单片机应用系统中的看门狗技术

第21卷第2期 吉林大学学报(信息科学版) V ol.21　N o.2 2003年5月 JOURNAL OF JILIN UNIVERS ITY(IN FORM AT ION SCIENC E EDITION) M ay2003文章编号:1671-5896(2003)02-0205-04单片机应用系统中的看门狗技术胡　屏1,柏　军2(1.哈尔滨工业大学威海分校信息与控制工程系,山东威海　264209;2.哈尔滨工业大学威海分校计算机科学与工程系,山东威海　264209)摘要:分析研究了单片机应用系统中软件看门狗、单/双时限和强制复位看门狗等几种常见的看门狗技术及具体的实现方法,从提高看门狗工作可靠性的角度,分析了各种看门狗方案的优缺点,给出了基本的硬件电路和软件控制策略,指出了在设计和应用过程中需注意的一些问题。

关键词:单片机;看门狗;抗干扰;X5045看门狗定时器中图分类号:T P39 文献标识码:A引　言随着单片机技术的发展和制造工艺的日益成熟,单片机的应用领域不断拓宽,但由于单片机自身的抗干扰能力较差,尤其是在一些条件比较恶劣,噪声大的场合,常会出现单片机因受外界干扰而导致死机的现象,造成系统不能正常工作。

设置看门狗是防止单片机死机、提高单片机系统抗干扰性的一种重要途径,笔者研究分析了几种较为实用的看门狗技术,供读者参考。

1　软件看门狗软件看门狗是利用单片机片内闲置的定时器/计数器单元作为看门狗,在单片机程序中适当地插入“喂狗”指令,当程序运行出现异常或进入死循环时,利用软件将程序计数器PC赋予初始值,强制性地使程序重新开始运行。

具体实现方法如下。

1)首先在初始化程序中设置好定时器/计数器的方式控制寄存器(T MOD)和定时时间的初值,并开中断。

2)根据定时器的定时时间,在主程序中按一定的间隔插入复位定时器的指令,即插入“喂狗”指令,两条“喂狗”指令间的时间间隔(可由系统时钟和指令周期计算出来)应小于定时时间,否则看门狗将发生误动作。

3)在定时器的中断服务程序中设置一条无条件转移指令,将程序计数器PC转移到初始化程序的入口。

以M CS-51系列单片机为例,晶振频率为12MHz,定时器T0工作在方式1,定时时间为20ms,则定时器T0的初值应设为T H0=B1H、T L0=E0H,具体程序段如下。

ORG 0000H AJMP INITORG000BHSERVT0:AJMP INIT;定时器T0溢出中断服务ORG0100HINIT:M OV TM OD,#01H;定时器T0工作在方式1a收稿日期:2002-11-04作者简介:胡屏(1969—　)女,吉林长春人,哈尔滨工业大学讲师,工学硕士,主要从事应用电子研究,E-mail:h uping111 @。

吉林大学学报(信息科学版)第21卷M OV TH0,#0B1HM OV TL0,#0E0H;设置定时器T0的初值SET B ET0;定时器T0中断允许SETB EA;CPU开中断SET B TR0;启动定时器T0M OV SP,#10H;设置栈底M OV A,#00HPUSH AM OV A,#02HPUSH A;在堆栈中存放主程序入口地址RETI;PC指向主程序入口并恢复中断设置ORG0200HM AIN:…CLR TROM OV TH0,#0B1HM OV TL0,#0E0HSET B TR0;重置定时器T0的初值并启动,即“喂狗”…当程序正常运行时,定时器不会发生溢出;而程序运行异常时,定时器超时溢出并产生中断,通过中断服务程序强行使PC回到起始位置,从而恢复程序的正常运行。

但这里必须注意一点,由于定时器溢出产生中断时,CPU所执行的中断服务程序是一条无条件转移指令,PC被强行从中断服务程序中拉出,而中断服务程序并未真正结束,即未执行中断返回指令RETI。

此时片内的中断优先级触发器仍处于置位状态,这将使同级的其他中断请求被屏蔽,为此应在初始化程序结束前放置一条RETI指令,并对堆栈和堆栈指针SP作相应的处理(在堆栈的栈顶预留两个字节单元,用来存放主程序的入口地址),以保证初始化程序结束后,优先级触发器被复位,使中断系统正常工作,并开始顺序执行主程序。

