news 2026/2/21 3:51:55

MCU安全监护：监护目标、核心监护策略、分模块实现和优化原则四个维度

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张小明

前端开发工程师

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MCU安全监护：监护目标、核心监护策略、分模块实现和优化原则四个维度

目录

一、监护核心目标

二、通用监护基础设计

基础框架代码示例

三、分模块监护实现

1. 串口（UART）监护

关键监护策略

串口监护代码示例（以 UART1 为例）

2. 定时器监护

关键监护策略

定时器监护代码示例（以 TIM2 为例，定时 1ms 触发任务）

3. ADC 监护

关键监护策略

ADC 监护代码示例（以 ADC1 为例，单次转换模式）

四、高效监护优化原则

五、总结

在 MCU 裸奔（无操作系统）程序中，对串口、定时器及 ADC 进行安全监护（故障检测、容错、恢复）和高效监护（低资源占用、不影响主功能）是保障系统稳定性的关键。以下从监护目标、核心监护策略、分模块实现和优化原则四个维度，给出具体的设计思路和代码示例（以 STM32 为例，适配主流 ARM Cortex-M 内核 MCU）。

一、监护核心目标

  1. 故障检测：快速识别模块异常（如串口卡死、定时器溢出、ADC 数据越界）；
  2. 容错处理：对轻微异常进行自动恢复，避免系统崩溃；
  3. 资源高效：监护逻辑占用极少 CPU、内存资源，不影响主程序实时性；
  4. 可追溯性：记录故障信息（如异常类型、发生时间），便于问题定位。

二、通用监护基础设计

裸奔程序中需先搭建基础监护框架，为各模块提供统一的故障处理和计时能力：

  1. 系统心跳定时器：使用一个高优先级定时器（如 SysTick 或 TIM1）作为全局时间基准，提供 ms 级计时，用于超时检测、故障计时；
  2. 故障状态寄存器：定义全局结构体记录各模块故障类型、次数、时间戳；
  3. 看门狗（WDT/IWDG）：作为最后一道防线，若监护逻辑失效，看门狗复位系统（硬件级保障）；
  4. 临界区保护：对故障状态的读写操作加关中断保护，避免数据竞争。
基础框架代码示例
#include "stm32f10x.h" // 故障类型枚举 typedef enum { FAULT_UART_TX_TIMEOUT, // 串口发送超时 FAULT_UART_RX_OVERRUN, // 串口接收溢出 FAULT_TIMER_OVERFLOW, // 定时器异常溢出 FAULT_ADC_VALUE_INVALID,// ADC数据越界 FAULT_ADC_CONV_TIMEOUT // ADC转换超时 } FaultType; // 模块枚举 typedef enum { MODULE_UART1, MODULE_TIM2, MODULE_ADC1, MODULE_MAX } ModuleType; // 故障状态结构体 typedef struct { uint8_t fault_flag; // 故障标志（bit位对应FaultType） uint16_t fault_count; // 故障次数 uint32_t fault_timestamp;// 故障时间戳（ms） } ModuleFaultStatus; // 全局故障状态表 static ModuleFaultStatus fault_table[MODULE_MAX] = {0}; // 系统心跳时间戳（ms） static volatile uint32_t sys_tick_ms = 0; // SysTick中断（1ms一次，系统心跳） void SysTick_Handler(void) { sys_tick_ms++; } // 初始化系统心跳（1ms） void SysTick_Init(uint32_t sysclk_mhz) { SysTick_Config(sysclk_mhz * 1000); // 系统时钟sysclk_mhz MHz，1ms中断一次 } // 记录故障（临界区保护） void fault_record(ModuleType module, FaultType fault) { __disable_irq(); // 关中断保护 fault_table[module].fault_flag |= (1 << fault); fault_table[module].fault_count++; fault_table[module].fault_timestamp = sys_tick_ms; __enable_irq(); } // 清除故障 void fault_clear(ModuleType module, FaultType fault) { __disable_irq(); fault_table[module].fault_flag &= ~(1 << fault); __enable_irq(); } // 获取故障状态 ModuleFaultStatus fault_get_status(ModuleType module) { return fault_table[module]; }

