news 2025/12/25 9:27:37

MCU互锁监护：模块交叉检测实战

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张小明

前端开发工程师

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MCU互锁监护：模块交叉检测实战

在 MCU 裸奔（无操作系统）程序中，相互监控是解决 “单一监护模块失效导致系统监护瘫痪” 的核心手段，其核心逻辑是让串口、定时器、ADC 等模块交叉检测彼此的运行状态，形成 “互锁式” 监护网络，而非单一模块的 “单向监护”。这种设计能避免 “监护者自身故障却无人察觉” 的单点失效问题，进一步提升系统鲁棒性。

本文将从相互监控的核心架构、具体互检逻辑设计、故障联动处理和实现示例四个维度，详细讲解裸奔程序中相互监控的实现思路（以 STM32 为例）。

一、相互监控的核心目标与架构

1. 核心目标
  • 无单点故障：避免某一个模块的监护逻辑失效后，整个系统的监护机制瘫痪；
  • 交叉验证：模块间通过 “状态反馈”“行为验证” 互相证明对方处于正常工作状态；
  • 故障联动：一个模块检测到另一模块异常时，触发协同恢复机制，而非单一模块的独立恢复；
  • 轻量化：互检逻辑占用极少 CPU / 内存资源，适配裸奔程序的资源约束。
2. 整体架构

裸奔程序中，相互监控通常采用 **“三层互检架构”，结合硬件外设互检和软件逻辑互检 **：

plaintext

┌─────────────────────────────────────────┐ │ 硬件层互检：利用外设硬件特性交叉验证 │ │ （如定时器时钟驱动ADC采样、串口回读ADC数据） │ ├─────────────────────────────────────────┤ │ 模块层互检：串口/定时器/ADC互相检测心跳 │ │ （如定时器检测串口心跳、串口检测ADC状态） │ ├─────────────────────────────────────────┤ │ 系统层互检：主心跳与从心跳互相监控 │ │ （SysTick与TIM3互检、看门狗兜底） │ └─────────────────────────────────────────┘

二、相互监控的核心逻辑设计

相互监控的本质是 **“心跳互发 + 状态交叉验证 + 行为闭环检测”**，针对裸奔程序的特点，设计以下三类核心互检逻辑：

1. 心跳互检机制

为每个核心模块分配专属心跳标识，模块需定期（如 10ms）更新自身心跳计数器，同时监控其他模块的心跳计数器是否在规定时间内更新。若某模块心跳超时，则判定其异常。

关键设计点：

  • 每个模块的心跳计数器由自身逻辑更新（如定时器模块的心跳由 TIM2 中断更新，串口模块的心跳由成功收发数据更新）；
  • 互检周期需大于模块自身的心跳周期（如模块心跳周期 10ms，互检超时时间 30ms），避免误判；
  • 心跳计数器采用递增溢出设计，防止数值溢出导致的误检测。
2. 状态交叉验证

模块间通过读取对方的硬件状态寄存器或软件状态标志，交叉验证其工作状态是否正常，而非仅依赖心跳。

典型场景：

  • 定时器模块读取串口的USART_SR 寄存器，验证串口是否处于正常收发状态；
  • ADC 模块通过定时器的TIM_CR1 寄存器和计数器值，验证定时器是否正常计数；
  • 串口模块解析 ADC 的采样数据，验证 ADC 是否输出有效数据（而非固定值）。
3. 行为闭环检测

通过 “一个模块触发另一模块的行为，再验证行为结果” 形成闭环检测，是比心跳和状态检测更严格的互检方式。

典型场景：

  • 定时器触发 ADC 采样，ADC 完成采样后将结果通过串口发送，定时器再验证串口是否成功输出该结果；
  • 串口发送 “ADC 校准指令”，ADC 执行校准后返回状态，串口验证返回结果是否合法；
  • ADC 采样定时器的 PWM 输出引脚电压，验证定时器的 PWM 波形是否正常（硬件级闭环）。

