CN105739657A - 应用于嵌入式***的电路结构 - Google Patents

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王家华
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Abstract

本发明涉及一种应用于嵌入式***的电路结构，具有掉电保护及伪掉电复位功能，以解决现有技术中嵌入式***设备使用中出现的设备掉电后用户或***文件损坏的问题、并且对现有的掉电保护机制做功能完善及优化处理。具体地，本发明是在现有技术的具有掉电保护机制的电路结构上增设掉电信号采样电路和掉电复位控制电路，以使得嵌入式***中的操作***因伪掉电而进入待关机状态后能够自动进行***复位。

Description

应用于嵌入式***的电路结构
技术领域
本发明涉及嵌入式***技术领域，特别涉及一种应用于嵌入式***的具有掉电保护功能的电路结构。
背景技术
嵌入式***是一种嵌入受控器件内部为特定应用而设计的专用计算机***。普遍认为嵌入式***是以计算机技术为基础、软硬件可裁剪，从而能够适应实际应用中对功能、可靠性、成本、体积、功耗鞥严格要求的专用计算机***。从硬件角度可认为嵌入式***是一个控制程序存储在存储器中的嵌入式处理器控制板，大致可分为处理器、存储器、输入输出(I/O)等硬件部分，其中I/O部分由各种功能性外设构成，从而可实现丰富多样的嵌入式硬件功能。从软件角度来讲，嵌入式操作***负责嵌入式***的全部软、硬件资源的分配、任务调度，控制、协调并发活动。目前在嵌入式领域广泛使用的操作***有μC/OS-II、Linux、WindowsEmbedded、VxWorks以及目前较为主流的Android、iOS等。
但是目前的嵌入式***产品中从稳定性角度来讲仍存在较多问题，例如设备突发掉电情况下缺乏保护或很少有合理的掉电保护机制增强***稳定性，因为设备在未执行***关机命令突然掉电情况下有时会对操作***或用户存储的文件造成一定损坏。例如现有使用WindowsEmbeddedCompact(简称WinCE)***的嵌入式***设备，均存在设备掉电后有一定概率出现操作***文件损坏问题。此问题产生是由于硬件设备在存储方案设计时使用的存储芯片与操作***配合上带来的缺陷。设备紧急断电时WinCE操作***未做保存处理工作，可能损坏用户数据，甚至对***文件有损害造成***无法启动等严重问题。
如图1所示，在原硬件设计方案中，与文件保存相关的电路部分从外部输入的5V电源电压通过防反电路后直接给***主控电路供电，同时存储器工作。在5V输入电源电压紧急掉电的情况下，上述电路部分会同时直接断电，这样存储器就有可能出现不正常工作的情况，导致***或用户文件丢失。
因此，为增强***稳定性，本发明申请人西安诺瓦电子科技有限公司在2015年05月18日申请的申请号为201510253611.1，发明名称为“应用于嵌入式***的电路结构和掉电保护方法”的中国发明专利申请中提出了一种掉电保护机制，如图2所示，其是在图1所示硬件设计基础上增加掉电保护电路和法拉电容，软件设计中在***得知掉电状态后发挥作用，也即在得知掉电状态后触发***级中断，在中断状态处理函数中做状态稳定监测，如确实为电源掉电引起的中断触发，通知应用层做处理工作。应用层软件设计时做信号等待，若获取断电消息成功则进行处理工作，首先保存用户数据，然后关闭正在运行的程序，最后软件发送命令使***进入suspend休眠状态即待关机状态，在此动作完成后法拉电容放电完成，整个***掉电；这样对整个设备的存储文件起到了保护作用。
在正常使用中，出现突发掉电情况图2所示电路结构会按照上述方式进入掉电保护状态，整个***获得保护。但是在使用时存在一种情况，若电源出现短时间抖动后恢复，同样会触发掉电保护电路，但是其并非真实掉电状态，***同样会按照正常处理模式进入到待关机状态，这时整个***处于休眠状态，用户无法正常使用***功能。由此可见，图2所示电路结构仍然存在进一步优化的空间。
发明内容
