CN117518926A - 一种用于mcu的安全控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于MCU的安全控制装置，包括：微控制单元、输入电源、备份电源、MOS管和储能单元。与微控制单元的VDD引脚电连接的输入电源，为微控单元提供电力支持。经MOS管与微控制单元的VDD引脚电连接的备份电源，为微控制单元提供低功耗的电力支持。分别与输入电源、备份电源和微控单元电连接的MOS管，受控于微控制单元并控制备份电源与微控制单元之间导通与关闭。分别与输入电源和微控制单元电连接储能单元，能进行电能存储与释放。本发明的备份电源和输入电源到MCU基本没有压降；实现MCU缓慢掉电，使得MCU正常进入低功耗模式；可实现双电压供电；设置LVD检测子单元，通过硬件即可实现切换，缩短了切换时间。

Description

一种用于MCU的安全控制装置

技术领域

本发明属于机电控制领域，尤其涉及一种用于MCU的安全控制装置。

背景技术

随着半导体技术，信息技术和工业的不断发展，工业自动化控制主要以微机(MCU)控制为主。目前典型的控制由上位机、工业控制器、现场执行机构组成三层结构。自动化控制系统以可编程控制器、分布式控制系统、工业PC机，以及包括PID调节器和控制器在内的嵌入式计算机与OEM产品为主。可编程控制器技术是以计算机技术为基础的新型工业控制装置，是一种专为工业环境而设计的数字运算操作的电子系统。由于可编程控制器能够执行算数操作、顺序控制、计数和定时以及进行逻辑运算，并能有效控制产品和机械生产的全部加工过程，因此在工业自动化控制中长期主导着市场。本发明正是基于微机控制。

目前市场上大部分控制器对于突然掉电和再次上电，都有依赖于机械结构的惯性和重力作用，这样在操作机器时存在风险；目前主要有两种方式避免这个风险，1.需要在紧急掉电和再次上电时需要对机械结构锁住，这种方式对机械结构要求高，有些场合没有办法通过机械方式锁住。2.控制器对紧急掉电和再次上电进行安全控制，这种方式具有响应速度快，减少机械结构复杂度。

本发明采用第二种方式，以改变微控制单元工作状态对机器进行控制。而现有技术中，存在以下技术问题。现有的MCU供电电源和备份区电源是通过二极管进行供电和隔离，由于二极管的功耗存在，有部分电压压降在二极管上，导致电能损耗浪费。另外，现有MCU的电源端没有大容量电容，这样容易导致在外部电源掉电瞬间，电源切换到备份区电源，而此时MCU处于正常工作状态功耗比较大，使得备份区电源电压瞬间被拉低，将触发低电压事件，但是备份区电源电压拉低幅值过大使得电源电压低于MCU工作的最低电压时，MCU停止工作，此时控制器功耗降下来，备份区电源电压将恢复到额定电压，MCU重新启动进行复位动作，导致控制器重新启动。此外，现有MCU在外部电源掉电后重新上电后，MCU重新启动进行复位动作，因为掉电时控制器状态不定此时可能还执行复位动作，再次上电时控制器在不确定状态下执行复位动作，会存在风险。除此之外，现有MCU需要双电压供电，MCU有单独的VBAT管脚连接另外一路电压，现有MCU检测掉电需要采样计算当前电压值判断是否是掉电状态，再次上电需要重新执行所有初始化程序，需要比较长的切换时间。最后，现有MCU在掉电后再次唤醒需要去检测电源状态通过软件方式唤醒MCU。