软件看门狗的最大特点是无需外加硬件电路,经济性好。

当然,如果片内的定时器/计数器被占用时,就需寻求其他的设计方式了。

2　专用硬件看门狗专用硬件看门狗是指一些集成化的或集成在单片机内的专用看门狗电路,它实际上是一个特殊的定时器,当定时时间到时,发出溢出脉冲。

从实现角度上看,该方式是一种软件与片外专用电路相结合的技术,硬件电路连接好以后,在程序中适当地插入一些看门狗复位的指令(即“喂狗”指令),保证程序正常运行时看门狗不溢出;而当程序运行异常时,看门狗超时发出溢出脉冲,通过单片机的RESET引脚使单片机复位。

在这种方式中,看门狗能否可靠有效地工作,与硬件组成及软件的控制策略都有密切的关系。

目前常用的集成看门狗电路很多,如M AX705～708、M AX791、MAX813L、X5043/5045等。

X5045是XICOR公司的产品,它是一种可编程的专用看门狗定时器,定时时间可通过软件进行选择(200ms, 600m s, 1.4s),内部包含看门狗电路、电压监控电路和4KB E2PROM等。

X5045的工作时序如图1所示,图中T CS T是定时器触发脉冲(负脉冲)的宽度,T WDO是定时器的溢出周期(可编程),T RS T是定时器溢出脉冲的宽度。

下面以X5045为例介绍两种硬件看门狗的实现方法。

2.1　单时限看门狗硬件电路如图2所示,图中单片机的P1.0为X5045提供片选信号和看门狗复位信号,P1.1接收X5045的串行数据,P1.2提供串行时钟,P1.3向X5045发送串行数据,X5045的RST引脚(漏极开路)输出看门狗溢出信号,与单片机的RESET引脚相连,用于复位单片机。

单片机程序中,每隔一定的时间间隔放置一条“喂狗”指令(即在P1.0输出一个下降沿),该时206图1　X 5045触发和溢出时序图F ig.1X5045T r ig ger and o uttiming 图2　单时限看门狗电路Fig.2Sing le per io d w atch-dog circuit间间隔应小于X5045预制的定时时间,以保证程序正常运行时X5045不会溢出;而一旦程序出现异常,X 5045将超时溢出,并通过RST 引脚送出一个复位信号使单片机复位,重新开始运行程序。

该方法硬件电路简单、控制方便,因此最为常用。

在大多数情况下,由于某种干扰使程序计数器PC 跳出有效的程序区,造成死机现象,此时看门狗是起作用的。

但有一种情况,如果程序进入了某个死循环,而这个死循环中又含有“喂狗”指令,此时单片机将无法复位,看门狗也就失效了。

也就是说,采用此种方法并不能保证看门狗百分之百可靠有效。

2.2　双时限看门狗图3　双时门看门狗电路F ig.3D ouble period w atch-do gcircuit 为弥补单时限看门狗的缺陷,可采用图3所示的双时限看门狗。

硬件上采用两个独立的看门狗电路WD1和WD2,利用单片机的P1.0～P1.3控制W D1,用P1.4～P 1.7控制WD 2,每片看门狗超时溢出均可导致单片机复位。

单片机程序中将WD1和WD2的定时时间设置为两个不同的时限:一个短定时,一个长定时。

例如将WD1和WD 2的定时时间分别设为200ms 和1.4s 。

其中短时限看门狗WD1的控制方式与前述的单时限看门狗相同,即在程序中每隔一段时间(应小于200ms)插入一条“喂狗”指令,循环程序中也可以包含“喂狗”指令。

对于长时限看门狗WD 2,在整个程序中只插入一条喂狗指令,但不要放在循环程序中,且保证其定时时间大于整个程序的运行周期。

当出现一般异常情况时,短时限看门狗WD 1能够有效工作,且具有较快的反应速度,而当程序进入含有WD1的“喂狗”指令的死循环时,W D1将失效,而长时限看门狗WD2终将超时溢出使单片机复位。

