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2019-11-08 21:05:38 来源: bwin体育必赢

利用看门狗改善系统可靠性

目前,在许多情况下,设计人员会用软件实现以往由硬件才能完成的电路功能,其中部分原因是低成本的微处理器(μP)为大家提供了广泛的选择软件常常是解决问题成本、灵活性的方案,但它也迫使设计人员进行一些额外的测试以确保系统的可靠性当然,如果程序没有代码错误也就不存在上述问题,细心的测试能够在1000条指令中减少1至10条错误而设计人员则希望在10,000条指令中出错率不要超过十处

在台式机系统中出现导致系统瘫痪的软件错误并不可怕,因为用户只需重新启动系统即可,它只会造成少量数据的丢失然而,对于运行在工控系统的软件,系统则必须能够在没有人为干预的条件下恢复故障这一特性在两种情况下非常关键:一种是高有效性系统,如服务器、系统以及生产线等;另一种是高可靠性系统,因为这种系统一旦出现错误将造成伤害,如汽车、医疗设备、工业控制、机器人、自动门等即使不考虑这些要求严格的应用,系统在无需用户干预的条件下自动(按下复位键或重新上电)从故障状态下恢复也是很有益处的,这种设备的好处是显而易见的,因为用户不希望设备内部出现问题改善这类系统可靠性的一种简单、有效的措施是采用看门狗电路

1看门狗

看门狗实际上是一个计数器,它需要在一定的看门狗延时周期内被清零,如果没有清零动作,看门狗电路将产生一个复位信号以使系统重新启动或建立一个非屏蔽中断(NMI)并执行故障恢复子程序大多数看门狗电路是沿触发,这样,无论是上升沿还是下降沿触发看门狗的输入端(WDI)通常都能够清计数器WDI引脚一般连接在处理器的一个I/0口,这条口线可由软件触发图1所示是微处理器通过在WDl脚发送脉冲清除看门狗定时器以防止复位的连接方式,实际上,清看门狗计数器的命令必须在主程序内如果看门狗没有被清零,复位后软件将从地址为0000(启动程序)的子程序处开始运行计算主程序的运行时间往往很困难,因为在此期间可能需要多次调用子程序,这与系统输入有关因此,设计人员常常选择看门狗延时周期远远高于测试到的或计算出的循环时间图2所示是正常工作情况下(看门狗在延时周期内被请零)的看门狗信号和复位信号图3所示为看门狗计数器溢出时引发一次复位的时序示意图工业标准的看门狗电路延时周期一般在l00ms~2s范围内,当然,也有些可调节或定制的看门狗电路能够覆盖更宽的延时范围(30ms至几分钟)如果主程序的执行时间对于看门狗电路而言过长,设计人员可以在主程序的不同部位多次执行看门狗触发命令,也可以选用看门狗延时周期更长的器件

一种防止系统滞留在死循环的技术是在主程序的初始化部分将相应的I/O引脚置为高电平,而在主程序的另一部分将其置为低电子如果软件在主程序的起始部分进入了死循环,由于WDI始终保持高电平,看门狗将产生延时输出而使系统复位如果采用一个低-高-低的脉冲,看门狗将被清零,但系统仍处于阻塞状态为解决这个问题,一种比较成熟的方法是对程序中的多项任务进行监视,并对每项任务设置一个标志,只有当全部标志置位后,看门狗电路才被触发执行全部任务的时间要比看门狗超出周期短在更复杂的系统中,还存在一些潜在问题,如存储器泄漏、堆栈溢出等,此时系统同样需要对这些情况进行监视,尽管对这些问题的讨论超出了本文的范围,但通过合理的程序设计、认真审核代码或采用特殊的软件工具也可以解决上述问题

2 内部看门狗与外部看门狗

许多μP都集成了可编程看门狗功能,软件控制可禁止其工作通常内置看门狗易受代码错误的影响,它无法提供外部独立看门狗电路所具有的保护能力,因此在对安全性能要求较高的应用中(如自动门、医疗设备、机器人等),内置看门狗是无法接受的,从而使管理层采用独立的外部看门狗电路现利用外部看门狗电路降低高可靠性系统的风险是一个极好的尝试

