单片机应用系统中的_看门狗_电路及低成本实现
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[ 2 ] 374- 375
.
图 2 由计数器构成的 看门狗 电路
2 . 3 由门电路构成 看门狗 电路 在电路的设计中往往会有多余的门电路, 这时可以用作 看门狗 电路 , 既降低了成本, 又提高了电路的 可靠性 . 电路形式可以有很多种 , 特别在 89C1051 / 2051 的应用电路中, 利用其 P1 . 0 /P1. 1 口没有上拉电阻 的特点 , 可以用两个 CMOS 门电路 ( 本例中是六反相器 CD4069 中的两个空余反相器 ) 设计一个极简单的低 成本 看门狗 电路, 如图 3 . 由于需要的定时时间比较长 , 因此只能使用输入阻抗高的 CMOS 门电路, 当然也 ! 64!
张宏伟 , 丁洁 : 单片机应和系统中的 看门狗 电路及低成本实现
第 2期
可以用电路中多余的施密特触发器或者电压比较器实现. 当主程序循环时间很短时, 也可以只用两个反相 器串联 , 去掉两只电阻 , 进一步降低了成本 . 在主程序初始化部分应该把 P1 . 0 / P1 . 1 口置位, 以使用 P1 0 口 为例, 在主程序中使用下列指令序列 : CLR P1 . 0 ; 电容放电, 单稳态电路复位 NOP NOP SETB P1 . 0 ; 在单片机正常工作时, 会不断地给电容放电, 输出端始终为低电平; 当单片机陷入死循环时, 电容由于 充电, 其电压不断升高 , 直至电路状态翻转 , 输出高电平 , 使单片机复位 . 需要指出的是: 由于死循环是程序计数器 PC 发生错误, 把操作码误当成操作数执行 , 偶然的情况下形 成的, 所以会执行意想不到的指令. 如果在死循环中有把 P1 . 0 /P1 . 1 口复位的指令, 该 看门狗 电路会失去 作用. 为了提高可靠性 , 可以在输入端增加一个微分电路并增加一个三极管给电容放电, 同时修改指令.
0 引
言
单片机测控系统在工业自动化、 生产过程控制、 智能化仪器仪表等领域得到广泛的应用. 单片机测控系 统的工作环境往往是比较恶劣和复杂的, 单片机不可避免的要受到来自外部的干扰系统及内部和外部的各 种电气干扰的影响. 这时单片机可能会出现输入、 输出错误, 甚至会干扰到程序指针 PC, 使其发生错误 , 那就 有可能误将非操作码当作操作码来执行, 会造成程序执行混乱甚至进入死循环, 使系统无法正常运行. 因此 如何发现 CPU 受到干扰, 如何拦截失去控制的程序的流向, 使程序纳入正常轨道是单片机应用系统中必须 解决的问题 . 通常采取的方法有指令冗余、 软件陷阱、 看门狗 技术 . 指令冗余技术、 软件陷阱技术可以使大 多数失控的程序走向正常 . 但是当失控程序形成了死循环 , 指令冗余技术、 软件陷阱技术就无能为力了 , 只 有人工的干预或者采用程序监视技术 (又称为 看门狗 技术 W atchdog) , 才能使系统脱离死循环 .
1 看门狗技术基本原理
看门狗 实质上是一个程序监视定时器. 它的定时时间是固定不变的 , 一旦定时时间到, 产生中断或 输出一个脉冲, 强制单片机复位 , 程序指针 PC 恢复初始值 , 从而使程序恢复正常运行 . 因此在单片机正常工 作时, 程序不断地在定时时间到来之前对定时器复位, 定时器就不会产生中断或溢出脉冲 . 如果因干扰而出 现死循环, 定时器不能及时复位 , 定时时间到, 会产生中断或输出一个脉冲, 强制单片机复位
, 看 门 狗 电路 如 图 1 所 示. 图 中
! 63!
