單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的看門狗電路及低成本實(shí)現(xiàn)_圖文

1、2008年第2期商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)V01.7,No.2第7卷(總第35期JOURNAL OF SHANGQIU VOCATIONAL AND TECHNICAL COLLEGE Apr.,2008文章編號(hào)-16718127(200802-0063一04單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的“看門狗電路及低成本實(shí)現(xiàn)張宏偉,丁潔(商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南商丘476000摘要:單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)在工作環(huán)境比較惡劣時(shí)受到干擾,使系統(tǒng)產(chǎn)生死循環(huán)這種情況,可采用“看門狗”技術(shù)解決,由硬件、軟件實(shí)現(xiàn).提高單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力.本文給出了一種由門電路及阻容元件構(gòu)成的低成本“看門狗”電路實(shí)現(xiàn)方法.關(guān)鍵詞:單片機(jī);抗干擾;

2、看門狗;低成本中圖分類號(hào):TM4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A0引言單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)在工業(yè)自動(dòng)化、生產(chǎn)過程控制、智能化儀器儀表等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用.單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的工作環(huán)境往往是比較惡劣和復(fù)雜的,單片機(jī)不可避免的要受到來自外部的干擾系統(tǒng)及內(nèi)部和外部的各種電氣干擾的影響.這時(shí)單片機(jī)可能會(huì)出現(xiàn)輸入、輸出錯(cuò)誤,甚至?xí)蓴_到程序指針PC,使其發(fā)生錯(cuò)誤,那就有可能誤將非操作碼當(dāng)作操作碼來執(zhí)行,會(huì)造成程序執(zhí)行混亂甚至進(jìn)入死循環(huán),使系統(tǒng)無法正常運(yùn)行.因此如何發(fā)現(xiàn)CPU受到干擾,如何攔截失去控制的程序的流向,使程序納入正常軌道是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中必須解決的問題.通常采取的方法有指令冗余、軟件陷阱、“看門狗”技術(shù).指令冗余技術(shù)、軟

3、件陷阱技術(shù)可以使大多數(shù)失控的程序走向正常.但是當(dāng)失控程序形成了死循環(huán),指令冗余技術(shù)、軟件陷阱技術(shù)就無能為力了,只有人工的干預(yù)或者采用程序監(jiān)視技術(shù)(又稱為“看門狗”技術(shù)Watchdog,才能使系統(tǒng)脫離死循環(huán).1看門狗技術(shù)基本原理“看門狗”實(shí)質(zhì)上是一個(gè)程序監(jiān)視定時(shí)器.它的定時(shí)時(shí)間是固定不變的,一旦定時(shí)時(shí)間到,產(chǎn)生中斷或輸出一個(gè)脈沖,強(qiáng)制單片機(jī)復(fù)位,程序指針Pc恢復(fù)初始值,從而使程序恢復(fù)正常運(yùn)行.因此在單片機(jī)正常工作時(shí),程序不斷地在定時(shí)時(shí)間到來之前對(duì)定時(shí)器復(fù)位,定時(shí)器就不會(huì)產(chǎn)生中斷或溢出脈沖.如果因干擾而出現(xiàn)死循環(huán),定時(shí)器不能及時(shí)復(fù)位,定時(shí)時(shí)間到,會(huì)產(chǎn)生中斷或輸出一個(gè)脈沖,強(qiáng)制單片機(jī)復(fù)位"