三、分模块监护实现

1. 串口（UART）监护

串口常见异常：发送超时、接收溢出 / 帧错误、总线卡死，需结合硬件中断和软件超时检测实现监护。

关键监护策略
  1. 接收异常：利用 UART 的帧错误（FE）、** 溢出错误（ORE）** 中断，检测硬件接收异常；
  2. 发送超时：为串口发送函数设置软件超时（如 10ms），若发送未完成则判定为发送卡死；
  3. 数据合法性：对接收的关键数据进行范围 / 校验和检查，过滤无效数据；
  4. 自动恢复：检测到异常后，重新初始化 UART 并清除中断标志。
串口监护代码示例（以 UART1 为例）
#include "stm32f10x_usart.h" #define UART_TX_TIMEOUT_MS 10 // 发送超时时间 #define UART_RX_BUF_SIZE 64 uint8_t uart1_rx_buf[UART_RX_BUF_SIZE]; uint16_t uart1_rx_idx = 0; // UART1中断服务函数（处理接收和错误） void USART1_IRQHandler(void) { if (USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_ORE) != RESET) { // 溢出错误 USART_ClearITPendingBit(USART1, USART_IT_ORE); fault_record(MODULE_UART1, FAULT_UART_RX_OVERRUN); // 恢复：清除接收缓冲区 uart1_rx_idx = 0; } if (USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_FE) != RESET) { // 帧错误 USART_ClearITPendingBit(USART1, USART_IT_FE); fault_record(MODULE_UART1, FAULT_UART_RX_OVERRUN); } if (USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET) { // 正常接收 USART_ClearITPendingBit(USART1, USART_IT_RXNE); if (uart1_rx_idx < UART_RX_BUF_SIZE) { uart1_rx_buf[uart1_rx_idx++] = USART_ReceiveData(USART1); } else { fault_record(MODULE_UART1, FAULT_UART_RX_OVERRUN); uart1_rx_idx = 0; // 缓冲区满，重置 } } } // 带超时的串口发送函数 uint8_t uart1_send(uint8_t *data, uint16_t len) { uint32_t start_ms = sys_tick_ms; for (uint16_t i = 0; i < len; i++) { // 等待发送寄存器为空，同时检测超时 while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET) { if ((sys_tick_ms - start_ms) > UART_TX_TIMEOUT_MS) { fault_record(MODULE_UART1, FAULT_UART_TX_TIMEOUT); // 恢复：重新初始化UART1 USART_DeInit(USART1); UART1_Init(); // 调用原有初始化函数 return 0; // 发送失败 } } USART_SendData(USART1, data[i]); } // 等待发送完成 while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TC) == RESET) { if ((sys_tick_ms - start_ms) > UART_TX_TIMEOUT_MS) { fault_record(MODULE_UART1, FAULT_UART_TX_TIMEOUT); USART_DeInit(USART1); UART1_Init(); return 0; } } fault_clear(MODULE_UART1, FAULT_UART_TX_TIMEOUT); // 清除超时故障 return 1; // 发送成功 } // UART1初始化（含中断配置） void UART1_Init(uint32_t baudrate) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct; USART_InitTypeDef USART_InitStruct; NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStruct; RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1 | RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); // TX:PA9 推挽输出 GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9; GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct); // RX:PA10 浮空输入 GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10; GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct); USART_InitStruct.USART_BaudRate = baudrate; USART_InitStruct.USART_WordLength = USART_WordLength_8b; USART_InitStruct.USART_StopBits = USART_StopBits_1; USART_InitStruct.USART_Parity = USART_Parity_No; USART_InitStruct.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None; USART_InitStruct.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx; USART_Init(USART1, &USART_InitStruct); // 使能接收和错误中断 USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE); USART_ITConfig(USART1, USART_IT_ERR, ENABLE); NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn; NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1; NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0; NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; NVIC_Init(&NVIC_InitStruct); USART_Cmd(USART1, ENABLE); }
2. 定时器监护