此种方式以增加硬件投入为代价来提高看门狗工作的可靠性。

3　强制复位看门狗要保证硬件看门狗有效地工作,在硬件电路可靠工作的前提下,还要在单片机程序中合理地放置“喂狗”指令,也就是说,被保护者能否得到有效的保护,还要依赖其本身的行为。

引起单片机死机的因素往往很多,情况也比较复杂,设计者在编程时难免有考虑不周的地方,即使加了专用硬件看门狗,也不能完全杜绝单片机死机的现象。

在一些绝对不允许死机的单片机应用场合,可采用一种不依赖于单片机程序控制的定时复位看门狗。

如图4所示,在单片机外放置一个以NE555为核心的振荡器,每隔一定时间间隔从NE555的OUT 引脚输出一个正脉冲,无论系统是否死机,都强行使单片机复位。

该看门狗电路的工作时序如图5所示,其中NE555输出信号的高、低电平维持时间分别为:T H =207第2期胡屏,等:单片机应用系统中的看门狗技术0.7(R 1+R 3)C 1,T L =0.7(R 2+R 4)C 1。

图4　强制复位看门狗电路Fig .4Fo rced reset w atch -dog circuit 图5　强制复位看门狗工作时序图Fig .5Fo rced reset w atch -dog w or k timing通过调节电位器R3的值R 3,可以调整T H ,使之满足单片机复位信号RESET 的时间要求;调节电位器R4的值R 4,可以改变T L ,T L 至少应大于单片机程序的一个运行周期,且应保证一些重要的程序段不被打断,以免系统产生误操作。

4　结束语为了提高单片机系统的抗干扰能力,看门狗已经成为系统中不可缺少的一员,在具体实施方面,设计者应综合考虑系统资源、经济性、可靠性等多方面因素,合理制定看门狗的控制方案,提高系统的性能价格比。

参考文献:[1]陈粤初,窦振中(CHEN Y ue-chu,DOU Z hen-zho ng ).单片机应用系统设计与实践(Desig n and P ractice o f Sing le-chip M icr oco mputer A pplication Sy stems )[M ].北京:北京航空航天大学出版社(Beijing:A viatio n and Spaceflig ht Colleg e Pr ess ),1991.[2]潘新民,王燕芳(PA N Xin-min,WA N G Y an-fang ).单片微型计算机实用系统设计(P ractical Sy st em Desig n ofSingle -chip M icr ocomputer )[M ].北京:人民邮电出版社(Beijing :P eople's P ress of P ost T elepho ne andT elegr aph),1992.[3]李勋,刘源(L I X un ,LI U Yuan ).单片机实用教程(P ra ct ical Co ur se of Sing le -chip M icr oco mputer )[M ].北京:北京航空航天大学出版社(Beijing :A v iation and Spaceflight Co llege P ress ),2000.[4]李维国,俞晓红(LI W ei-guo ,YU X iao -hong ).一种新的单片机“看门狗"电路软件设计方法(A n N ew Soft war eDesig n M et ho d of W atch -dog Cir cuit in Single -chip M icro co mput er )[J ].国外电子元器件(O ver seas Electr onic Components).2000,10.[5]王大海(W A NG D a -hai ).基于CP L D 技术的看门狗电路的设计(Design o f W atch -dog Cir cuit Based on CPL DT echnolog y)[J].电子工程师(Electr onic Engineer ).2002,8.Watch-dog technologies in single-chip microcomput er application systemsHU Ping 1,BAI Jun2(1.Department of Inform ation Control,Harb in Ins titu te of Tech nology (W eihai),W eihai 264209Ch ina;2.Department of C om puter Science ,Harbin In stitute of T echnology (Weihai ),W eih ai 264209C hina )Abstract :Sever al W atch-Dog T echno logies(WDT ),such as Software WDT,Sing le/Double period and Fo rced reset WDT ,in sing le-chip m icrocom puter applicatio n sy stem s and their implem entation metho ds are intr oduced .Basic har dw are cir cuits ,softw are control methods are propo sed ,and co rresponding merits ar e r espectively analyzed .T o improve the reliability of w atch -dog s ,it is po inted out that som e pr ecautions ar e needed during design and applicatio n.Key words :Sing le -chip micro com puter ;Watch -dog ;Anti -jam ming ;X 5045w atch -do g tim er 208吉林大学学报(信息科学版)第21卷。