【正文】 Watchdog電路 例 5 如圖 23所示電路為由定時器 /計數(shù)器 8253和可再觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器 74LS123組成的硬件“看門狗”電路，將 8253計數(shù)器 0設(shè)置成方式 0計數(shù)結(jié)束中斷方式，試分析其工作原理 單片機(jī)系統(tǒng)的可靠性與抗干擾技術(shù) 2022/2/14 78 硬件 Watchdog電路 解：將 8253計數(shù)器 0設(shè)置成方式 0計數(shù)結(jié)束中斷方式，寫入控制字后，輸出端 OUT為低電平作為初始狀態(tài)。因 GATE位始終為高電平，則允許計數(shù)。對計數(shù)器 0的計數(shù)器高字節(jié)和低字節(jié)連續(xù)兩次寫操作 (由方式控制字的 D5D4確定為 11)以啟動計數(shù)器工作。因通常選 8253的定時時間稍大于正常程序循環(huán)一次運行的時間，所以，若程序正常運行，則在計數(shù)值減到 0以前， CPU又重寫計數(shù)值，將重新啟動計數(shù)器，所以 OUT端仍為低電平， 74LS123的 端一直為高電平，不能復(fù)位 8051單片機(jī)。但若在計數(shù)器減到 0時 CPU未刷新計數(shù)值，說明程序飛掉或死循環(huán)，將產(chǎn)生溢出，則 GATE變?yōu)楦唠娖健?1”，相當(dāng)于74LS123的 A端輸入一個負(fù)跳變信號，則其進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)， 變?yōu)榈碗娖健?0”，取反后變?yōu)楦唠娖剑纯蓮?fù)位 8051單片機(jī)，使程序進(jìn)入 0000H重新執(zhí)行程序。 單片機(jī)系統(tǒng)的可靠性與抗干擾技術(shù) 2022/2/14 79 硬件 Watchdog電路 2. 由 MAX813L構(gòu)成的 Watchdog電路 MAX813L是一款帶有 WDT和電壓監(jiān)控功能的芯片，其輸入在 ，就會有復(fù)位輸出，同時，電壓監(jiān)控功能可以保證當(dāng)電源電壓低于 ，產(chǎn)生掉電輸出。此外，MAX813L還具有上電時自動產(chǎn)生 200ms寬的復(fù)位脈沖、人工復(fù)位功能，是一款能對 CPU提供良好保護(hù)的芯片。 MAX813L芯片的各引腳功能描述如表 3所示。 單片機(jī)系統(tǒng)的可靠性與抗干擾技術(shù) 2022/2/14 80 硬件 Watchdog電路 表 3 MAX813L引腳功能 引腳 功 能 MR 手動復(fù)位端。當(dāng)該端有 140ms以上低電平輸入時， MAX813L輸出 200ms寬的復(fù)位信號 Vcc 工作電源，接 +5V GND 工作地端 PFI 電源故障輸入端。當(dāng)該端輸入電壓低于 ， MAX813L的 PFO 端由高電平變?yōu)榈碗娖? PFO 電源故障輸出端。電源正常時保持高電平；電源電壓變低或掉電時，輸出由 高電平變?yōu)榈碗娖? WDI 看門狗信號輸入端。程序正常運行時，必須在小于 1． 6 s的時間間隔內(nèi)向該輸入端發(fā)送一個脈沖信號，以清除芯片內(nèi)部的看門狗定時器。若超過1． 6 s該輸入端收不到脈沖信號，則內(nèi)部定時器溢出， WDO 引腳由高電平變?yōu)榈碗娖健? RST 復(fù)位信號輸出端。上電時產(chǎn)生 200ms的復(fù)位脈沖；手動復(fù)位端輸入低電平時，該端也有復(fù)位信號輸出 WDO 看門狗信號輸出端。正常時保持高電平：看門狗輸出時，該端輸出由高電平 變?yōu)榈碗娖? 單片機(jī)系統(tǒng)的可靠性與抗干擾技術(shù) 2022/2/14 81 硬件 Watchdog電路 例 6 圖 24所示為 MAX813L與 80C51單片機(jī)的接口電路，該電路可以很好地實現(xiàn)“看門狗”、電源故障監(jiān)控即復(fù)位單片機(jī)的功能。試分析其工作原理。 