2008 年
商丘职业技术学院学报
74LS123 触发器的输入端接高电平 , 负脉冲触发 . 第一个触发器工作状态由单片机 P1 口的 P1 . 7 控制, 系统 开始工作时 , P1 . 7 向 2A 端输入一个负脉冲, 使 2Q 端产生一个正跳变, 但并不能触发第二个单稳态触发器 动作, 1Q 端仍为低电平. P1 . 7负触发脉冲的时间间隔取决于系统控制主程序运行周期 . 在单片机应用系统 应用程序设计中 , 软件流程要设计成循环结 构. 发出喂狗信号的指令包 含在主程序中, 使用 CLR P1 . 7和 SETB P1. 7 两条指令. 如果主程序运行周期小于单稳态触发器的暂态时间 , 则当单片机正常运行时 , 将不断 重新触发第二个单稳态触发器, 其输出端 2Q 端始终保持高电平, 1A 端保持高电平 , 第一个单稳态触发器就 不会产生动作. 如果单片机受到干扰 , 产生了死循环, 那么第二单稳态触发器的暂态时间内 , 就不会出现送 给 2A 端的负脉冲 , 第二个单稳态触发器脱离暂态 , 2Q 端回到低电平触发第一个单稳态触发器翻转到暂态 , 1Q 端产生脉冲信号, 使单片机可靠复位, 系统运行的可靠性大大提高.
; 程序起始地址 ; 主程序入口地址 ; T 0 中断入口地址 ; 转入错误处理 , 实现软件复位 ; 开总中断 ; 开 T 0 中断 ; 启动 T 0 ; T 0 定时方式 1 ; 给定时器 T 0 赋初值 ; 用户程序
; 关中断 ! 65!
2008 年
商丘职业技术学院学报
MOV DPTR, # ERR1 PUS H DPL PUS H DPH RET I ERR1: CLR A PUS H ACC PUS H ACC RET I END
单片机应用系统中的 看门狗 电路及低成本实现
张宏伟, 丁
摘
洁
( 商丘职业技术学院 , 河南 商丘 476000) 要 : 单片机应用系统在工作环境比较恶劣时受到干扰 , 使系统产生死循环这种情况 , 可 采用 看门狗 技术
解决 , 由硬件、 软件实现 . 提高单片机应用系统的可靠性 和抗干 扰能力 . 本文 给出了 一种由门 电路及 阻容元 件构成 的低成本 看门狗 电路实现方法 . 关键词 : 单片机 ; 抗干扰 ; 看门狗 ; 低成本 中图分类号 : TM 4 文献标识码 : A
; 准备返回地址
; 清除高级中断激活标志 ; 准备复位地址 ; 压入复位地址 ; 清除低级中断激活标志
需要特别指出的是: 在中断服务程序中不能简单的用一条 L J M P START 来实现软件的复位 , 因为干扰造 成的死循环有可能发生在中断服务程序中 , 这时中断激活标志就已经置位. 如果简单的把 PC 复位, 因为中 断激活标志依然置位 , 这样程序就不能正常的响应中断 . 必须把中断激活标志复位, 才能真正实现单片机软 件模拟复位 , 效果才能和硬件复位相同.
图 1 由 单稳态触发器构成的 看门狗 电 路
2 . 2计数器型 看门狗 CD4060 为 14 位二进制串行计数 /分 频 /振 荡器 , 由它组成的 看门 狗 电路如图 2 所 示. 正常情 况下 8031单片机每隔一段时间 T ,l 就将 CD4060 复位一次, 一旦由于某种原因导致 CPU 失控 , CD4060 不能及时 被复位 , 就经过 T 2 时间 ( T 2> T1) 从 Q l端输出高电平, 一方面使测控系统复位并脱离死循环 ; 另一方面还将 CD4060 复位 , Q14 变成低电平, 使 看门狗 电路也复位
[ 3]
. 由于在单片
机中使用 看门狗 技术能有效解决因干扰导致死循环的问题, 所以很多单片机在其内部已经集成了硬件 看门狗 . 对于没有集成硬件 看门狗 的单片机 , 在需要的时候 , 可以使用软件 看门狗 或者外接一个硬 件 看门狗 电路 .