三、模块间相互监控的具体实现

以下结合串口、定时器、ADC 三大模块，设计两两互检 + 系统层兜底的具体逻辑，并给出代码示例。

1. 基础准备：互检状态定义

首先定义模块的心跳、状态结构体，为互检提供数据载体：

#include "stm32f10x.h" // 模块枚举 typedef enum { MODULE_TIM2, // 主定时器（1ms心跳） MODULE_UART1, // 串口 MODULE_ADC1, // ADC MODULE_SYSTICK, // 系统心跳 MODULE_MAX } ModuleType; // 模块状态枚举 typedef enum { STATE_NORMAL, // 正常 STATE_FAULT, // 故障 STATE_RECOVERING// 恢复中 } ModuleState; // 模块互检结构体 typedef struct { volatile uint32_t heartbeat; // 心跳计数器（定期自增） ModuleState state; // 模块状态 uint32_t last_heartbeat_ms; // 上次心跳更新时间戳 uint8_t fault_count; // 互检故障次数 } ModuleMonitor; // 全局互检状态表 static ModuleMonitor monitor_table[MODULE_MAX] = {0}; // 系统时间戳（SysTick提供，1ms递增） 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++; // SysTick自身心跳更新（系统层心跳） monitor_table[MODULE_SYSTICK].heartbeat++; monitor_table[MODULE_SYSTICK].last_heartbeat_ms = sys_tick_ms; } // 初始化系统心跳 void SysTick_Init(uint32_t sysclk_mhz) { SysTick_Config(sysclk_mhz * 1000); monitor_table[MODULE_SYSTICK].state = STATE_NORMAL; } // 心跳更新函数（各模块调用） void heartbeat_update(ModuleType module) { __disable_irq(); // 临界区保护 monitor_table[module].heartbeat++; monitor_table[module].last_heartbeat_ms = sys_tick_ms; monitor_table[module].state = STATE_NORMAL; // 心跳更新则恢复正常状态 __enable_irq(); }
2. 定时器与其他模块的互检逻辑

定时器（如 TIM2）是裸奔程序的 “时间基准”，需与 SysTick、串口、ADC 互相检测：

  • 定时器→SysTick：检测 SysTick 的心跳计数器是否递增，若超时则判定 SysTick 异常；
  • SysTick→定时器：检测定时器的心跳计数器（由 TIM2 中断更新）是否递增，若超时则判定定时器异常；
  • 定时器→ADC：定时触发 ADC 采样，若 ADC 未在规定时间内返回有效数据，则判定 ADC 异常；
  • 定时器→串口：检测串口的心跳计数器（由收发数据更新）是否超时，若超时则触发串口恢复。

代码实现：

#define HEARTBEAT_TIMEOUT_MS 30 // 心跳超时时间 #define TIM2_INTERVAL_MS 1 // TIM2定时周期 // TIM2中断服务函数（更新自身心跳，触发ADC采样） void TIM2_IRQHandler(void) { if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) != RESET) { TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update); heartbeat_update(MODULE_TIM2); // 更新定时器心跳 // 定时触发ADC采样（闭环检测的第一步） adc1_read(); // 调用带监护的ADC读取函数 } } // 定时器初始化（1ms定时） void TIM2_Init(uint32_t sysclk_mhz) { // （省略TIM2硬件初始化代码，参考上一篇回答） monitor_table[MODULE_TIM2].state = STATE_NORMAL; } // 定时器对其他模块的互检（主循环中调用） void tim2_monitor_others(void) { // 1. 检测SysTick心跳是否超时 if ((sys_tick_ms - monitor_table[MODULE_SYSTICK].last_heartbeat_ms) > HEARTBEAT_TIMEOUT_MS) { monitor_table[MODULE_SYSTICK].state = STATE_FAULT; monitor_table[MODULE_SYSTICK].fault_count++; // 恢复：重启SysTick SysTick_Init(72); } // 2. 检测串口心跳是否超时 if ((sys_tick_ms - monitor_table[MODULE_UART1].last_heartbeat_ms) > HEARTBEAT_TIMEOUT_MS) { monitor_table[MODULE_UART1].state = STATE_FAULT; monitor_table[MODULE_UART1].fault_count++; // 恢复：重新初始化串口 USART_DeInit(USART1); UART1_Init(115200); } // 3. 检测ADC是否返回有效数据（通过ADC状态和平均值判断） if (monitor_table[MODULE_ADC1].state == STATE_FAULT || adc1_avg_val == 0) { monitor_table[MODULE_ADC1].fault_count++; // 恢复：重新初始化ADC ADC_DeInit(ADC1); ADC1_Init(); } } // SysTick对定时器的互检（主循环中调用） void systick_monitor_tim2(void) { if ((sys_tick_ms - monitor_table[MODULE_TIM2].last_heartbeat_ms) > HEARTBEAT_TIMEOUT_MS) { monitor_table[MODULE_TIM2].state = STATE_FAULT; monitor_table[MODULE_TIM2].fault_count++; // 恢复：重新初始化TIM2 TIM_DeInit(TIM2); TIM2_Init(72); } }
3. 串口与其他模块的互检逻辑