发明内容

本发明的技术目的是提供一种用于MCU的安全控制装置，以解决紧急掉电、上电时安全控制的技术问题。

为解决上述问题，本发明提供一个在紧急掉电和恢复上电可以快速响应不增加成本达到安全生产方案，同时也提出了控制器面向该应用的备份电源的优化方案，其技术方案为：

一种用于MCU的安全控制装置，包括：微控制单元、输入电源、备份电源、MOS管和储能单元；

输入电源与微控制单元的VDD引脚电连接，用于为微控单元提供电力支持；

备份电源经MOS管与微控制单元的VDD引脚电连接，用于当输入电源与微控制单元断开时为微控单元提供电力支持；

MOS管分别与输入电源、备份电源和微控单元电连接，受控于微控制单元并用于控制备份电源与微控制单元之间导通与关闭；

储能单元分别与输入电源和微控制单元电连接，储能单元用于当输入电源与微控制单元连通时进行电能存储，当输入电源与微控制单元断开时为微控制单元实现掉电缓冲。

进一步优选地，还包括电源单元，电源单元的一端分别与储能单元、输入电源、以及经MOS管与备份电源电连接，电源单元的另一端与微控制单元的VDD引脚电连接，用于接收、整合电流信号并输送至微控制单元以提供电力支持。

进一步优选地，还包括信号发生单元，信号发生单元分别与输入电源、MOS管和微控制单元的WAKEUP引脚电连接；

信号发生单元用于根据接收到的输入电源的电流信号产生相对应的高功耗激活信号，并输送至微控制单元的WAKEUP引脚，以实时调整微控制单元的工作状态。

进一步优选地，还包括第一电阻、第二电阻、第一电容和第二电容；

输入电源分别与第一电阻的一端、信号发生单元的第一端口电连接，第一电阻的另一端分别与MOS管的源极、第一电容的一端、第二电容的一端、储能单元和电源单元的一端电连接；

第一电容和第二电容的另一端均接地；电源单元的另一端与微控制单元的VDD引脚电连接；

备份电源与MOS管的漏极电连接；MOS管的栅极分别与第二电阻的一端和信号发生单元的第二端口电连接，第二电阻的另一端接地，信号发生模块的第三端口与微控制单元的WAKEUP引脚电连接。

其中，微控制单元内设有LVD检测子单元，LVD检测子单元用于检测从微控制单元的VDD引脚输入电压大小，以判断输入电源与电源单元之间导通与关闭。

其中，微控制单元根据LVD检测子单元的检测结果与微控制单元的WAKEUP引脚接收信号对微控制单元在正常工作状态与低功耗待机状态进行切换。

其中，储能单元为大电容，用于吸收以及释放电能。

本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：

1)本发明的输入电源与备份电源通过MOS管隔离，输入电源可与MCU连接，MOS管连接备份电源给MCU，因此备份电源和输入电源到MCU基本没有压降；

2)本发明在MCU的供电端添加储能单元，可以在输入电源实现MCU缓慢掉电，在触发低电压事件后MCU能正常进入低功耗状态，从而降低备份电源输出功率，使得MCU正常进入低功耗模式；

3)本发明无需MCU的VBAT管脚即可实现双电压供电；

4)本发明设置LVD检测子单元，再次上电时通过WAKEUP引脚把MCU从standby状态唤醒，硬件自动执行唤醒MCU，通过硬件即可实现切换，缩短了切换时间。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。

图1为本发明的一种用于MCU的安全控制装置的结构示意图；

图2为本发明的一种用于MCU的安全控制装置的电路结构示意图；

图3为本发明的电源单元与MCU的连接示意图；

图4为本发明的一种用于MCU的安全控制装置的实施流程图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。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，并获得其他的实施方式。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种用于MCU的安全控制装置作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。

实施例

参看图1，本实施例提供一种用于MCU的安全控制装置，目的在于微控制单元在单电压供电掉电时，会实时检测供电状态，将检测电压与参考电压进行比对。当检测电压低于参考电压时触发事件，MCU执行紧急处理程序后进入低功耗待机状态，此时MCU由外接的电容供电，电容电压降至备份电压时将由备份电源供电，再次接入电源时控制器被特定事件唤醒离开低功耗待机状态进入正常工作。

