單片機(jī)看門狗技術(shù)

單片機(jī)系統(tǒng)中的看門狗技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法

一、單片機(jī)與看門狗技術(shù)概述

單片機(jī)系統(tǒng)在軍事、工業(yè)、民用產(chǎn)品中的應(yīng)用越來(lái)越廣。它將許多以往硬件實(shí)現(xiàn)的功能由軟件來(lái)完成，體積小巧、功能豐富、智能化程度高、但由于單片機(jī)系統(tǒng)的工作現(xiàn)場(chǎng)比較復(fù)雜，存在來(lái)自系統(tǒng)內(nèi)部與外部的各種電氣干擾，除此以外還受到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、制造工藝、元器件的選擇與安裝的影響，這些都是單片機(jī)系統(tǒng)的干擾因素，對(duì)系統(tǒng)的可靠性方面帶來(lái)許多問(wèn)題。這些干擾會(huì)導(dǎo)致單片機(jī)程序飛到一個(gè)臨時(shí)構(gòu)成的死循環(huán)或PC指針落到程序存儲(chǔ)器芯片地址之外。這種情況下冗余指令和軟件陷阱都無(wú)法解決，系統(tǒng)將完全癱瘓。在這種情況下，只有復(fù)位。因此看門狗技術(shù)就是一個(gè)能發(fā)出復(fù)位信號(hào)的定時(shí)器電路。設(shè)置看門狗是防止單片機(jī)死機(jī)、提高單片機(jī)系統(tǒng)抗干擾性能的一種重要途徑，看門狗技術(shù)可以分為單時(shí)限看門狗、雙時(shí)限看門狗，定時(shí)復(fù)位看門狗。本文主要介紹看門狗技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法及原理。

目前最廣泛的看門狗電路實(shí)際上是一個(gè)特殊的定時(shí)器電路。看門狗按固定速率計(jì)時(shí)，計(jì)滿預(yù)定時(shí)間就發(fā)出溢出脈沖使單片機(jī)復(fù)位。如果每次在定時(shí)器溢出前強(qiáng)行讓定時(shí)器清零，就不會(huì)發(fā)出溢出脈沖。清零脈沖由CPU發(fā)出，在單片機(jī)中看門狗不會(huì)溢出。一旦程序進(jìn)入一個(gè)不含喂狗語(yǔ)句的死循環(huán)。本文稱這種看門狗為典型看門狗，典型看門狗已被集成化，如MAX706，MAX791，X5045等，還有許多單片機(jī)本身集成了這種看門狗，如NXP公司的P89C669,P89V51RD2等單片機(jī)，具體電路可參閱這些芯片的技術(shù)資料。下面將以X5045為例來(lái)介紹單時(shí)限及雙時(shí)限看門狗實(shí)現(xiàn)方式。

二、單時(shí)限看門狗

只使用單個(gè)看門狗定時(shí)器來(lái)控制單片機(jī)復(fù)位端的方式稱為單時(shí)限看門狗，在電路實(shí)現(xiàn)上較為簡(jiǎn)單，一般情況下可以有效的控制單片機(jī)系統(tǒng)正常工作。圖1給出了以X5045看門狗芯片實(shí)現(xiàn)的單時(shí)限看門狗硬件電路圖。圖中單片機(jī)的P1.0為X5045提供片選信號(hào)，P1.1接收X5045的串行數(shù)據(jù)，P1.2提供串行時(shí)鐘，P1.3向X5045發(fā)送串行數(shù)據(jù)，X5045的RST引腳與單片機(jī)的RST引腳相連，用于復(fù)位單片機(jī)。單片機(jī)控制程序中，每隔一定的時(shí)間間隔放置一條“喂狗”指令，該時(shí)間間隔小于X5045預(yù)制的定時(shí)時(shí)間，以保證程序正常運(yùn)行時(shí)X5045不會(huì)溢出；而程序一旦出現(xiàn)異常，X5045將超時(shí)溢出，并通過(guò)RST引腳送出一個(gè)復(fù)位信號(hào)是單片機(jī)復(fù)位，重新開(kāi)始運(yùn)行程序。