定时器常见异常：定时溢出异常（如预期的定时未触发）、PWM 输出异常、计数器卡死，需结合软件计时和硬件状态检测实现监护。

关键监护策略
  1. 定时任务超时检测：为定时器触发的任务设置软件超时，若任务未在预期时间内执行则判定异常；
  2. 计数器状态检测：周期性检查定时器计数器值，若长时间未变化则判定计数器卡死；
  3. 自动恢复：检测到异常后，重新初始化定时器并重启计数。
定时器监护代码示例（以 TIM2 为例，定时 1ms 触发任务）
#include "stm32f10x_tim.h" #define TIM2_TASK_INTERVAL_MS 1 // TIM2定时周期 #define TIM2_TIMEOUT_MS 5 // 任务超时时间 volatile uint8_t tim2_task_flag = 0; // 定时任务标志 uint32_t tim2_last_trigger_ms = 0; // 上次触发时间戳 // TIM2中断服务函数（1ms触发） void TIM2_IRQHandler(void) { if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) != RESET) { TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update); tim2_task_flag = 1; // 设置任务标志 tim2_last_trigger_ms = sys_tick_ms; // 更新时间戳 } } // TIM2初始化（1ms定时） void TIM2_Init(uint32_t sysclk_mhz) { TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStruct; NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStruct; RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE); // 定时1ms：Prescaler=7200-1，CounterMode=Up，Period=10-1（72MHz时钟） TIM_TimeBaseStruct.TIM_Prescaler = 7200 - 1; TIM_TimeBaseStruct.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; TIM_TimeBaseStruct.TIM_Period = 10 - 1; TIM_TimeBaseStruct.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1; TIM_TimeBaseStruct.TIM_RepetitionCounter = 0; TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStruct); TIM_ITConfig(TIM2, TIM_IT_Update, ENABLE); // 使能更新中断 NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannel = TIM2_IRQn; NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 2; NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0; NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; NVIC_Init(&NVIC_InitStruct); TIM_Cmd(TIM2, ENABLE); // 启动定时器 } // 定时器监护任务（在主循环中调用） void tim2_monitor(void) { // 检测定时任务是否超时 if (tim2_task_flag == 0) { if ((sys_tick_ms - tim2_last_trigger_ms) > TIM2_TIMEOUT_MS) { fault_record(MODULE_TIM2, FAULT_TIMER_OVERFLOW); // 恢复：重新初始化TIM2 TIM_DeInit(TIM2); TIM2_Init(72); // 72MHz系统时钟 tim2_last_trigger_ms = sys_tick_ms; } } else { fault_clear(MODULE_TIM2, FAULT_TIMER_OVERFLOW); // 清除故障 tim2_task_flag = 0; // 清除任务标志 } // 检测计数器是否卡死（可选） static uint16_t last_cnt = 0; uint16_t curr_cnt = TIM_GetCounter(TIM2); if (curr_cnt == last_cnt && TIM_GetFlagStatus(TIM2, TIM_FLAG_UPDATE) == RESET) { fault_record(MODULE_TIM2, FAULT_TIMER_OVERFLOW); TIM_SetCounter(TIM2, 0); // 重置计数器 } last_cnt = curr_cnt; } // 主循环中的定时任务处理 void main_loop(void) { while (1) { tim2_monitor(); // 执行定时器监护 if (tim2_task_flag) { // 处理TIM2定时任务（如LED闪烁、数据采集） tim2_task_flag = 0; } // 其他主任务... } }
3. ADC 监护