参看图1和图2，本实施包括：微控制单元(MCU)、输入电源、备份电源、MOS管、储能单元、电源单元、信号发生单元、第一电阻、第二电阻、第一电容和第二电容。

输入电源分别与第一电阻的一端、信号发生单元的第一端口电连接，第一电阻的另一端分别与MOS管的源极、第一电容的一端、第二电容的一端、储能单元和电源单元的一端电连接。第一电容和第二电容的另一端均接地。电源单元的另一端与微控制单元的VDD引脚电连接。备份电源与MOS管的漏极电连接。MOS管的栅极分别与第二电阻的一端和信号发生单元的第二端口电连接，第二电阻的另一端接地，信号发生模块的第三端口与微控制单元的WAKEUP引脚电连接。

参看图2，由上述电连接关系可知，储能单元分别与输入电源和电源单元电连接，输入电源接入时可以储存电量，当输入电源断开时储能单元经电源单元给MCU供电，起到缓冲MCU电源作用，避免MCU还没有进入低功耗模式，MCU由于低电压进入掉电状态，电源再恢复时执行复位动作。使得MCU有足够的时间执行紧急程序再进入低功耗模式。具体地，储能单元采用大电容。

参看图2，由上述电连接关系可知，信号发生单元连接MOS管的栅极和微控制单元的WAKEUP引脚，可用来做低功耗模式的唤醒。信号发生单元用于根据接收到的输入电源的电流信号产生相对应的高功耗激活信号，并输送至微控制单元的WAKEUP引脚，以实时调整微控制单元的工作状态。所以当输入电源输入时，信号发生单元产生有效信号，MOS管切换为输入电源与电源单元连接，此时，信号发生单元的信号作为WAKEUP信号唤醒MCU，从低功耗模式进入正常工作模式。

参看图2，由上述电连接关系可知，MOS管的源极分别与输入电源和电源单元电连接，MOS管的漏极与备份电源电连接，通过对MOS管开与关，使得电源单元与输入电源、备份电源之间相互切换供电。且由于备份区与电源单元仅通过MOS管输入到电源单元，所以备份电源到电源单元的线路上基本没有损耗。

参看图2和图3，由上述电连接关系可知，电源单元的一端分别与储能单元、输入电源、以及经MOS管与备份电源电连接，电源单元的另一端与微控制单元的VDD引脚电连接。使用过程中，电源单元始终只与输入电源或备份电源电连接，并输送至微控制单元的VDD引脚。

参看图3，本实施例中，微控制单元内设有LVD检测子单元，通过设置LVD检测子单元的参考电位和配置滤波时间，会检测微控制单元的VDD引脚输入电压大小，以判断输入电源与电源单元之间导通与关闭。然后，微控制单元根据LVD检测子单元的检测结果与微控制单元的WAKEUP引脚接收信号对微控制单元进行工作状态更变，即触发低电压事件后，MCU产生信号至MOS管使其打开，MCU被唤醒时，MCU产生信号至MOS管使其关闭。

参看图2和图4，现对本实施例的实施进行整体说明，在MCU紧急掉电时，会触发低电压事件，此时MCU将启动紧急处理程序进行安全控制保护现场环境，同时打开备份电源对MCU供电，并且MCU在执行紧急处理程序后再进入低功耗模式。当再次接入外部电源时，MCU被接入的信号唤醒，开始执行保护现场程序等待管理人员确认后恢复掉电前现场，此时关闭备份区电源切换到外部供电。

参看图2和图4，现对本实施例的实施进行详细说明，首先对MCU初始化，对MCU的WAKEUP引脚接收的信号进行判断，是否为输入电源经信号发生单元的电信号，输入电源可理解为外接高电压电压。如果是，关闭MOS管，输入电源的电流分成两路，一路进入储能单元并为其充能，另一路则进入电源单元为MCU直接供电，此时，MCU会执行输入电源连接或断开时启动的紧急程序，该紧急程序目的是保护作业现场，紧急程序执行完成后进入正常工作模式。