4、o.由于在單片機(jī)中使用“看門狗”技術(shù)能有效解決因干擾導(dǎo)致死循環(huán)的問題,所以很多單片機(jī)在其內(nèi)部已經(jīng)集成了硬件“看門狗”.對(duì)于沒有集成硬件“看門狗”的單片機(jī),在需要的時(shí)候,可以使用軟件“看門狗”或者外接一個(gè)硬件“看門狗”電路.2硬件“看門狗”硬件“看門狗”必須通過兩根信號(hào)線與單片機(jī)連接,其中一根信號(hào)線用于檢測(cè)單片機(jī)工作狀態(tài).當(dāng)單片機(jī)正常工作時(shí),單片機(jī)通過該信號(hào)線不斷的用小于“看門狗”定時(shí)時(shí)間的周期脈沖信號(hào)輸入“看門狗”電路,使“看門狗”定時(shí)器復(fù)位.當(dāng)單片機(jī)受到干擾而陷入死循環(huán)的時(shí)候,無法使“看門狗”電路定時(shí)器復(fù)位,定時(shí)時(shí)/間到以后,“看門狗”通過另一根信號(hào)線輸出復(fù)位信號(hào),使單片機(jī)復(fù)位,系統(tǒng)重新啟動(dòng)

5、,從而恢復(fù)正常.2.1單穩(wěn)態(tài)型“看門狗”利用一片74LSl23雙可重觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器構(gòu)成I166-167,“看門狗”電路如圖1所示.圖中收稿日期:2007一II19作者簡(jiǎn)介:張宏偉(1971一,男,河南商丘人,商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師,主要從事嵌入式系統(tǒng)教學(xué)與研究;丁潔(1975一,女,河南永城人,商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師,主要從事數(shù)字信息處理教學(xué)與研究.632008正商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)74LSl23觸發(fā)器的輸入端接高電平,負(fù)脈沖觸發(fā).第一個(gè)觸發(fā)器工作狀態(tài)由單片機(jī)Pl口的P1.7控制,系統(tǒng)開始工作時(shí),P1.7向2A端輸入一個(gè)負(fù)脈沖,使2Q端產(chǎn)生一個(gè)正跳變,但并不能觸發(fā)第二個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器動(dòng)作,lQ

6、端仍為低電平.P1.7負(fù)觸發(fā)脈沖的時(shí)間間隔取決于系統(tǒng)控制主程序運(yùn)行周期.在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)中,軟件流程要設(shè)計(jì)成循環(huán)結(jié)構(gòu).發(fā)出喂狗信號(hào)的指令包含在主程序中,使用CLR P1.7和SETB P1.7兩條指令.如果主程序運(yùn)行周期小于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的暫態(tài)時(shí)間,則當(dāng)單片機(jī)正常運(yùn)行時(shí),將不斷重新觸發(fā)第二個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,其輸出端2Q端始終保持高電平,1A端保持高電平,第一個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器就不會(huì)產(chǎn)生動(dòng)作.如果單片機(jī)受到干擾,產(chǎn)生了死循環(huán),那么第二單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的暫態(tài)時(shí)間內(nèi),就不會(huì)出現(xiàn)送給2A端的負(fù)脈沖,第二個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器脫離暫態(tài),2Q端回到低電平觸發(fā)第一個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)到暫態(tài),1Q端產(chǎn)生脈沖信號(hào),使單片

7、機(jī)可靠復(fù)位,系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性大大提高.7_一Cl6_-一9101l U1日氏二Cat:Q BCLR 口口口134D 圖1由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器構(gòu)成的“看門狗”電路2.2計(jì)數(shù)器型“看門狗”CD4060為14位二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)/分頻/振蕩器,由它組成的“看門狗”電路如圖2所示.正常情況下8031單片機(jī)每隔一段時(shí)間,11,就將cn40fi0復(fù)位一次,一旦由于某種原因?qū)е翪PU失控,CIM060不能及時(shí)被復(fù)位,就經(jīng)過他時(shí)間(,12>T1從Ql端輸出高電平,一方面使測(cè)控系統(tǒng)復(fù)位并脫離死循環(huán);另一方面還將CD4060復(fù)位,Q14變成低電平,使“看門狗”電路也復(fù)位口】3俳375.熹h仁=守蘭I蘆墜壘C2研一10