因此，本发明提出一种应用于嵌入式***的电路结构，以解决现有技术中嵌入式***设备使用中出现的设备掉电后用户或***文件损坏的问题、并且对现有的掉电保护机制做功能完善及优化处理。
具体地，本发明实施例提出的一种应用于嵌入式***的电路结构，包括：电源电压输入端、掉电保护电路、储能电容、***主控电路以及存储器，所述掉电保护电路电连接所述电源电压输入端以及所述***主控电路的电源端和外部中断端口且用于在监测到所述电源电压输入端的电源电压掉电后经由所述外部中断端口触发所述***主控电路产生***中断以进行掉电处理来判断所述电源电压输入端的电源电压是否处于真实掉电状态并在所述电源电压输入端的电源电压处于真实掉电状态后完成文件保存至所述存储器并使***进入待关机状态，所述储能电容电连接所述掉电保护电路且用于在所述电源电压输入端的电源电压掉电后通过所述掉电保护电路给所述***主控电路的所述电源端供电。再者，所述应用于嵌入式***的电路结构还包括：掉电信号采样电路以及掉电复位控制电路；其中，所述掉电信号采样电路电连接所述电源电压输入端且具有采样电压输出端，所述掉电复位控制电路电连接所述采样电压输出端和所述***主控电路的复位端且用于根据所述采样电压输出端输出的采样电压判断所述电源电压输入端的电源电压是否处于真实掉电状态、在所述电源电压输入端的电源电压处于真实掉电状态后监测所述电源电压输入端的电源电压是否恢复以及在监测到所述电源电压输入端的电源电压恢复后产生复位控制信号至所述***主控电路的复位端以复位***处于待关机状态的所述***主控电路。
在本发明的一个实施例中，所述掉电信号采样电路包括第一电阻、第二电阻和电容，所述第一电阻和所述第二电阻串接在所述电源电压输入端和接地电位之间，所述电容与串接的所述第一电阻和第二电阻并联在所述电源电压输入端和所述接地电位之间。
在本发明的一个实施例中，所述掉电复位控制电路包括微控制器，所述微控制器的一第一I/O口和一第二I/O口分别电连接所述采样电压输出端和所述***主控电路的所述复位端。
在本发明的一个实施例中，所述掉电保护电路包括：状态监测电路，电连接所述电源电压输入端且用于输出代表所述电源电压输入端的电源电压是否掉电的监测值；状态通知电路，电连接所述状态监测电路和所述***主控电路的所述外部中断端口，用于根据所述监测值判断所述电源电压输入端的电源电压是否掉电并在所述电源电压输入端的电源电压掉电后产生掉电状态通知给所述***主控电路的所述外部中断端口以触发所述***主控电路产生***中断；以及掉电维持电路，电连接在所述电源电压输入端和所述***主控电路的所述电源端之间并且电连接所述储能电容，用于在所述电源电压输入端的电源电压未掉电时对所述储能电容充电并将所述电源电压输入端的电源电压传递至所述***主控电路的所述电源端、以及用于在所述电源电压输入端的电源电压掉电时利用所述储能电容向所述***主控电路的所述电源端供电。
在本发明的一个实施例中，所述状态通知电路与所述掉电复位控制电路共用所述微控制器，且所述微控制器的一第三I/O口用于接收所述监测值，且所述微控制器的一第四I/O口电连接所述***主控电路的所述外部中断端口。
在本发明的一个实施例中，所述微控制器为单片机或ARM处理器。
在本发明的一个实施例中，所述状态通知电路为比较电路。
在本发明的一个实施例中，所述掉电维持电路包括：第一二极管、电阻和第二二极管；所述第一二极管的正极电连接所述状态监测电路，所述第一二极管的负极电连接所述***主控电路的所述电源端；所述电阻电连接在所述第一二极管的负极和所述储能电容之间，所述第二二极管的正极电连接所述储能电容且所述第二二极管的负极电连接所述第一二极管的负极，从而所述电阻和所述第二二极管并联在所述第一二极管的负极和所述储能电容之间。
在本发明的一个实施例中，所述储能电容为法拉电容。
在本发明的一个实施例中，所述应用于嵌入式***的电路结构还包括防反电路，所述防反电路具有电压输入端和电压输出端，所述防反电路的所述电压输入端作为所述电源电压输入端，所述掉电保护电路电连接所述防反电路的所述电压输出端以实现电连接所述电源电压输入端，所述掉电信号采样电路电连接所述防反电路的所述电压输出端以实现电连接所述电源电压输入端。
