钟关断，通过执行睡眠指令进入该模式。睡眠模式下工作的外设，当输出中断请求后，模式控制电路将系统唤醒至通常模式，此时模式控制电路需要使能CPU时钟以使其运行。
（3）低功耗模式
该模式下，CPU停止运行，高速时钟停止运行。通过设置模式控制电路的寄存器并执行睡眠指令进入该模式。模式控制电路关断CPU时钟与高速时钟及相关的高功耗外设，只保留一些低功耗的周边模块运行，如RTC、模式控制电路等。低功耗模式下工作的外设，当输出中断请求时，模式控制电路将系统唤醒至通常模式（如本实施例中的警告中断信号），此时模式控制电路需要使能CPU时钟以使其运行。
（4）极低功耗模式
该模式下，CPU断电，高速时钟停止运行，通过设置模式控制电路的寄存器并执行睡眠指令进入极低功耗模式。具体操作时，首先模式控制电路关断CPU的时钟，然后开启隔离单元，将CPU与其他上电模块隔离，接着将CPU寄存器中的数据保存起来，等待上电时恢复，最后关断CPU的电源。在极低功耗模式下工作的外设，当输出中断请求时，将系统唤醒至通常模式，此时上电顺序与断电顺序相反，首先打开电源开关，然后恢复寄存器数据，再取消隔离单元的使能信号，CPU上电后，使能CPU时钟以使CPU运行。因此本模式下，CPU的断电上电由模式控制电路控制。
最后，本发明实施例中的状态机控制电路可以工作在睡眠模式、低功耗模式和极低功耗模式下监测电压，需要根据实际应用场景选择系统的工作模式，极低功耗模式功耗最低，低功耗模式次之，最后是睡眠模式。在通常模式下，CPU通过保留接口控制ADC电路，以常规方式监测电压，这种结构设计兼容了现有电压监控的方案。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (8)

1.一种基于状态机的低功耗电压监测方法，其特征在于，所述低功耗电压监测方法包括下述步骤：
进入初始状态S0，当接收到监测电压启动信号时，进入状态S1；
在状态S1下，输出ADC时钟使能请求信号，若接收到回复信号，进入状态S2；
在状态S2下，输出MUX电路使能信号，然后输出的总线信号至ADC控制接口，并配置ADC电路的状态，使能ADC电路后进入状态S3；
在状态S3下，输出读取ADC监测电压命令，ADC电路开始数据采集，进入状态S4；
在状态S4下，等待监测电压读出结果，若读出结果的有效信号有效，则保存读出结果，同时进入状态S5；
在状态S5下，将保存的监测电压的读出结果与阈值电压比较，若小于阈值电压，则表示电源电量不足，进入状态S6，否则进入状态S7；
在状态S6下，输出电压不足的警告中断，并进入状态S7；
在状态S7下，输出ADC时钟关闭请求信号，若收到回复信号，则进入状态S8；
状态S8为结束状态，释放MUX电路使能信号，选择保留接口信号，并进入初始状态S0。
2.如权利要求1所述一种基于状态机的低功耗电压监测方法，其特征在于，在状态S0下，ADC电路的时钟处于关断状态。
3.如权利要求1所述一种基于状态机的低功耗电压监测方法，其特征在于，所述阈值电压通过总线结构配置。
4.一种低功耗电压监测系统，包括ADC电路，其特征在于，所述系统还包括模式控制电路、状态机控制电路、MUX电路、ADC控制接口以及总线接口和保留接口，所述MUX电路的两个输入口分别对应连接至状态机控制电路和保留接口，所述UX电路的输出口通过ADC控制接口连接至ADC电路，所述模式控制电路与状态机控制电路连接，同时模式控制电路还与电源控制接口以及时钟控制接口连接，所述模式控制电路具有通常模式、睡眠模式、低功耗模式以及极低功耗模式四个工作模式，根据实际应用场景选择系统的工作模式，其中所述状态机控制电路工作在睡眠模式、低功耗模式以及极低功耗模式下，且按照权利要求1所述低功耗电压监测方法执行状态机控制。
5.如权利要求4所述低功耗电压监测系统，其特征在于，在通常模式下，CPU运行，MUX电路选通保留接口，以控制ADC控制监测电压。
6.如权利要求4所述低功耗电压监测系统，其特征在于，在睡眠模式下，CPU停止运行，MUX电路选通状态机控制电路，CPU时钟关断，通过执行睡眠指令进入睡眠模式；在睡眠模式下，若接收到外设中断请求，则将系统唤醒至通常模式，此时模式控制电路使能CPU时钟以使CPU运行。
7.如权利要求4所述低功耗电压监测系统，其特征在于，在低功耗模式，CPU停止运行，高速时钟停止运行，通过设置模式控制电路的寄存器并执行睡眠指令进入低功耗模式，模式控制电路关断CPU时钟与高速时钟及高功耗外设，保留部分低功耗模块运行，只有一些低功耗的周边模块运行；在低功耗模式下，若接收到外设中断请求，则将系统唤醒至通常模式，此时模式控制电路使能CPU时钟以使CPU运行。
8.如权利要求4所述低功耗电压监测系统，其特征在于，在极低功耗模式下，CPU断电，高速时钟停止运行，通过设置模式控制电路的寄存器并执行睡眠指令进入极低功耗模式；在极低功耗模式下，若接收到外设中断请求，则将系统唤醒至通常模式，此时模式控制电路控制CPU恢复上电，然后使能CPU时钟以使CPU运行。
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