基于S3C2410芯片的掉電保護系統設計

周 瑋，宋啟祥

(宿州學院，安徽 宿州 234000)

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基于S3C2410芯片的掉電保護系統設計

周 瑋，宋啟祥

(宿州學院，安徽 宿州 234000)

云計算數據中心UPS的要求較高，為了在斷電時能正常運行系統，基于ARM9系列的S3C2410，使用μC/OS-II內核實現了斷電保護系統.通過分析掉電保護基本硬件平臺，首先進行基于S3C2410芯片的精簡掉電保護模塊設計：UART控制模塊、電源模塊、晶震模塊和JTAG電路模塊.然后，進行了斷電保護電路硬件芯片設計.最后，給出了整體系統軟件程序設計：等待捕獲方式和μC/OS-II內核調用方式.基于S3C2410芯片和μC/OS-II內核的掉電保護系統解決了數據中心供電系統中掉電保護的需求，能夠實時捕捉到掉電信號并保存系統狀態，恢復現場數據.

ARM；掉電保護；UPS

云計算數據中心對電源要求較高，突然掉電不僅有可能對電子設備產生巨大的沖擊，而且可能丟失系統內的數據，對云存儲會帶來災難性的后果.因此，斷電保護是必要的，一旦電源不能正常供電，瞬時系統信號脈沖將啟動斷電備用裝置，從而保證核心設備的重要數據并保存恢復系統當前狀態，保證系統的正常運行[1].

本文主要研究了ARM9平臺的S3C2410芯片,并設計了基于μC/OS-II內核的掉電保護系統，能夠為云計算數據中心UPS提供更安全穩定的供電保護.

1 系統平臺

本系統基于ARM9的S3C2410芯片，并結合μC/OS-II內核構建嵌入式平臺的斷電防護.

ARM9系列芯片相比ARM7系列有更高的處理能力，能并行處理數據，提高了系統整體性能.外部中斷請求會在外部中斷引腳有效(一般是低電平)，和程序狀態登記相關(控制位)設置為允許處理器響應[2].響應處理器進入中斷模式后，PC裝入中斷矢量0x00000018.當想要執行中斷的位置裝入了中斷入口程序后，就可以在該位置執行中斷程序[3].

μC/OS-II 操作系統集成了完整操作系統的功能，可以同時執行多任務處理，實時搶占，任務時間規劃等功能，操作系統可以通過判斷任務優先級對任務隊列中的消息進行處理，具有獨立性、準確性、可擴展性和可移植性等優點，方便程序編程實現.它可以使各個任務獨立工作，互不干涉，很容易實現準時而且無誤執行，使實時應用程序的設計和擴展變得更容易，使應用程序的設計過程減化[4].

2 掉電保護硬件平臺

掉電電路硬件平臺如圖1所示，整個平臺基于ARM9系列的S3C2410芯片.S3C2410芯片通過總線與SDRAM和NAND FLASH進行數據交互，用戶可通過可編程器件將程序寫入緩存，S3C2410芯片接入以太網控制器，可以直接通過PHY芯片引出以太網接口.芯片外接可擴展接口，通過輸入輸出擴展接入擴展輸入輸出設備.S3C2410外部數據總線(雙向、32位)支持外部8位、16位、32位的數據寬度[5].

圖1 基于S3C2410芯片的硬件平臺

基于ARM9系列的嵌入式硬件斷電保護思想是當系統檢測到掉電數據時，由于SDRAM中的數據丟失，對掉電數據產生實時響應，并將SDRAM數據寫入到NAND Flash中.

SDRAM：單片機程序為了保證高效快速運行，數據加載在SDRAM中.如果遇到單片機掉電，會造成SDRAM中的數據丟失，給用戶帶來困擾，因此，在系統掉電后需要將數據導入到NAND Flash中.

NAND Flash：其內部采用非線性宏觀單元模型，實現了固態海量存儲器，適合大量數據的存儲，通過總線連接SDRAM.其存取數據低于SDRAM，但能夠進行掉電保護.

經過分析，使用中斷復位控制進行掉電保護信息量小，不利于大規模文件的掉電保護設計.因此，我們設計了基于μC/OS-II內核的掉電保護.

3 基于μC/OS-II的掉電保護設計

3.1 系統模塊設計

為了保證單片機功能的正常運行，引入斷電保護電路設計，簡化了系統的功能模塊.S3C2410功能模塊如圖2所示，整個系統由UART控制電路、電源電路、晶震電路、JTAG電路構成.

圖2 系統模塊框架

各模塊功能如下：

(1)晶震電路：給整個系統提供時鐘信號.無源晶震精度好，溫漂比較?。挥性淳д鹁茸詈?，溫漂極小[6-7].該系統選擇有源晶震作為不同頻率的運作速度.

(2)UART控制電路：使用標準的TTL/CMOS邏輯電平(0～5v、0～3.3v、0～2.5v或0～1.8v)表示數據，發送數據時，UART接收來自CPU的數據；接收數據時，UART將數據寫入緩沖區供CPU讀取.

(3)電源電路：該系統使用5V電源，部分外設使用3.3V電源.為了增加帶斷電保護的電源設計功能，該系統電源硬件設計了專門的斷電保護電路.