8、D CIB 口口j COOT q6Q7CODa'口809矗ST Q10Q1:3CD4060饕10K圖2由計(jì)數(shù)器構(gòu)成的“看門狗”電路2.3由門電路構(gòu)成“看門狗”電路在電路的設(shè)計(jì)中往往會(huì)有多余的門電路,這時(shí)可以用作“看門狗”電路,既降低了成本,又提高了電路的可靠性.電路形式可以有很多種,特別在89C1051/2051的應(yīng)用電路中,利用其P1.O/P1.1口沒有上拉電阻的特點(diǎn),可以用兩個(gè)CMOS f-j電路(本例中是六反相器CD4069中的兩個(gè)空余反相器設(shè)計(jì)一個(gè)極簡(jiǎn)單的低成本“看門狗”電路,如圖3.由于需要的定時(shí)時(shí)間比較長(zhǎng),因此只能使用輸入阻抗高的CMOS門電路,當(dāng)然也64眥一眥B眥張宏偉。

9、丁潔:單片機(jī)應(yīng)和系統(tǒng)中的“看門狗”電路及低成本實(shí)現(xiàn)第2期可以用電路中多余的旋密特觸發(fā)器或者電壓比較器實(shí)現(xiàn).當(dāng)主程序循環(huán)時(shí)間很短時(shí),也可以只用兩個(gè)反相器串聯(lián),去掉兩只電阻,進(jìn)一步降低了成本.在主程序初始化部分應(yīng)該把P1.0/P1.1口置位,以使用P1.0I:1為例,在主程序中使用下列指令序列:CLR PI.0;電容放電,單穩(wěn)態(tài)電路復(fù)位NOPNOPSETB PI.0;在單片機(jī)正常工作時(shí),會(huì)不斷地給電容放電,輸出端始終為低電平;當(dāng)單片機(jī)陷入死循環(huán)時(shí),電容由于充電,其電壓不斷升高,直至電路狀態(tài)翻轉(zhuǎn),輸出高電平,使單片機(jī)復(fù)位.需要指出的是:由于死循環(huán)是程序計(jì)數(shù)器PC發(fā)生錯(cuò)誤,把操作碼誤當(dāng)成操作數(shù)執(zhí)行,偶

10、然的情況下形成的,所以會(huì)執(zhí)行意想不到的指令.如果在死循環(huán)中有把P1.0/P1.1口復(fù)位的指令,該“看門狗”電路會(huì)失去作用.為了提高可靠性,可以在輸入端增加一個(gè)微分電路并增加一個(gè)三極管給電容放電,同時(shí)修改指令.圖3由門電路構(gòu)成的“看門狗”電路3軟件“看門狗”利用單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)/計(jì)數(shù)器1D、Tl作“看門狗”,其方法是在主程序一開始就啟動(dòng)計(jì)數(shù)器工作,主程序中增設(shè)定時(shí)器賦值指令,使定時(shí)器維持在非溢出工作狀態(tài),定時(shí)時(shí)間要稍大于程序一次循環(huán)的執(zhí)行時(shí)間.程序正常循環(huán)執(zhí)行一次給定時(shí)器送一次初值,使其不能溢出.若程序失控或進(jìn)人死循環(huán),定時(shí)器計(jì)數(shù)滿溢出中斷,在中斷服務(wù)程序中實(shí)現(xiàn)軟件復(fù)位,使主程序自動(dòng)復(fù)位進(jìn)入初始

11、狀態(tài),強(qiáng)制性使程序重新運(yùn)行31舳一47.程序如下:ORG0000H;程序起始地址START:&IMP MAIN;主程序人口地址ORO000BH;TO中斷入口地址LJMP ERR;轉(zhuǎn)人錯(cuò)誤處理,實(shí)現(xiàn)軟件復(fù)位MAIN:SETB EA;開總中斷SETB ETO.;開,ID中斷SETB TR0;啟動(dòng)rIDMOV TMOD,#Ol H;TO定時(shí)方式lMAINI:MOV THO,datalMOV TLO,data2;給定時(shí)器rID賦初值.;用戶程序LJMP MAININOPNOPERR:CLR EA;關(guān)中斷652008笠商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)MOV DPTR.#ERRl PUSH DPLPUSH D