2 硬件 看门狗
硬件 看门狗 必须通过两根信号线与单片机连接, 其中一根信号线用于检测单片机工作状态. 当单片 机正常工作时, 单片机通过该信号线不断的用小于 看门狗 定时时间的周期脉冲信号输入 看门狗 电路 , 使 看门狗 定时器复位. 当单片机受到干扰而陷入死循环的时候, 无法使 看门狗 电路定时器复位 , 定时时 间到以后, 看门狗 通过另一根信号线输出复位信号, 使单片机复位, 系统重新启动, 从而恢复正常. 2 . 1单稳态型 看门狗 利用一片 74LS123 双可 重 触发 单稳 态 多谐 振 荡器 构 成
收稿日期 : 2007- 11- 19 作者简介 : 张宏伟 ( 1971- ) , 男 , 河南商丘人 , 商丘职业技术学院讲师 , 主 要从事嵌入式 系统教学与研究 ; 丁洁 ( 1975 - ) , 女 , 河南 永城人 , 商丘职业技术学院讲师 , 主要从事数字信息处理教学与研究 .
[ 1] 166 - 167
பைடு நூலகம்
冯喜忠 ]
A bstract : W ith cons idering unab le- end ing cycle in th e p rocess use of s ingle ch ip m icrocom puter system, th is article d iscusses th ew ays of avoid ing program s in single ch ip m icrocompu ter go ing in to unab le- end ing cycle by using soft w are and hardware w atchdog technology w hen s ingle ch ip m icrocom puter system is disturbed, w h ich can i m p rove th e reliab il ity and an ti- in terference ab ility of s ingle ch ip app licat ion sys tem. Th is article also proposes a m ethod of w atchdog circu it in low cost . K ey w ords: s ingle ch ip m icrocom puter ; an ti- in terference; w atchdog; low cost
[ 1] 舒怀林 . 单片机原理与接口技术 [ M ] . 武汉 : 华中理工大学出版社 , 2001 . [ 2] 沙占友 . 模拟与数字万用表检测及应用技术 [ M ] . 北京 : 电子工业出版社 , 2000. [ 3] 周航慈 . 单片机应用程序设计技术 [ M ] . 北京 : 北京航空航天大学出版社 , 1991 .
图 3 由门电路构成的 看门狗 电路
3 软件 看门狗
利用单片机内部的定时 /计 数器 T0 、 T 1 作 看门狗 . 其方法是在主程序一开始就启动计数器工作 , 主 程序中增设定时器赋值指令, 使定时器维持在非溢出工作状态 , 定时时间要稍大于程序一次循环的执行时 间 . 程序正常循环执行一次给定时器送一次初值, 使其不能溢出 . 若程序失控或进入死循环, 定时器计数满 溢出中断, 在中断 服务程序 中实现软 件复位 , 使主 程序自 动复位 进入 初始状 态, 强制 性使程 序重新 运 行
2008年第 2 期 第 7 卷 ( 总第 35 期 )
商丘职业技术学院学报 JOURNA L O F SHANGQ I U VOCAT IONAL AND TECHN ICAL COLLEGE
Vo. l 7, N o . 2 Apr . , 2008
文章编号 : 1671- 8127( 2008) 02- 0063- 04
[ 3] 140- 147
. 程序如下 : ORG 0000 H START: A J M P MA I N ORG 000BH LJ M P ERR MA I N: SETB EA SETB ET 0 SETB TR0 MOV TMOD, # 01 H MA I N 1: MOV TH 0 , data1 MOV TL0 , data2 .. .... .... .... ... LJ M P MA I N1 NOP NOP ERR: CLR EA
4 结
论
在实际应用测控系统中, 可采用硬件 看门狗 技术, 也可采用软件 看门狗 技术 . 软件 看门狗 不需 要增加外部电路 , 经济性好 , 但是软件 看门狗 需要占用内部定时器资源 , 这在有些场合是不允许的. 而且 , 软件 看门狗 本身也可能因为干扰而失效 , 所以其可靠性低于硬件 看门狗 . 所以应综合考虑系统资源、 经 济性、 实用性、 合理制定 看门狗 技术方案 . 必须指出, 看门狗 在外部强烈干扰时也可能失效, 另外 看门狗 技术只是 最后一招 , 作为防范来 使用. 最重要的抗干扰措施是外部干扰的屏蔽和程序的良好设计, 否则 看门狗 频繁使单片机复位 , 系统无 法正常工作 . 参考文献:
[责任编辑 The R ea liza tion ofW a tchdog C ircuit and Low Cost in the S ingle Ch ip M icrocom puter Application System
ZHANG H ong- we , i D ING Jie
( Shang qiu Voca tional &T echn ica l C ollege, S hangqiu 476000, Ch ina )
.