串口作为 “通信枢纽”，通过数据交互实现对定时器、ADC 的交叉验证：

  • 串口→定时器：解析上位机下发的 “读取定时器状态” 指令，返回定时器的计数器值和心跳状态，若返回失败则判定定时器异常；
  • 串口→ADC：将 ADC 采样数据回发至上位机（或本地回读），若数据持续无效则判定 ADC 异常；
  • ADC→串口：通过 ADC 采样串口的 TX 引脚电平（若为硬件闭环），验证串口是否有数据发送；
  • 定时器→串口：已在上述逻辑中实现，串口则通过 “成功发送数据” 更新心跳，反馈给定时器。

代码实现：

#define UART_RX_BUF_SIZE 64 uint8_t uart1_rx_buf[UART_RX_BUF_SIZE]; uint16_t uart1_rx_idx = 0; // 串口中断服务函数（更新自身心跳） void USART1_IRQHandler(void) { if (USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET) { USART_ClearITPendingBit(USART1, USART_IT_RXNE); uart1_rx_buf[uart1_rx_idx++] = USART_ReceiveData(USART1); uart1_rx_idx %= UART_RX_BUF_SIZE; heartbeat_update(MODULE_UART1); // 接收数据更新心跳 } // （省略错误处理逻辑，参考上一篇回答） } // 串口发送函数（更新自身心跳） uint8_t uart1_send(uint8_t *data, uint16_t len) { // （省略发送逻辑，参考上一篇回答） if (send_success) { heartbeat_update(MODULE_UART1); // 发送成功更新心跳 return 1; } return 0; } // 串口对其他模块的互检（解析指令实现交叉验证） void uart1_monitor_others(void) { // 解析上位机指令：0x01=读取定时器状态，0x02=读取ADC状态 if (uart1_rx_buf[0] == 0x01) { // 组装定时器状态数据：心跳值、故障次数 uint8_t tim2_state[4] = { (uint8_t)(monitor_table[MODULE_TIM2].heartbeat & 0xFF), (uint8_t)(monitor_table[MODULE_TIM2].heartbeat >> 8), monitor_table[MODULE_TIM2].fault_count, (uint8_t)monitor_table[MODULE_TIM2].state }; // 发送定时器状态，若发送失败则判定定时器异常（闭环） if (!uart1_send(tim2_state, 4)) { monitor_table[MODULE_TIM2].state = STATE_FAULT; } uart1_rx_idx = 0; // 清空接收缓冲区 } else if (uart1_rx_buf[0] == 0x02) { // 组装ADC状态数据：平均值、故障次数 uint8_t adc1_state[4] = { (uint8_t)(adc1_avg_val & 0xFF), (uint8_t)(adc1_avg_val >> 8), monitor_table[MODULE_ADC1].fault_count, (uint8_t)monitor_table[MODULE_ADC1].state }; // 发送ADC状态，若发送失败则判定ADC异常 if (!uart1_send(adc1_state, 4)) { monitor_table[MODULE_ADC1].state = STATE_FAULT; } uart1_rx_idx = 0; } }
4. ADC 与其他模块的互检逻辑