圖 24 MAX813L與 80C51單片機(jī)的連接圖 單片機(jī)系統(tǒng)的可靠性與抗干擾技術(shù) 2022/2/14 82 硬件 Watchdog電路 解：該電路中，通過把 WDO與 MR直接相連，一旦程序跑飛，WDO變?yōu)榈碗娖剑⒈３?140ms以上。該信號將MAX813L復(fù)位，同時“看門狗”定時器被清零、 RST引腳輸出高電平，將單片機(jī)復(fù)位。 200ms結(jié)束后，單片機(jī)脫離復(fù)位狀態(tài)，重新恢復(fù)正常的程序運行。 當(dāng)電源正常時， PFI輸入大于 ，故障時，該值降低，電源故障輸出端 PFO的輸出將由高電平變?yōu)榈碗娖剑饐纹瑱C(jī)中斷， CPU響應(yīng)中斷，執(zhí)行中斷服務(wù)程序，實現(xiàn)數(shù)據(jù)保護(hù)、斷開外部用電電路等。所以該電路還具有上電使單片機(jī)自動復(fù)位，之后便自動監(jiān)視電源故障的功能。 單片機(jī)系統(tǒng)的可靠性與抗干擾技術(shù) 2022/2/14 83 軟件 Watchdog技術(shù) 1. 系統(tǒng)復(fù)位的 WDT 這種 WDT要求片內(nèi)定時器 T0(或 T1)工作在定時器方式，并允許中斷。程序運行時，對 T0初始化，使其定時時間稍大于程序運行時間，使之不會溢出。一旦程序因為干擾或故障出現(xiàn)死循環(huán)時， T0不再被定時初始化，經(jīng)過一段時間便會溢出，從而激活中斷服務(wù)程序，中斷服務(wù)程序調(diào)節(jié) PC值為 0000H，使系統(tǒng)重新運行。 單片機(jī)系統(tǒng)的可靠性與抗干擾技術(shù) 2022/2/14 84 軟件 Watchdog技術(shù) 下面是修改 PC值為 0000H的中斷服務(wù)程序 WDT0和片內(nèi)定時器 T0的初始化子程序 SETT0。 ORG 0000H LJMP MAIN ORG 000BH WDT0: MOV A, ＃ 00H POP R0 。彈出 CPU響應(yīng)中斷時壓入堆棧內(nèi)的 POP R0 故障發(fā)生處的 PC值 PUSH A 。把 PC值換成累加器的內(nèi)容，在此 PUSH A PC=0000H RETI 單片機(jī)系統(tǒng)的可靠性與抗干擾技術(shù) 2022/2/14 85 軟件 Watchdog技術(shù) ORG 0080H MAIN: …… ACALL SETT0 …… 。運行正常程序 SETT0: MOV TMOD, ＃ 01H 。置 T0為定時方式，方式 1 MOV IE, 82H 。開中斷 MOV TH0, ＃ Thi 。置定時常數(shù) MOV TL0, ＃ Tlow SETB TR0 。啟動定時器 T0 RET 注意：定時器 T0的定時常數(shù)應(yīng)稍大于主程序中循環(huán)調(diào)用 SETT0的間隔時間。 單片機(jī)系統(tǒng)的可靠性與抗干擾技術(shù) 2022/2/14 86 軟件 Watchdog技術(shù) 2. 就地恢復(fù)的 WDT 這種 WDT是指，由于干擾而使某一段程序未能正常執(zhí)行時，WDT能使系統(tǒng)從故障中恢復(fù)過來，重新執(zhí)行這段程序，而非系統(tǒng)從頭執(zhí)行。如果在程序重新執(zhí)行時干擾消失，系統(tǒng)雖然略有延遲，卻能恢復(fù)正常運行。 與系統(tǒng)復(fù)位的 WDT類似，就地恢復(fù)的 WDT也要求定時器T0(或 T1)工作在定時器方式，作 WDT用，中斷服務(wù)程序用以修改 PC的值。不同之處在于，要增加一段記錄程序，以返回正確地址的程序。這段記錄程序也可放在 T0的初始化子程序中。 T0的初始化與前述相同，是為了保證程序正常執(zhí)行時計數(shù)器不發(fā)生溢出。 單片機(jī)系統(tǒng)的可靠性與抗干擾技術(shù) 2022/2/14 87 軟件 Watchdog技術(shù) 下面是 T0初始化和程序返回點地址記錄子程序 REC，以及實現(xiàn) PC值調(diào)整的中斷服務(wù)子程序 WDT0。 ORG 0000H LJMP MAIN ORG 000BH WDT0: POP R0 。彈出故障處的 PC值 POP R1 MOV R1, 41H 。