图 2 由计数器构成的 看门狗 电路
2 . 3 由门电路构成 看门狗 电路 在电路的设计中往往会有多余的门电路, 这时可以用作 看门狗 电路 , 既降低了成本, 又提高了电路的 可靠性 . 电路形式可以有很多种 , 特别在 89C1051 / 2051 的应用电路中, 利用其 P1 . 0 /P1. 1 口没有上拉电阻 的特点 , 可以用两个 CMOS 门电路 ( 本例中是六反相器 CD4069 中的两个空余反相器 ) 设计一个极简单的低 成本 看门狗 电路, 如图 3 . 由于需要的定时时间比较长 , 因此只能使用输入阻抗高的 CMOS 门电路, 当然也 ! 64!
张宏伟 , 丁洁 : 单片机应和系统中的 看门狗 电路及低成本实现
第 2期
可以用电路中多余的施密特触发器或者电压比较器实现. 当主程序循环时间很短时, 也可以只用两个反相 器串联 , 去掉两只电阻 , 进一步降低了成本 . 在主程序初始化部分应该把 P1 . 0 / P1 . 1 口置位, 以使用 P1 0 口 为例, 在主程序中使用下列指令序列 : CLR P1 . 0 ; 电容放电, 单稳态电路复位 NOP NOP SETB P1 . 0 ; 在单片机正常工作时, 会不断地给电容放电, 输出端始终为低电平; 当单片机陷入死循环时, 电容由于 充电, 其电压不断升高 , 直至电路状态翻转 , 输出高电平 , 使单片机复位 . 需要指出的是: 由于死循环是程序计数器 PC 发生错误, 把操作码误当成操作数执行 , 偶然的情况下形 成的, 所以会执行意想不到的指令. 如果在死循环中有把 P1 . 0 /P1 . 1 口复位的指令, 该 看门狗 电路会失去 作用. 为了提高可靠性 , 可以在输入端增加一个微分电路并增加一个三极管给电容放电, 同时修改指令.
0 引
言
单片机测控系统在工业自动化、 生产过程控制、 智能化仪器仪表等领域得到广泛的应用. 单片机测控系 统的工作环境往往是比较恶劣和复杂的, 单片机不可避免的要受到来自外部的干扰系统及内部和外部的各 种电气干扰的影响. 这时单片机可能会出现输入、 输出错误, 甚至会干扰到程序指针 PC, 使其发生错误 , 那就 有可能误将非操作码当作操作码来执行, 会造成程序执行混乱甚至进入死循环, 使系统无法正常运行. 因此 如何发现 CPU 受到干扰, 如何拦截失去控制的程序的流向, 使程序纳入正常轨道是单片机应用系统中必须 解决的问题 . 通常采取的方法有指令冗余、 软件陷阱、 看门狗 技术 . 指令冗余技术、 软件陷阱技术可以使大 多数失控的程序走向正常 . 但是当失控程序形成了死循环 , 指令冗余技术、 软件陷阱技术就无能为力了 , 只 有人工的干预或者采用程序监视技术 (又称为 看门狗 技术 W atchdog) , 才能使系统脱离死循环 .
1 看门狗技术基本原理
看门狗 实质上是一个程序监视定时器. 它的定时时间是固定不变的 , 一旦定时时间到, 产生中断或 输出一个脉冲, 强制单片机复位 , 程序指针 PC 恢复初始值 , 从而使程序恢复正常运行 . 因此在单片机正常工 作时, 程序不断地在定时时间到来之前对定时器复位, 定时器就不会产生中断或溢出脉冲 . 如果因干扰而出 现死循环, 定时器不能及时复位 , 定时时间到, 会产生中断或输出一个脉冲, 强制单片机复位
, 看 门 狗 电路 如 图 1 所 示. 图 中
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2008 年
商丘职业技术学院学报
74LS123 触发器的输入端接高电平 , 负脉冲触发 . 第一个触发器工作状态由单片机 P1 口的 P1 . 7 控制, 系统 开始工作时 , P1 . 7 向 2A 端输入一个负脉冲, 使 2Q 端产生一个正跳变, 但并不能触发第二个单稳态触发器 动作, 1Q 端仍为低电平. P1 . 7负触发脉冲的时间间隔取决于系统控制主程序运行周期 . 在单片机应用系统 应用程序设计中 , 软件流程要设计成循环结 构. 发出喂狗信号的指令包 含在主程序中, 使用 CLR P1 . 7和 SETB P1. 7 两条指令. 如果主程序运行周期小于单稳态触发器的暂态时间 , 则当单片机正常运行时 , 将不断 重新触发第二个单稳态触发器, 其输出端 2Q 端始终保持高电平, 1A 端保持高电平 , 第一个单稳态触发器就 不会产生动作. 如果单片机受到干扰 , 产生了死循环, 那么第二单稳态触发器的暂态时间内 , 就不会出现送 给 2A 端的负脉冲 , 第二个单稳态触发器脱离暂态 , 2Q 端回到低电平触发第一个单稳态触发器翻转到暂态 , 1Q 端产生脉冲信号, 使单片机可靠复位, 系统运行的可靠性大大提高.