ADC 作为 “数据采集模块”，通过采样结果验证实现对定时器、串口的硬件级交叉检测：

  • ADC→定时器：采样定时器输出的 PWM 波（如 TIM2_CH1），若 PWM 占空比与设定值偏差过大，则判定定时器异常；
  • ADC→串口：采样串口 TX 引脚的电平变化，若长时间无电平跳变（无数据发送），则判定串口发送异常；
  • 定时器→ADC：已在上述逻辑中实现，ADC 则通过 “有效采样数据” 更新心跳，反馈给定时器。

代码实现：

#define PWM_EXPECTED_DUTY 50 // 预期PWM占空比（%） #define ADC1_FILTER_WINDOW 5 // 滑动平均窗口 uint16_t adc1_avg_val = 0; // ADC平均值 // ADC读取函数（更新自身心跳，采样定时器PWM和串口TX） uint16_t adc1_read(void) { uint16_t adc_val_pwm = 0, adc_val_uart = 0; uint32_t start_ms = sys_tick_ms; // 采样定时器PWM引脚（TIM2_CH1：PA0） ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_0, 1, ADC_SampleTime_55Cycles5); ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE); while (ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC) == RESET) { if ((sys_tick_ms - start_ms) > 5) { monitor_table[MODULE_ADC1].state = STATE_FAULT; return 0; } } adc_val_pwm = ADC_GetConversionValue(ADC1); ADC_ClearFlag(ADC1, ADC_FLAG_EOC); // 采样串口TX引脚（PA9，ADC_CHANNEL_9） ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_9, 1, ADC_SampleTime_55Cycles5); ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE); while (ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC) == RESET) { if ((sys_tick_ms - start_ms) > 5) { monitor_table[MODULE_ADC1].state = STATE_FAULT; return 0; } } adc_val_uart = ADC_GetConversionValue(ADC1); ADC_ClearFlag(ADC1, ADC_FLAG_EOC); // 1. 验证定时器PWM是否正常（占空比偏差超过10%则判定异常） uint8_t pwm_duty = (adc_val_pwm * 100) / 4095; // 12位ADC，0~3.3V对应0~100% if (abs(pwm_duty - PWM_EXPECTED_DUTY) > 10) { monitor_table[MODULE_TIM2].state = STATE_FAULT; monitor_table[MODULE_TIM2].fault_count++; } // 2. 验证串口TX是否有数据发送（电平无变化则判定异常） static uint16_t last_uart_adc = 0; if (adc_val_uart == last_uart_adc && (sys_tick_ms - monitor_table[MODULE_UART1].last_heartbeat_ms) > 10) { monitor_table[MODULE_UART1].state = STATE_FAULT; monitor_table[MODULE_UART1].fault_count++; } last_uart_adc = adc_val_uart; // 3. 更新ADC自身心跳 heartbeat_update(MODULE_ADC1); adc1_avg_val = (adc_val_pwm + adc_val_uart) / 2; return adc1_avg_val; } // ADC初始化 void ADC1_Init(void) { // （省略ADC硬件初始化代码，参考上一篇回答） monitor_table[MODULE_ADC1].state = STATE_NORMAL; }

四、故障联动处理逻辑

相互监控的最终目的是 **“发现故障后协同恢复”，而非仅记录故障。裸奔程序中需设计分级联动恢复机制 **：

  1. 一级恢复：模块 A 检测到模块 B 异常，直接调用模块 B 的初始化函数进行软恢复（如重新初始化串口）；
  2. 二级恢复：若一级恢复失败（故障次数超过阈值，如 3 次），则触发硬件级复位（如关闭外设时钟后重新使能）；
  3. 三级恢复：若二级恢复仍失败，触发独立看门狗（IWDG）进行系统复位，作为最后一道防线。