12、PHRErIIERRl:CLR APUSH ACCPUSH ACCRETIEND ;準(zhǔn)備返回地址;清除高級(jí)中斷激活標(biāo)志;準(zhǔn)備復(fù)位地址;壓入復(fù)位地址;清除低級(jí)中斷激活標(biāo)志需要特別指出的是:在中斷服務(wù)程序中不能簡(jiǎn)單的用一條LJMP START來實(shí)現(xiàn)軟件的復(fù)位,因?yàn)楦蓴_造成的死循環(huán)有可能發(fā)生在中斷服務(wù)程序中,這時(shí)中斷激活標(biāo)志就已經(jīng)置位.如果簡(jiǎn)單的把PC復(fù)位,因?yàn)橹袛嗉せ顦?biāo)志依然置位,這樣程序就不能正常的響應(yīng)中斷.必須把中斷激活標(biāo)志復(fù)位,才能真正實(shí)現(xiàn)單片機(jī)軟件模擬復(fù)位,效果才能和硬件復(fù)位相同.4結(jié)論在實(shí)際應(yīng)用測(cè)控系統(tǒng)中,可采用硬件“看門狗”技術(shù),也可采用軟件“看門狗”技術(shù).軟件“看門狗”不需要增加外部

13、電路,經(jīng)濟(jì)性好,但是軟件“看門狗”需要占用內(nèi)部定時(shí)器資源,這在有些場(chǎng)合是不允許的.而且,軟件“看門狗”本身也可能因?yàn)楦蓴_而失效,所以其可靠性低于硬件“看門狗”.所以應(yīng)綜合考慮系統(tǒng)資源、經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性、合理制定“看門狗”技術(shù)方案.必須指出,“看門狗”在外部強(qiáng)烈干擾時(shí)也可能失效,另外“看門狗”技術(shù)只是“最后一招”,作為防范來使用.最重要的抗干擾措施是外部干擾的屏蔽和程序的良好設(shè)計(jì),否則“看門狗”頻繁使單片機(jī)復(fù)位,系統(tǒng)無法正常工作.參考文獻(xiàn):1舒懷林.單片機(jī)原理與接口技術(shù)M.武漢:華中理工大學(xué)出版社,2001.2沙占友.模擬與數(shù)字萬用表檢測(cè)及應(yīng)用技術(shù)M.北京:電子工業(yè)出版社,2000.3周航慈.單片

14、機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)技術(shù)M.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1991責(zé)任編輯馮喜忠The Realization of Watchdog Circuit and LOW Costin the Single Chip Microcomputer Application SystemZHANG Hongwei.DING Jie(Shangqiu Vocational&Technical College,Shangqiu476000,ChinaAbstract:With considering unableending cycle in the process u￥e of single chip

15、microcomputer system,this article discusses the ways of avoiding programsin single chip microcomputer going into unable-ending cycle by using software and hardware watchdog technology when single chip microcompurer system is disturbed.whichcM improve the reliability and antiinterference ability of s

16、ingle chip application system.This article also proposes a method of watchdog circuit in low cost.Key words:single chip microcomputer;antiinterference;watchdog;low c08t66 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的"看門狗"電路及低成本實(shí)現(xiàn)作者:張宏偉, 丁潔, ZHANG Hong-wei, DING Jie作者單位:商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南,商丘,476000刊名:商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)英文刊名:JOURNAL OF SHANGQ