(4)JTAG接口電路：由1根主復位信號，4根接口線路構成.

3.2 斷電保護電路設計

整個保護電路設計的思想是當系統在外界失電的情況下，產生掉電信號并記錄系統當前的狀態，當系統供電正常后，恢復系統原始數據并恢復系統當前狀態，電路如圖3所示.

圖3 電源電路圖

當電源掉電時，該系統可以提供以下功能：①為系統提供預警功能.當供電設備由于外界因素不能正常供電時，電路回路產生低壓預警信號，LM78M05模塊檢測到該信號，發出中斷請求信號，開始啟用預備供電回路.②為整個系統掉電提供延時，給用戶一定響應時間，減輕對電子器件的傷害.當外界電源中斷時，電路回路通過電容放電，可以延長系統的供電時間，保護系統基本模塊數據和狀態.

3.3 斷電保護軟件設計

基于μC/OS-II系統獲取斷電信息的流程和工作原理是：

(1)利用等待捕獲的方式，主服務程序通過子進程監控系統產生的數據，當系統檢測到低電平信號時，設置掉電標志物，保存系統狀態信息，讀取關鍵部件文件信息并保存.

(2)使用系統提供調用方式，通過函數調用捕獲掉電信號.在μC/OS-II中，共有31個系統中斷信號，其中掉電信號為SIGPWR，如果掉電中斷服務程序中斷服務無效，中斷服務和信號通過內部信號關聯[8].

系統上電時初始化狀態信息，配置模塊參數，創建放子進程數組，存放子進程編號，創建管道文件描述數組，創建讀取掉電子進程，初始化工作結束后，工作流程如圖4所示：

(1)掉電進程監控到電路中斷信號，管道通信信息告訴主進程判斷中斷信號，主進程實施斷電系統保護程序.

(2)主進程獲取系統函數調用值，當監測到函數的特定中斷信號結果值時，主進程啟動狀態保護設置，保存模塊數據信息.

圖4 掉電系統軟件算法處理流程

掉電系統軟件保護主要是通過系統函數調用和等待捕獲信號的方式檢測掉電信號，對系統提供保護.由于μC/OS-II系統信號機制自身存在的信號丟失的問題，并不能完全保證掉電防護的可靠進行，因此，使用等待捕獲信號的方式對系統的掉電防護提供了進一步的保障.

4 結束語

基于ARM9的S3C2410芯片的掉電保護系統滿足了云計算數據中心中對UPS電源可靠性的要求.本文通過從硬件層和軟件層設計合理的掉電保護裝置，使得系統在失去外界供電的時候，可以快速捕捉到掉電信號，記錄系統當前的狀態，當系統供電正常后，恢復系統原始數據并恢復系統當前狀態.通過軟件系統的優化，使得掉電信號的監測更加可靠，解決了傳統通過系統內核函數調用信號丟失的問題，基于ARM的單片機掉電保護系統在數據中心電源系統中有很強的實用價值.

[1]張茂.基于51單片機的路燈照明系統定時器的設計[J].中國照明電器,2014(12).

[2]彭麗霞.一種實用的電源監測儀設計[J].機電一體化,2012(09).

[3]李明明,王全忠,郭偉,鄭永瑞.一種NOR FLASH控制器驗證平臺的研究[J].現代電子技術,2015(10).

[4]陳超文,彭國杰,王憶文,李輝.基于PLB總線的NOR FLASH控制器設計[J].微電子學與計算機,2014(05).

[5]JING-HU L,,XING-BAO Z,MING-YAN Y.A1.2-V Piecewise Curvature-Corrected Bandgap Referencein0.5μm CMOS Process[C]//Very Large Scale Integration (VLSI) Systems,IEEE Transactions on，2011.

[6]Bendali,A.,Audet,Y.A 1-V CMOS Current Reference With Temperature and Process Compensation[C]//Circuits and Systems I:Regular Papers,IEEE Transactions on，2007.

[7]Eyee Hyun Nam,Bryan Suk JoonKim,HyeonsangEom,SangLyulMin.Ozone:An Out-of-Order Flash Memory Controller Architecture[C]//IEEE Transactions on Computers，2011.

[8]HildermanV,Baghi T.Avionics certification:a complete guide to DO-178B and DO-254 (hardware)[M]//Digital Arionics Handbook，2007.

(責任編輯:王前)

Power-fail Protection System Based on S3C2410 Chip Design

ZHOU Wei,SONG Qi-xiang

(SUZHOUUniversity,SUZHOU,Anhui234000,China)

In order to ensure the system run normally, the uC/OS- II kernel power-fail protection system was designed by using S3C2410 based on ARM9. Basic hardware platform based on the analysis of power-fail protection was analyzed. Based on S3C2410 chip and uC/OS-II kernel power-fail protect -ion system, it can satisfy the data center of power-fail protection demand of power supply system. At the same time, it can capture the real-time electrical signal and save the system state, restore the scene data.

ARM; Power-fail protection; UPS

10.13877/j.cnki.cn22-1284.2016.08.006

2016-06-23

2014年省級質量工程教學研究重點項目(2014jyxm380);2014年宿州學院一般科研項目(2014yyb05)

周瑋，女，湖南永順人，教師.

TP31.2

A

1008-7974(2016)04-0020-03