; 程序起始地址 ; 主程序入口地址 ; T 0 中断入口地址 ; 转入错误处理 , 实现软件复位 ; 开总中断 ; 开 T 0 中断 ; 启动 T 0 ; T 0 定时方式 1 ; 给定时器 T 0 赋初值 ; 用户程序
; 关中断 ! 65!
2008 年
商丘职业技术学院学报
MOV DPTR, # ERR1 PUS H DPL PUS H DPH RET I ERR1: CLR A PUS H ACC PUS H ACC RET I END
单片机应用系统中的 看门狗 电路及低成本实现
张宏伟, 丁
摘
洁
( 商丘职业技术学院 , 河南 商丘 476000) 要 : 单片机应用系统在工作环境比较恶劣时受到干扰 , 使系统产生死循环这种情况 , 可 采用 看门狗 技术
解决 , 由硬件、 软件实现 . 提高单片机应用系统的可靠性 和抗干 扰能力 . 本文 给出了 一种由门 电路及 阻容元 件构成 的低成本 看门狗 电路实现方法 . 关键词 : 单片机 ; 抗干扰 ; 看门狗 ; 低成本 中图分类号 : TM 4 文献标识码 : A
; 准备返回地址
; 清除高级中断激活标志 ; 准备复位地址 ; 压入复位地址 ; 清除低级中断激活标志
需要特别指出的是: 在中断服务程序中不能简单的用一条 L J M P START 来实现软件的复位 , 因为干扰造 成的死循环有可能发生在中断服务程序中 , 这时中断激活标志就已经置位. 如果简单的把 PC 复位, 因为中 断激活标志依然置位 , 这样程序就不能正常的响应中断 . 必须把中断激活标志复位, 才能真正实现单片机软 件模拟复位 , 效果才能和硬件复位相同.
图 1 由 单稳态触发器构成的 看门狗 电 路
2 . 2计数器型 看门狗 CD4060 为 14 位二进制串行计数 /分 频 /振 荡器 , 由它组成的 看门 狗 电路如图 2 所 示. 正常情 况下 8031单片机每隔一段时间 T ,l 就将 CD4060 复位一次, 一旦由于某种原因导致 CPU 失控 , CD4060 不能及时 被复位 , 就经过 T 2 时间 ( T 2> T1) 从 Q l端输出高电平, 一方面使测控系统复位并脱离死循环 ; 另一方面还将 CD4060 复位 , Q14 变成低电平, 使 看门狗 电路也复位
[ 3]
. 由于在单片
机中使用 看门狗 技术能有效解决因干扰导致死循环的问题, 所以很多单片机在其内部已经集成了硬件 看门狗 . 对于没有集成硬件 看门狗 的单片机 , 在需要的时候 , 可以使用软件 看门狗 或者外接一个硬 件 看门狗 电路 .