工作一段时间后，若输入电源断开时，首先闭合MOS管，电源单元连接备份电源，同时储能单元也会给MCU供电。若MCU没有储能单元时，输入电源断开后备用电源功率不足，此时MCU处于正常工作状态，功耗比一般大于备份电源输出功率高达20mA以上，一般的纽扣电池功率不能满足，MCU上的电源电压降迅速降低，需要MCU快速响应LVD检测子单元的低电压事件后进入低功耗模式，使得备份区电源功率满足MCU供电，否则MCU电源电压低于工作电压时将进入掉电状态。由于储能单元存在使得MCU的VDD引脚处的电源电压将相对缓慢下降，当下降到LVD检测子单元设定的阈值电压时，触发低电压事件，MCU会执行紧急程序以保护作业现场，然后进入低功耗模式，此时功耗小于备份电源输出功率，最终MCU以低功耗模式运行在备份电源电压上，并开启唤醒源以等待唤醒信号。其中，备份电源一般使用纽扣电池供电。

然后，当输入电源再次上电时通过WAKEUP引脚把MCU从standby状态唤醒，以硬件的方式自动执行再次上电检测，无需软件进行控制切换。MCU控制MOS管使其断开，从而快速实现切换，提高MCU上、下电的响应能力。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种用于MCU的安全控制装置，其特征在于，包括：微控制单元、输入电源、备份电源、MOS管和储能单元；

所述输入电源与所述微控制单元的VDD引脚电连接，用于为所述微控单元提供电力支持；

所述备份电源经所述MOS管与所述微控制单元的VDD引脚电连接，用于当所述输入电源与所述微控制单元断开时为所述微控单元提供电力支持；

所述MOS管分别与所述输入电源、所述备份电源和所述微控单元电连接，受控于微控制单元并用于控制所述备份电源与所述微控制单元之间导通与关闭；

所述储能单元分别与所述输入电源和所述微控制单元电连接，所述储能单元用于当所述输入电源与所述微控制单元连通时进行电能存储，当所述输入电源与所述微控制单元断开时为所述微控制单元实现掉电缓冲。

2.根据权利要求1所述的用于MCU的安全控制装置，其特征于，还包括电源单元，所述电源单元的一端分别与所述储能单元、所述输入电源、以及经所述MOS管与备份电源电连接，所述电源单元的另一端与所述微控制单元的VDD引脚电连接，用于接收、整合电流信号并输送至所述微控制单元以提供电力支持。

3.根据权利要求2所述的用于MCU的安全控制装置，其特征于，还包括信号发生单元，所述信号发生单元分别与所述输入电源、所述MOS管和所述微控制单元的WAKEUP引脚电连接；

所述信号发生单元用于根据接收到的所述输入电源的电流信号产生高功耗激活信号，并输送至所述微控制单元的WAKEUP引脚，以实时调整所述微控制单元的工作状态。

4.根据权利要求3所述的用于MCU的安全控制装置，其特征于，还包括第一电阻、第二电阻、第一电容和第二电容；

所述输入电源分别与所述第一电阻的一端、所述信号发生单元的第一端口电连接，所述第一电阻的另一端分别与所述MOS管的源极、所述第一电容的一端、所述第二电容的一端、所述储能单元和所述电源单元的一端电连接；

所述第一电容和所述第二电容的另一端均接地；所述电源单元的另一端与所述微控制单元的VDD引脚电连接；

所述备份电源与所述MOS管的漏极电连接；所述MOS管的栅极分别与所述第二电阻的一端和所述信号发生单元的第二端口电连接，所述第二电阻的另一端接地，所述信号发生模块的第三端口与所述微控制单元的WAKEUP引脚电连接。

5.根据权利要求3所述的用于MCU的安全控制装置，其特征于，所述微控制单元内设有LVD检测子单元，所述LVD检测子单元用于检测从所述微控制单元的VDD引脚输入电压大小，以判断所述输入电源与所述电源单元之间导通与关闭。

6.根据权利要求5所述的用于MCU的安全控制装置，其特征于，所述微控制单元根据所述LVD检测子单元的检测结果与所述微控制单元的WAKEUP引脚接收信号对所述微控制单元在正常工作状态与低功耗待机状态进行切换。

7.根据权利要求1所述的用于MCU的安全控制装置，其特征于，所述储能单元为大电容，用于吸收以及释放电能。