單片機(jī)開發(fā)
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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)用越來越廣。它將許多以往硬件實現(xiàn)的功能由軟件來完成，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)場比較復(fù)雜，存在來自系統(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，對系統(tǒng)的可靠性方面帶來許多問題。這些干擾會導(dǎo)致單片機(jī)程序飛到一個臨時構(gòu)成的死循環(huán)或PC指針落到程序存儲器芯片地址之外。這種情況下冗余指令和軟件陷阱都無法解決，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)就是一個能發(fā)出復(fù)位信號的定時器電路。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)可以分為單時限看門狗、雙時限看門狗，定時復(fù)位看門狗。本文主要介紹看門狗技術(shù)的實現(xiàn)方法及原理。
目前最廣泛的看門狗電路實際上是一個特殊的定時器電路?？撮T狗按固定速率計時，計滿預(yù)定時間就發(fā)出溢出脈沖使單片機(jī)復(fù)位。如果每次在定時器溢出前強(qiáng)行讓定時器清零，就不會發(fā)出溢出脈沖。清零脈沖由CPU發(fā)出，在單片機(jī)中看門狗不會溢出。一旦程序進(jìn)入一個不含喂狗語句的死循環(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為例來介紹單時限及雙時限看門狗實現(xiàn)方式。
二、單時限看門狗
只使用單個看門狗定時器來控制單片機(jī)復(fù)位端的方式稱為單時限看門狗，在電路實現(xiàn)上較為簡單，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看門狗芯片實現(xiàn)的單時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，P1.1接收X5045的串行數(shù)據(jù)，P1.2提供串行時鐘，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，每隔一定的時間間隔放置一條“喂狗”指令，該時間間隔小于X5045預(yù)制的定時時間，以保證程序正常運(yùn)行時X5045不會溢出；而程序一旦出現(xiàn)異常，X5045將超時溢出，并通過RST引腳送出一個復(fù)位信號是單片機(jī)復(fù)位，重新開始運(yùn)行程序。
三、雙時限看門狗
有一個錯誤觀點：加了一個看門狗，單片機(jī)就不會死機(jī)。實際上，看門狗有時會完全失效。當(dāng)程序進(jìn)入某個死循環(huán)，而這個死循環(huán)中又包含喂狗語句，這時看門狗始終不會溢出，單片機(jī)始終得不到復(fù)位信號，程序也就始終跳不出這個死循環(huán)。針對這一弊端，就需設(shè)計一個雙時限看門狗系統(tǒng)。圖2給出了雙時限看門狗硬件電路。在單時限看門狗的基礎(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超時溢出，則使單片機(jī)復(fù)位。
雙時限看門狗有兩個定時器：一個為短定時器，一個為長定時器。短定時器定時為T1，長定時器定時為T2，0<T1≤T2；長、短定時器的喂狗是各自獨立的。短定時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；長定時器的定時T2大于CPU執(zhí)行一個主循環(huán)程序的時間，并且每一個主循環(huán)才喂狗一次，用來防止看門狗失效。
這樣，當(dāng)程序進(jìn)入某個死循環(huán)，如果這個死循環(huán)包含短定時器喂狗語句而不包含長定時器喂狗語句。那么長定時器終將溢出，使單片機(jī)復(fù)位。巧妙安排長定時器喂狗語句的位置，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：一個保險設(shè)備能否起到保險作用還依賴于被它保護(hù)的對象的行為。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、定時復(fù)位看門狗
定時復(fù)位看門狗的主體也是一個定時器，到預(yù)定時間就發(fā)出溢出脈沖，此溢出脈沖使單片機(jī)強(qiáng)行復(fù)位。定時復(fù)位看門狗不需要CPU喂狗。
簡言之，定時復(fù)位看門狗就是定時地讓單片機(jī)強(qiáng)行復(fù)位。這樣，即使裝置死機(jī)，其最大死機(jī)時間也不會大于定時器的定時時間。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)不會長時間死機(jī)。
比較常用的是以555定時器作為看門狗與單片機(jī)的RST相連接，如圖3所示，上電時通過電阻R1和R2對C4充電后3腳輸出低電平，單片機(jī)上電復(fù)位，開始正常工作。通過調(diào)節(jié)電阻R2的阻值可以調(diào)整555定時器輸出電平的時間T，使之滿足單片機(jī)復(fù)位的時間要求，555輸出的時間應(yīng)能夠滿足單片機(jī)一次主循環(huán)的工作時間，使單片機(jī)能夠能夠完整的工作。
結(jié)語
本文簡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)計過程中，應(yīng)考慮實際需求，采用最適合自己的看門狗設(shè)計方案，獲得更好的抗干擾效果。相反設(shè)計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)計時，看門狗設(shè)計作為重要的考慮對象。
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