代码实现：

#define FAULT_THRESHOLD 3 // 故障次数阈值 #include "stm32f10x_iwdg.h" // 独立看门狗初始化（超时时间约1s，需定期喂狗） void IWDG_Init(void) { IWDG_WriteAccessCmd(IWDG_WriteAccess_Enable); IWDG_SetPrescaler(IWDG_Prescaler_64); // 预分频64 IWDG_SetReload(1250); // 重装载值：40kHz/64=625Hz，1250/625=2s超时 IWDG_ReloadCounter(); // 喂狗 IWDG_Enable(); } // 全局故障联动处理（主循环中调用） void fault_linkage_handle(void) { for (uint8_t i = 0; i < MODULE_MAX; i++) { if (monitor_table[i].fault_count >= FAULT_THRESHOLD) { switch (i) { case MODULE_TIM2: // 二级恢复：关闭并重新使能TIM2时钟 RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, DISABLE); for (uint32_t j = 0; j < 1000; j++); // 短延时 RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE); TIM2_Init(72); break; case MODULE_UART1: // 二级恢复：关闭并重新使能UART1时钟 RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, DISABLE); for (uint32_t j = 0; j < 1000; j++); RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE); UART1_Init(115200); break; case MODULE_ADC1: // 二级恢复：关闭并重新使能ADC1时钟 RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, DISABLE); for (uint32_t j = 0; j < 1000; j++); RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE); ADC1_Init(); break; default: // 三级恢复：触发看门狗复位 IWDG_ReloadCounter(); // 最后一次喂狗，若仍故障则复位 monitor_table[i].fault_count = 0; break; } monitor_table[i].fault_count = 0; // 重置故障次数 } } // 正常喂狗 IWDG_ReloadCounter(); }

五、主循环中的相互监控执行流程

裸奔程序的主循环是相互监控的 “执行载体”，需将各模块的互检逻辑轻量化、周期性执行，避免影响主功能：

int main(void) { // 初始化外设 SysTick_Init(72); TIM2_Init(72); UART1_Init(115200); ADC1_Init(); IWDG_Init(); while (1) { // 1. 模块间互检逻辑 tim2_monitor_others(); // 定时器检测其他模块 systick_monitor_tim2(); // SysTick检测定时器 uart1_monitor_others(); // 串口检测其他模块 adc1_read(); // ADC检测定时器和串口（硬件级） // 2. 故障联动处理 fault_linkage_handle(); // 3. 主功能逻辑（如数据处理、外设控制） // ... // 4. 短延时，降低CPU占用 for (uint32_t i = 0; i < 1000; i++); } }

六、相互监控的设计原则

  1. 避免循环依赖：模块间的互检逻辑需 “单向无环” 或 “弱依赖”，如定时器检测 ADC、ADC 检测串口、串口检测定时器，形成闭环但避免嵌套调用；
  2. 轻量化优先：互检逻辑仅做 “状态检测” 和 “简单恢复”，复杂计算（如数据解析）需放到主功能中，避免占用中断资源；
  3. 防抖处理：对故障状态进行 “连续多次检测” 后再判定为真故障，避免因电磁干扰导致的误判；
  4. 硬件特性复用：尽量利用外设的硬件特性（如 ADC 采样、PWM 输出）实现硬件级互检，减少软件轮询；
  5. 看门狗兜底：相互监控无法解决 “整个系统卡死” 的问题，需配合独立看门狗实现最终的硬件复位。

七、总结

MCU 裸奔程序中的相互监控逻辑，核心是 **“以心跳为基础、以状态交叉验证为核心、以行为闭环为保障、以联动恢复为目标”**：

  1. 利用模块间的心跳互检，快速发现模块是否 “存活”；
  2. 通过硬件级的状态采样（如 ADC 采样 PWM、串口 TX），验证模块是否 “正常工作”；
  3. 借助指令交互和数据回传，形成行为闭环，避免 “假正常”；
  4. 设计分级恢复机制，实现故障的自动协同处理。

这种设计既适配裸奔程序的资源约束，又能有效避免单一监护模块失效的问题，大幅提升 MCU 系统的可靠性。

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