2.1简单的看门狗+复位

通常看门狗延时将重新复位系统,大多数看门狗电路与 μP复位集成在一起,它同时可以监视处理器的供电电压在出现看门狗延时或电源电压跌落的情况下均可产生复位动作,MAX823~MAX825系列产品就包含了这两种功能,它们可提供标准的复位电压门限、标准的看门狗延时周期和复位延迟,仅消耗6μA电流而且这些器件具有超小型SC70封装

2.2工厂预置看门狗系列

MAX6316~MAX6322系列可提供26种工厂预置的复位电压门限、4种看门狗延时周期、4种复位延迟以及4种输出配置

2.3用电容调节的看门狗

如果应用中需要灵活的看门狗延时周期,设计人员可以选用可调节电路,MAX6746~MAX6753系列产品不但提供了工厂预置的复位电压门限,也提供了分压编程的复位电压门限,另外,还可以利用外部电容来调节看门狗的延时周期和复位延迟图4

所示是其典型工作电路,其中:

复位电压由分压器R1/R2决定;

复位延迟时间由电容CSRT设置;

看门狗延时周期由电容Csw放置

图5是CSWT在100pF~100nF时所对应的看门狗延时周期范围,设计人员利用如此宽范围的看门狗延时周期可以为任何应用提供解决方案需要说明的是:MAX6301-MAX6304系列基本与MAX6746-MAX6753系列相同,它们均可提供SO或DIP封装

2.4较长启动/延时周期和引脚可选的看门狗

对于启动过程较长的应用,可提供两个不同的延时周期设计:即一个较长的初始化延时周期和一个较短的正常工作延时周期MAX6369-MAX6374系列便具有引脚可编程的启动延迟,其可选范围为200ms~60s一些版本还提供有看门狗的首次边沿激活功能,以满足启动过程更长的应用在这些芯片中,看门狗电路在启动过程中被禁止,而只允许来自μP相关I/O引脚的个边沿才可以激活看门狗电路

2.5多电压监控看门狗

对于双电源供电系统,MAX6358-MAX6360系列可以监视两路标准电压,并提供长启动周期和标准延时周期的看门狗;对于三组电源供电或需要高有效和低有效复位输出的系统,设计人员可以选用MAX6721-MAX6729系列产品,这些器件能提供长启动周期和标准延时周期的双模式看门狗功能并可监视两路标准的电源电压(MAX6721-MAX6722)或两路标准电压加上一路可调电压(MAX6723-MAX6724)同时,这些器件还带有手动复位输入,电源失效比较器、双复位输出和RESET、RESET输出等

2.6超高可靠窗式看门狗

为获得超高的可靠性,设计人员可以利用MAX6323/MAX6324窗式看门狗电路,使用这些器件时必须在规定的窗口定时周期内为看门狗提供清零脉冲,有效脉冲可以在上次触发脉冲1.5ms后送达,也可以在上次触发脉冲之后的10ms时到达,利用MAX6323/MAX6324系统可以脱离离散循环,如果清零看门狗指令在循环内执行,它将发出一串高速脉冲,这些脉冲可以将常规的看门狗清零,而且不产生复位利用窗式看门狗电路可避免上述问题的原因是这种器件在两次看门狗触发脉冲之间要求有一定的时间间隔这些器件的典型应用包括防抱死(ABS)系统或其它汽车电路、工业控制、医疗产品等要求安全性能较高的应用系统或对系统有效性要求苛刻的应用场合

3 结论

各种软件程序都会出现代码错误,而且噪声和EMI也会影响系统中的数据,并导致不可预测的系统动作,因此,设计人员要保证系统不出现死锁看门狗电路是提高系统可靠性的一种简单、廉价方案利用外部看门狗电路可以防止系统死锁,如果WDI信号在规定的看门狗延时周期内没有被触发,那么电路将对系统进行复位在目前种类繁多的看门狗器件中,设计人员一定能够找到一款与其需求相吻合的器件

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