由上可知，本发明实施例可以实现以下有益效果：a)在嵌入式***掉电后可以保护文件不被损坏；b)保护用户数据不被破坏，使用户文件的可靠性增加；c)保护***文件不被损坏，解决该问题导致***无法正常启动等问题；以及d)增加了掉电状态误判检测。
通过以下参考附图的详细说明，本发明的其它方面和特征变得明显。但是应当知道，该附图仅仅为解释的目的设计，而不是作为本发明的范围的限定。还应当知道，除非另外指出，不必要依比例绘制附图，它们仅仅力图概念地说明此处描述的结构和流程。
附图说明
下面将结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细的说明。
图1为现有的一种与文件保存相关的电路部分的模块示意图。
图2为现有的另一种与文件保存相关的电路部分的模块示意图。
图3为本发明实施例的一种与文件保存相关的电路部分的模块示意图。
图4为图3所示状态监测电路的具体电路结构举例。
图5为图3所示掉电维持电路的具体电路结构举例。
图6为图3所示掉电信号采样电路的具体电路结构举例。
图7为图3所示掉电复位控制电路的具体电路结构举例。
图8为图3所示掉电复位控制电路执行的掉电检测复位控制流程图。
图9为本发明实施例的一种实现掉电保护的操作***掉电处理及掉电复位流程图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
参见图3，本发明实施例提供的一种应用于嵌入式***的电路结构具有紧急掉电保护及伪掉电复位功能，其包括：防反电路31、掉电保护电路33、法拉电容35、***主控电路37、存储器38、掉电信号采样电路391以及掉电复位控制电路393。
其中，防反电路31具有电源电压输入端和电压输出端，所述电源电压输入端用于接收输入的电源电压V0(例如5V直流电压)，所述电压输出端用于输出电压V1(例如稳定后的5V直流电压)。本实施例中，防反电路31例如是由单个二极管构成，也可以是由MOS管和电阻连接而成，或是其它各种现有的防反接保护电路。可以理解的是，防反电路31作为一种保护电路，其在某些特定需求下也可考虑省略掉。
掉电保护电路33电连接在防反电路31的电压输出端(V1输出端)和***主控电路27的电源端之间，其具体可包括：状态监测电路331、状态通知电路333和掉电维持电路335。其中，状态监测电路331电连接防反电路31的电压输出端且用于监测防反电路31的电压输出端的输出电压V1的分压值作为监测值，状态监测电路331典型的是分压采样电路，例如图4所示，分压采样电路包括电阻R1和电阻R2，电阻R1和R2串联在防反电路31的电压输出端(V1输出端)和接地电位之间，且电阻R1和R2之间的节点电压(也即V1的分压值)作为监测值Vdet输出端。状态通知电路333电连接在状态监测电路331的监测值Vdet输出端和***主控电路37的中断端口之间，其例如包括单片机；在此，单片机可以利用一个I/O口电连接状态监测电路331的监测值Vdet输出端，从而单片机可以根据接收到的监测值Vdet判断防反电路31的电源电压(V0)输入端是否掉电并在掉电时生成掉电状态通知以触发***主控电路37产生***级中断，而单片机与***主控电路37的外部中断端口相连接的I/O口则作为掉电状态通知输出端；可以理解的是，此处的单片机主要是用于根据监测值Vdet判断防反电路31的电源电压(V0)输入端是否掉电，因此单片机也可以替换成比较电路，通过将监测值Vdet和预设的参考电压进行比较来产生掉电状态通知(例如代表比较结果的高电平或低电平值)。掉电维持电路335的A端和B端分别电连接状态监测电路331和***主控电路37的电源端，并且法拉电容35挂接至掉电维持电路335；在本实施例中，如图5所示，掉电维持电路335例如包括二极管D1、D2以及电阻R3，二极管D1的正极(A端)例如电连接图4所示的V1端，二极管D1的负极(B端)电连接***主控电路37的电源端，电阻R3和二极管D2并联在法拉电容35和二极管D1的负极(B端)之间；更具体地，二极管D2的正极电连接法拉电容35且二极管D2的负极电连接二极管D1的负极(B端)。
法拉电容35属于双电层电容器，其用于储存电能并在掉电时给***主控电路37的电源端供电；可以理解的是，法拉电容35也可以替换成具有足够电能储存能力的其它类型储能电容。