記錄在內(nèi)部 RAM中的正確返回地 PUSH R1 址送 PC MOV R0, 40H PUSH R0 SETB ET0 RET 單片機(jī)系統(tǒng)的可靠性與抗干擾技術(shù) 2022/2/14 88 軟件 Watchdog技術(shù) ORG 0080H MAIN: …… ACALL REC …… 。運行正常程序 REC: POP R0 。把棧頂保存的正確返回地址記錄在 MOV 40H, R0 片內(nèi) RAM40H、 41H中，供中斷服 務(wù)程序調(diào)整 PC用 POP R1 MOV 41H, R1 PUSH R1 PUSH R0 MOV TMOD, 01H MOV IE, ＃ 82H MOV TH0, Thi MOV TL0, Tlow SETB TR0 RET 單片機(jī)系統(tǒng)的可靠性與抗干擾技術(shù) 2022/2/14 89 軟件 Watchdog技術(shù) 3. 相互制約型 WDT 相互制約型 WDT的設(shè)計過程分為 3個部分。 (1) 計數(shù)器 T0監(jiān)視主程序的運行時間。在主程序中設(shè)置一個標(biāo)志變量，開始時，將該標(biāo)志變量清零，在主程序的結(jié)束處，將標(biāo)志變量賦給一個非零值 R。主程序在開始處啟動計數(shù)器 T0，計數(shù)器 T0開始計數(shù)，每中斷一次，就將設(shè)在中斷服務(wù)程序中的記錄中斷發(fā)生次數(shù)的整型變量 M加 1。設(shè)主程序正常結(jié)束時， M的值為 P(P值由調(diào)試程序者確定，并留有一定的裕度 )。在中斷服務(wù)程序中，當(dāng) M已等于 P時，讀取標(biāo)志變量，若其等于 R，可確定程序正常，若不等于，則可斷定主程序已“跑飛”或“死循環(huán)”，中斷服務(wù)須修改返回地址至主程序入口處。 單片機(jī)系統(tǒng)的可靠性與抗干擾技術(shù) 2022/2/14 90 軟件 Watchdog技術(shù) (2) 計數(shù)器 T1監(jiān)視計數(shù)器 T0的運行，原理與 (1)相同，通過在計數(shù)器 T0設(shè)置標(biāo)志變量，每中斷一次，該變量要加 1。計數(shù)器 T1在中斷服務(wù)程序中查看該值是否是前一次的值加上一個常量或近似常量，并以此確定計數(shù)器 T0是否在正常計數(shù)。若發(fā)現(xiàn)不正常，則可斷定主程序已“跑飛”或“死循環(huán)”，中斷服務(wù)須修改返回地址至主程序入口處。 (3) 主程序監(jiān)視計數(shù)器 T1。主程序在各功能模塊的開始處儲存計數(shù)器 T1的當(dāng)前計數(shù)值于某一變量 L，在功能模塊的結(jié)束處，若程序正常，則計數(shù)器 T1的計數(shù)值會改變?yōu)?P。通過前后 L與 P的比較，若值不相同，則可確定計數(shù)器 T1正常；若 L等于 P，則計數(shù)器 T1出現(xiàn)錯誤，主程序要返回 0000H，進(jìn)行出錯處理。 單片機(jī)系統(tǒng)的可靠性與抗干擾技術(shù) 2022/2/14 91 軟硬件結(jié)合的 Watchdog技術(shù) 硬件“看門狗”技術(shù)能有效監(jiān)視程序陷入死循環(huán)故障，但對中斷關(guān)閉故障無能為力；軟件“看門狗”技術(shù)對高級中斷服務(wù)程序陷入死循環(huán)無能為力。在實際應(yīng)用中，可以將硬件“看門狗”與軟件“看門狗”同時使用。實踐證明，將兩者結(jié)合起來后，程序的可靠性會大大提高。 綜上所述，單片機(jī)系統(tǒng)由于受到嚴(yán)重干擾而使程序“跑飛”、陷入“死循環(huán)”或中斷關(guān)閉等故障時，可以通過指令冗余技術(shù)、軟件陷阱技術(shù)和“看門狗”技術(shù)等，使程序納入正軌。若因故障而復(fù)位進(jìn)入 0000H后，系統(tǒng)要執(zhí)行辨別上電方式、RAM數(shù)據(jù)的檢查與恢復(fù)和清除中斷激活標(biāo)志等一系列操作，然后根據(jù)功能模塊的運行標(biāo)志，確定入口地址。