2 硬件 看门狗
硬件 看门狗 必须通过两根信号线与单片机连接, 其中一根信号线用于检测单片机工作状态. 当单片 机正常工作时, 单片机通过该信号线不断的用小于 看门狗 定时时间的周期脉冲信号输入 看门狗 电路 , 使 看门狗 定时器复位. 当单片机受到干扰而陷入死循环的时候, 无法使 看门狗 电路定时器复位 , 定时时 间到以后, 看门狗 通过另一根信号线输出复位信号, 使单片机复位, 系统重新启动, 从而恢复正常. 2 . 1单稳态型 看门狗 利用一片 74LS123 双可 重 触发 单稳 态 多谐 振 荡器 构 成
收稿日期 : 2007- 11- 19 作者简介 : 张宏伟 ( 1971- ) , 男 , 河南商丘人 , 商丘职业技术学院讲师 , 主 要从事嵌入式 系统教学与研究 ; 丁洁 ( 1975 - ) , 女 , 河南 永城人 , 商丘职业技术学院讲师 , 主要从事数字信息处理教学与研究 .
[ 1] 166 - 167
பைடு நூலகம்
冯喜忠 ]
A bstract : W ith cons idering unab le- end ing cycle in th e p rocess use of s ingle ch ip m icrocom puter system, th is article d iscusses th ew ays of avoid ing program s in single ch ip m icrocompu ter go ing in to unab le- end ing cycle by using soft w are and hardware w atchdog technology w hen s ingle ch ip m icrocom puter system is disturbed, w h ich can i m p rove th e reliab il ity and an ti- in terference ab ility of s ingle ch ip app licat ion sys tem. Th is article also proposes a m ethod of w atchdog circu it in low cost . K ey w ords: s ingle ch ip m icrocom puter ; an ti- in terference; w atchdog; low cost
[ 1] 舒怀林 . 单片机原理与接口技术 [ M ] . 武汉 : 华中理工大学出版社 , 2001 . [ 2] 沙占友 . 模拟与数字万用表检测及应用技术 [ M ] . 北京 : 电子工业出版社 , 2000. [ 3] 周航慈 . 单片机应用程序设计技术 [ M ] . 北京 : 北京航空航天大学出版社 , 1991 .
图 3 由门电路构成的 看门狗 电路
3 软件 看门狗
利用单片机内部的定时 /计 数器 T0 、 T 1 作 看门狗 . 其方法是在主程序一开始就启动计数器工作 , 主 程序中增设定时器赋值指令, 使定时器维持在非溢出工作状态 , 定时时间要稍大于程序一次循环的执行时 间 . 程序正常循环执行一次给定时器送一次初值, 使其不能溢出 . 若程序失控或进入死循环, 定时器计数满 溢出中断, 在中断 服务程序 中实现软 件复位 , 使主 程序自 动复位 进入 初始状 态, 强制 性使程 序重新 运 行
2008年第 2 期 第 7 卷 ( 总第 35 期 )
商丘职业技术学院学报 JOURNA L O F SHANGQ I U VOCAT IONAL AND TECHN ICAL COLLEGE
Vo. l 7, N o . 2 Apr . , 2008
文章编号 : 1671- 8127( 2008) 02- 0063- 04
[ 3] 140- 147
. 程序如下 : ORG 0000 H START: A J M P MA I N ORG 000BH LJ M P ERR MA I N: SETB EA SETB ET 0 SETB TR0 MOV TMOD, # 01 H MA I N 1: MOV TH 0 , data1 MOV TL0 , data2 .. .... .... .... ... LJ M P MA I N1 NOP NOP ERR: CLR EA
4 结
论
在实际应用测控系统中, 可采用硬件 看门狗 技术, 也可采用软件 看门狗 技术 . 软件 看门狗 不需 要增加外部电路 , 经济性好 , 但是软件 看门狗 需要占用内部定时器资源 , 这在有些场合是不允许的. 而且 , 软件 看门狗 本身也可能因为干扰而失效 , 所以其可靠性低于硬件 看门狗 . 所以应综合考虑系统资源、 经 济性、 实用性、 合理制定 看门狗 技术方案 . 必须指出, 看门狗 在外部强烈干扰时也可能失效, 另外 看门狗 技术只是 最后一招 , 作为防范来 使用. 最重要的抗干扰措施是外部干扰的屏蔽和程序的良好设计, 否则 看门狗 频繁使单片机复位 , 系统无 法正常工作 . 参考文献:
[责任编辑 The R ea liza tion ofW a tchdog C ircuit and Low Cost in the S ingle Ch ip M icrocom puter Application System
ZHANG H ong- we , i D ING Jie
( Shang qiu Voca tional &T echn ica l C ollege, S hangqiu 476000, Ch ina )