ADC 常见异常：转换超时、数据越界、转换结果跳变过大、硬件校准失败，需结合软件超时、数据滤波和合法性检查实现监护。

关键监护策略
  1. 转换超时检测：为 ADC 转换设置软件超时，若未在预期时间内完成则判定异常；
  2. 数据合法性检查：对转换结果进行范围检查（如电压应在 0~3.3V 之间），过滤无效值；
  3. 数据稳定性检查：使用滑动平均滤波，若单次采样值与平均值偏差过大则判定异常；
  4. 自动恢复：检测到异常后，重新校准 ADC 并重启转换。
ADC 监护代码示例（以 ADC1 为例，单次转换模式）
#include "stm32f10x_adc.h" #define ADC1_CONV_TIMEOUT_MS 5 // 转换超时时间 #define ADC1_VALID_MIN 0 // ADC有效值最小值 #define ADC1_VALID_MAX 4095 // ADC有效值最大值（12位） #define ADC1_FILTER_WINDOW 5 // 滑动平均窗口大小 uint16_t adc1_filter_buf[ADC1_FILTER_WINDOW]; // 滤波缓冲区 uint8_t adc1_filter_idx = 0; // 滤波缓冲区索引 uint16_t adc1_avg_val = 0; // 平均值 // ADC1初始化（单次转换，通道0：PA0） void ADC1_Init(void) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct; ADC_InitTypeDef ADC_InitStruct; RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1 | RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6); // ADC时钟=72/6=12MHz // PA0 模拟输入 GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0; GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN; GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct); ADC_InitStruct.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent; ADC_InitStruct.ADC_ScanConvMode = DISABLE; // 单通道 ADC_InitStruct.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE; // 单次转换 ADC_InitStruct.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None; ADC_InitStruct.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right; ADC_InitStruct.ADC_NbrOfChannel = 1; ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStruct); ADC_Cmd(ADC1, ENABLE); // 使能ADC1 ADC_ResetCalibration(ADC1); // 重置校准 while (ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1)); // 等待校准完成 ADC_StartCalibration(ADC1); while (ADC_GetCalibrationStatus(ADC1)); } // 带监护的ADC转换函数 uint16_t adc1_read(void) { uint32_t start_ms = sys_tick_ms; uint16_t adc_val = 0; // 启动转换 ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_0, 1, ADC_SampleTime_55Cycles5); ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE); // 等待转换完成，检测超时 while (ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC) == RESET) { if ((sys_tick_ms - start_ms) > ADC1_CONV_TIMEOUT_MS) { fault_record(MODULE_ADC1, FAULT_ADC_CONV_TIMEOUT); // 恢复：重新初始化ADC1 ADC_DeInit(ADC1); ADC1_Init(); return 0; } } adc_val = ADC_GetConversionValue(ADC1); ADC_ClearFlag(ADC1, ADC_FLAG_EOC); // 数据合法性检查 if (adc_val < ADC1_VALID_MIN || adc_val > ADC1_VALID_MAX) { fault_record(MODULE_ADC1, FAULT_ADC_VALUE_INVALID); return adc1_avg_val; // 返回平均值，容错 } // 滑动平均滤波 adc1_filter_buf[adc1_filter_idx++] = adc_val; if (adc1_filter_idx >= ADC1_FILTER_WINDOW) { adc1_filter_idx = 0; } // 计算平均值 uint32_t sum = 0; for (uint8_t i = 0; i < ADC1_FILTER_WINDOW; i++) { sum += adc1_filter_buf[i]; } adc1_avg_val = sum / ADC1_FILTER_WINDOW; // 检测数据跳变（可选，如偏差超过20%则判定异常） if (abs(adc_val - adc1_avg_val) > (adc1_avg_val * 0.2)) { fault_record(MODULE_ADC1, FAULT_ADC_VALUE_INVALID); return adc1_avg_val; } fault_clear(MODULE_ADC1, FAULT_ADC_CONV_TIMEOUT | FAULT_ADC_VALUE_INVALID); return adc1_avg_val; }

四、高效监护优化原则

  1. 轻量化检测：监护逻辑尽量在中断或主循环中以 “短函数” 形式实现，避免复杂计算；
  2. 分级处理：轻微异常（如单次 ADC 数据跳变）仅记录不恢复，严重异常（如串口卡死）才执行重新初始化；
  3. 批量检测：将各模块的监护任务集中在主循环的 “监护阶段” 执行，减少上下文切换；
  4. 硬件复用：利用 MCU 的硬件特性（如 UART 错误中断、ADC 校准）实现被动检测，减少软件轮询；
  5. 故障防抖：对故障标志进行防抖处理（如连续检测 3 次异常才判定为真故障），避免误触发。

五、总结

MCU 裸奔程序中对串口、定时器和 ADC 的监护核心是 **“硬件中断检测 + 软件超时兜底 + 自动恢复 + 数据容错”**：

  1. 串口：利用错误中断检测硬件异常，软件超时防止发送卡死；
  2. 定时器：通过时间戳检测定时任务超时，检查计数器状态防止卡死；
  3. ADC：转换超时检测 + 数据范围 / 稳定性检查，结合滤波实现容错。

同时，需通过临界区保护、轻量化逻辑和分级处理，确保监护功能安全且高效，不影响主程序的实时性和稳定性。

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