***主控电路37作为嵌入式***的主控部分，其典型地会安装有操作***例如WindowsCE操作***。本实施例中，***主控电路37例如包括微处理器比如ARM处理器等、存储器读写电路以及其它***电路。
存储器38电连接***主控电路37，其例如是非易失性存储器，像闪存(如NANDFLASH)等等，在此不作具体限制。
掉电信号采样电路391电连接在防反电路31的电压输出端(V1输出端)和掉电复位控制电路393之间，其例如图6所示，包括串接在防反电路31的电压输出端(V1输出端)和接地电位之间的电阻R4和R5以及连接在V1输出端和接地电位之间的电容C1，也即电容C1和串接电阻R4,R5并联，电阻R4和R5之间的节点电压为采样电压Vs。
掉电复位控制电路393电连接掉电信号采样电路391的采样电压Vs输出端和***主控电路37的复位端之间，其例如图7所示，包括单片机例如STM8S003F3单片机以及连接单片机的必要电路元件像电阻、电容等。
掉电信号采样电路391通过R4,R5电阻分压获取模拟信号(也即采样电压Vs)输入至单片机的I/O口例如STM8S003F3单片机的引脚20，由单片机进行模数转换处理后获取数字电压值再通过软件算法判断是否进入掉电状态并判断掉电状态是否稳定，在判断掉电状态稳定(也即V0处于真实掉电状态)后若检测到掉电恢复信号则向***主控电路37发起复位控制信号，使***主控电路37的操作***重新复位，从而脱离伪掉电状态，进而使得***不再停留在掉电保护后的待关机状态。
具体地，如图8所示，基于单片机的掉电复位控制电路393的软件在其初始化I/O及定时器后进入掉电等待状态，若通过检测采样电压Vs产生了掉电信号并触发进入掉电信号稳定性判断，如果确实为真实掉电信号(对应掉电状态稳定，也即V0处于真实掉电状态)，则单片机进入掉电恢复电平监测状态(也即等待掉电恢复电平)；此时若防反电路31的电源电压输入端的电源电压V0重新恢复，则判定此次掉电状态为伪掉电状态，从而发起复位控制信号且例如通过图7的STM8S003F3的引脚10发送至***主控电路37的复位端，以复位***主控电路37的操作***，之后再继续循环检测；若等待超时，则判定***真实掉电进入结束状态。
此外，请参见图9，其为本实施例实现掉电保护的操作***掉电处理及掉电复位流程图。具体地，操作***初始化后等待中断并等待硬件掉电状态通知，之后若通过状态通知电路333得知掉电状态则触发***中断并在中断处理函数中做掉电状态稳定性判断，在获取稳定掉电状态后直接通知***层做相应处理，这里***层软件可为内核级驱动或者内核级进程，响应掉电状态后做数据文件保存工作(也即保存数据文件至存储器38)，保存工作处理完成后调用***挂起(suspend)命令，使***进入待关机状态；之后，如果在法拉电容35放电完成之前接收到了来自掉电复位控制电路393的复位控制信号，则***主控电路37的操作***重新复位；反之，如果法拉电容放电完成，则整个***掉电。这样，就可以实现对整个嵌入式***的存储文件起到了保护作用并且在伪掉电状态下可以使***重新复位。
最后值得一提的是，当图3所示的状态通知电路333包括单片机时，掉电复位控制电路393和状态通知电路333可以共用一个单片机，相应地，该单片机利用两个I/O口来分别接收状态监测电路331输出的监测值Vdet和掉电信号采样电路391输出的采样电压Vs以及利用另外两个I/O口来分别连接***主控电路37的外部中断端口和复位端例如ARM处理器的外部中断端口和复位端。另外，在本发明的其他实施例中，掉电复位控制电路393中的单片机也可以替换成其他微控制器例如ARM处理器。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种应用于嵌入式***的电路结构，包括：电源电压输入端、掉电保护电路、储能电容、***主控电路以及存储器，所述掉电保护电路电连接所述电源电压输入端以及所述***主控电路的电源端和外部中断端口且用于在监测到所述电源电压输入端的电源电压掉电后经由所述外部中断端口触发所述***主控电路产生***中断以进行掉电处理来判断所述电源电压输入端的电源电压是否处于真实掉电状态并在所述电源电压输入端的电源电压处于真实掉电状态后完成文件保存至所述存储器并使***进入待关机状态，所述储能电容电连接所述掉电保护电路且用于在所述电源电压输入端的电源电压掉电后通过所述掉电保护电路给所述***主控电路的所述电源端供电；其特征在于，所述应用于嵌入式***的电路结构还包括：