三、雙時(shí)限看門狗

有一個(gè)錯(cuò)誤觀點(diǎn)：加了一個(gè)看門狗，單片機(jī)就不會(huì)死機(jī)。實(shí)際上，看門狗有時(shí)會(huì)完全失效。當(dāng)程序進(jìn)入某個(gè)死循環(huán)，而這個(gè)死循環(huán)中又包含喂狗語(yǔ)句，這時(shí)看門狗始終不會(huì)溢出，單片機(jī)始終得不到復(fù)位信號(hào)，程序也就始終跳不出這個(gè)死循環(huán)。針對(duì)這一弊端，就需設(shè)計(jì)一個(gè)雙時(shí)限看門狗系統(tǒng)。圖2給出了雙時(shí)限看門狗硬件電路。在單時(shí)限看門狗的基礎(chǔ)上增加了一路X5045看門狗芯片，兩路看門狗以或門形式接入到單片機(jī)的RST引腳。只要有一路X5045超時(shí)溢出，則使單片機(jī)復(fù)位。

雙時(shí)限看門狗有兩個(gè)定時(shí)器：一個(gè)為短定時(shí)器，一個(gè)為長(zhǎng)定時(shí)器。短定時(shí)器定時(shí)為T1，長(zhǎng)定時(shí)器定時(shí)為T2，0<T1≤T2；長(zhǎng)、短定時(shí)器的喂狗是各自獨(dú)立的。短定時(shí)器像典型看門狗那樣工作，它保證一般情況下看門狗有快的反映速度；長(zhǎng)定時(shí)器的定時(shí)T2大于CPU執(zhí)行一個(gè)主循環(huán)程序的時(shí)間，并且每一個(gè)主循環(huán)才喂狗一次，用來(lái)防止看門狗失效。

這樣，當(dāng)程序進(jìn)入某個(gè)死循環(huán)，如果這個(gè)死循環(huán)包含短定時(shí)器喂狗語(yǔ)句而不包含長(zhǎng)定時(shí)器喂狗語(yǔ)句。那么長(zhǎng)定時(shí)器終將溢出，使單片機(jī)復(fù)位。巧妙安排長(zhǎng)定時(shí)器喂狗語(yǔ)句的位置，可保證出現(xiàn)死機(jī)的概率極低。

目前幾乎所有的看門狗都是依賴于CPU（依賴于CPU喂狗）。這可以比作：一個(gè)保險(xiǎn)設(shè)備能否起到保險(xiǎn)作用還依賴于被它保護(hù)的對(duì)象的行為。顯然，依賴于CPU的看門狗是不能保證單片機(jī)百分之百不死機(jī)的。

四、定時(shí)復(fù)位看門狗

定時(shí)復(fù)位看門狗的主體也是一個(gè)定時(shí)器，到預(yù)定時(shí)間就發(fā)出溢出脈沖，此溢出脈沖使單片機(jī)強(qiáng)行復(fù)位。定時(shí)復(fù)位看門狗不需要CPU喂狗。

簡(jiǎn)言之，定時(shí)復(fù)位看門狗就是定時(shí)地讓單片機(jī)強(qiáng)行復(fù)位。這樣，即使裝置死機(jī)，其最大死機(jī)時(shí)間也不會(huì)大于定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間。顯然，只有硬件完好，這種看門狗百分之百地保證了單片機(jī)不會(huì)長(zhǎng)時(shí)間死機(jī)。

比較常用的是以555定時(shí)器作為看門狗與單片機(jī)的RST相連接，如圖3所示，上電時(shí)通過(guò)電阻R1和R2對(duì)C4充電后3腳輸出低電平，單片機(jī)上電復(fù)位，開(kāi)始正常工作。通過(guò)調(diào)節(jié)電阻R2的阻值可以調(diào)整555定時(shí)器輸出電平的時(shí)間T，使之滿足單片機(jī)復(fù)位的時(shí)間要求，555輸出的時(shí)間應(yīng)能夠滿足單片機(jī)一次主循環(huán)的工作時(shí)間，使單片機(jī)能夠能夠完整的工作。

結(jié)語(yǔ)

本文簡(jiǎn)單介紹了比較典型的幾種看門狗工作方式及原理，在具體設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)考慮實(shí)際需求，采用最適合自己的看門狗設(shè)計(jì)方案，獲得更好的抗干擾效果。相反設(shè)計(jì)不合理的看門狗系統(tǒng)，不但不能提供系統(tǒng)的可靠性，反而會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作，所以在進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，看門狗設(shè)計(jì)作為重要的考慮對(duì)象。

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