17、IU VOCATIONAL AND TECHNICAL COLLEGE年,卷(期:2008,7(2引用次數(shù):0次參考文獻(xiàn)(3條1.舒懷林單片機(jī)原理與接口技術(shù) 20012.沙占友模擬與數(shù)字萬用表檢測(cè)及應(yīng)用技術(shù) 20003.周航慈單片機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)技術(shù) 1991相似文獻(xiàn)(10條1.期刊論文黃巖.Huang Yan單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的抗干擾-設(shè)備管理與維修2007(11闡述單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)干擾的來源及后果,從理論上分析了單片機(jī)系統(tǒng)抗干擾的措施;介紹了當(dāng)程序運(yùn)行混亂時(shí),使程序重入正軌在軟件設(shè)計(jì)上應(yīng)采取的抗干擾方法.2.會(huì)議論文甘勇單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和一種測(cè)試方法1996由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)各種干擾的影響,

18、可靠性是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)所面臨的最大問題,如何有效的檢測(cè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾能力,從而改進(jìn)設(shè)計(jì)、提高產(chǎn)品的可靠性是人們一直關(guān)心和研究的問題。該文介紹了ECS801電磁兼容性測(cè)試國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾測(cè)試技術(shù)。3.期刊論文劉美星利用單片機(jī)的等待方式實(shí)現(xiàn)抗干擾-硅谷2009(11CHMOS和CMOS單片機(jī)屬于低功耗元件,它們都具有等待方式和掉電方式.兩種節(jié)電方式均可通過軟件來選擇運(yùn)行.在這兩種節(jié)電運(yùn)行方式下,可大大降低單片機(jī)的功耗.使用單片機(jī)的等待方式,不僅可降低其功耗,還可用于增強(qiáng)其抗干擾能力.以80C31單片機(jī)為例說明使用其等待方式實(shí)現(xiàn)其抗干擾的原理及技術(shù).4.期刊論文李雪松.許峰單片機(jī)

19、應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾問題的解決方案-信息技術(shù)2002(2單片機(jī)在應(yīng)用過程中,干擾是必不可免的,因此,單片機(jī)抗干擾問題的解決,是單片機(jī)應(yīng)用中的重要環(huán)節(jié).在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,通過硬件和軟件設(shè)計(jì)都可以解決干擾問題,但軟件解決方案,更經(jīng)濟(jì)、更有效,它可以提高應(yīng)用系統(tǒng)的工作準(zhǔn)確性、工作穩(wěn)定性.即利用軟件設(shè)計(jì)技術(shù),全面提高應(yīng)用系統(tǒng)的抗干擾能力.5.期刊論文王立明單片機(jī)在抗干擾測(cè)試儀中的應(yīng)用-微計(jì)算機(jī)信息(測(cè)控儀表自動(dòng)化2002(1抗干擾測(cè)試儀能對(duì)各種電子儀器進(jìn)行EMC(電磁兼容性測(cè)試,本文介紹了用單片機(jī)開發(fā)的高頻信號(hào)抗干擾測(cè)試儀的原理,硬件結(jié)構(gòu)及軟件實(shí)現(xiàn)方法. 6.期刊論文夏銘.顏群.Xia Ming.Yan Qun單片機(jī)抗干擾技術(shù)研究-電腦與電信2008(5單片機(jī)的應(yīng)用環(huán)境往往比較復(fù)雜,面臨各種干擾,其可靠性問題已經(jīng)成為研究熱點(diǎn).總結(jié)了產(chǎn)生干擾的因素,對(duì)其造成的后果進(jìn)行了分析.根據(jù)實(shí)踐總結(jié)的經(jīng)驗(yàn),從硬件和軟件兩個(gè)方面對(duì)單片機(jī)的抗干擾提出了處理方法.7.期刊論文池雪蓮.CHI Xue-lian單片機(jī)抗干擾技術(shù)探討-科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)2005,15(21單片機(jī)的諸多特點(diǎn)使它的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛,由于應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜,使其面臨的各種干擾日益嚴(yán)重,從而使得對(duì)它的可靠性要求