掉电信号采样电路以及掉电复位控制电路；
其中，所述掉电信号采样电路电连接所述电源电压输入端且具有采样电压输出端，所述掉电复位控制电路电连接所述采样电压输出端和所述***主控电路的复位端且用于根据所述采样电压输出端输出的采样电压判断所述电源电压输入端的电源电压是否处于真实掉电状态、在所述电源电压输入端的电源电压处于真实掉电状态后监测所述电源电压输入端的电源电压是否恢复以及在监测到所述电源电压输入端的电源电压恢复后产生复位控制信号至所述***主控电路的复位端以复位***处于待关机状态的所述***主控电路。
2.如权利要求1所述的应用于嵌入式***的电路结构，其特征在于，所述掉电信号采样电路包括第一电阻、第二电阻和电容，所述第一电阻和所述第二电阻串接在所述电源电压输入端和接地电位之间，所述电容与串接的所述第一电阻和第二电阻并联在所述电源电压输入端和所述接地电位之间。
3.如权利要求1所述的应用于嵌入式***的电路结构，其特征在于，所述掉电复位控制电路包括微控制器，所述微控制器的一第一I/O口和一第二I/O口分别电连接所述采样电压输出端和所述***主控电路的所述复位端。
4.如权利要求3所述的应用于嵌入式***的电路结构，其特征在于，所述掉电保护电路包括：
状态监测电路，电连接所述电源电压输入端且用于输出代表所述电源电压输入端的电源电压是否掉电的监测值；
状态通知电路，电连接所述状态监测电路和所述***主控电路的所述外部中断端口，用于根据所述监测值判断所述电源电压输入端的电源电压是否掉电并在所述电源电压输入端的电源电压掉电后产生掉电状态通知给所述***主控电路的所述外部中断端口以触发所述***主控电路产生***中断；以及
掉电维持电路，电连接在所述电源电压输入端和所述***主控电路的所述电源端之间并且电连接所述储能电容，用于在所述电源电压输入端的电源电压未掉电时对所述储能电容充电并将所述电源电压输入端的电源电压传递至所述***主控电路的所述电源端、以及用于在所述电源电压输入端的电源电压掉电时利用所述储能电容向所述***主控电路的所述电源端供电。
5.如权利要求4所述的应用于嵌入式***的电路结构，其特征在于，所述状态通知电路与所述掉电复位控制电路共用所述微控制器，且所述微控制器的一第三I/O口用于接收所述监测值，且所述微控制器的一第四I/O口电连接所述***主控电路的所述外部中断端口。
6.如权利要求5所述的应用于嵌入式***的电路结构，其特征在于，所述微控制器为单片机或ARM处理器。
7.如权利要求4所述的应用于嵌入式***的电路结构，其特征在于，所述状态通知电路为比较电路。
8.如权利要求4所述的应用于嵌入式***的电路结构，其特征在于，所述掉电维持电路包括：第一二极管、电阻和第二二极管；所述第一二极管的正极电连接所述状态监测电路，所述第一二极管的负极电连接所述***主控电路的所述电源端；所述电阻电连接在所述第一二极管的负极和所述储能电容之间，所述第二二极管的正极电连接所述储能电容且所述第二二极管的负极电连接所述第一二极管的负极，从而所述电阻和所述第二二极管并联在所述第一二极管的负极和所述储能电容之间。
9.如权利要求1所述的应用于嵌入式***的电路结构，其特征在于，所述储能电容为法拉电容。
10.如权利要求1所述的应用于嵌入式***的电路结构，其特征在于，所述应用于嵌入式***的电路结构还包括防反电路，所述防反电路具有电压输入端和电压输出端，所述防反电路的所述电压输入端作为所述电源电压输入端，所述掉电保护电路电连接所述防反电路的所述电压输出端以实现电连接所述电源电压输入端，所述掉电信号采样电路电连接所述防反电路的所述电压输出端以实现电连接所述电源电压输入端。
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