看門狗提高系統(tǒng)可靠性—如何選擇正確的器件

看門狗計(jì)時(shí)器用于監(jiān)視和最小化代碼執(zhí)行錯(cuò)誤。內(nèi)部看門狗定時(shí)器容易受到代碼執(zhí)行問(wèn)題的影響，使得外部看門狗電路在防止系統(tǒng)鎖定方面非常寶貴。

本文檔有助于為不同類型的應(yīng)用選擇正確的看門狗/監(jiān)控產(chǎn)品時(shí)間，以及如何在沒(méi)有軟件代碼的情況下應(yīng)用電路。

以前使用專用硬件實(shí)現(xiàn)的許多電路功能現(xiàn)在都在軟件中實(shí)現(xiàn)，部分原因是當(dāng)今低成本微處理器（μP）的廣泛選擇。雖然軟件通常是解決問(wèn)題的成本最低、最靈活的方法，但它迫使設(shè)計(jì)人員采取額外措施來(lái)確保系統(tǒng)可靠性。雖然沒(méi)有代碼錯(cuò)誤的程序，但仔細(xì)的測(cè)試可以將錯(cuò)誤數(shù)量減少到每 1000 行代碼 10 到 10 個(gè)。因此，設(shè)計(jì)人員必須期望在具有 000，<> 行代碼的典型控制軟件程序中至少出現(xiàn) <> 個(gè)代碼錯(cuò)誤。

導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰的桌面應(yīng)用程序軟件錯(cuò)誤并不嚴(yán)重，因?yàn)橛脩艨梢灾匦聠?dòng)系統(tǒng)，而只有輕微的數(shù)據(jù)丟失。但是，對(duì)于工業(yè)控制軟件，系統(tǒng)必須能夠在沒(méi)有人為干預(yù)的情況下從代碼錯(cuò)誤中恢復(fù)。此功能對(duì)于兩個(gè)主要類別至關(guān)重要：具有高可用性的系統(tǒng)，例如服務(wù)器、電話系統(tǒng)和生產(chǎn)線;以及必須高度可靠的系統(tǒng)，因?yàn)榕鲎部赡軐?dǎo)致受傷，例如汽車、醫(yī)療器械、工業(yè)控制、機(jī)器人和自動(dòng)門。即使這些標(biāo)準(zhǔn)都不適用，也最好在沒(méi)有用戶干預(yù)（按復(fù)位或電源循環(huán)）的情況下進(jìn)行系統(tǒng)崩潰/恢復(fù)。如果設(shè)備在沒(méi)有人為干預(yù)的情況下從錯(cuò)誤中恢復(fù)，則此設(shè)備的感知質(zhì)量良好，因?yàn)橛脩舨恢涝O(shè)備內(nèi)部出了問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)這種改進(jìn)的系統(tǒng)可靠性的一種簡(jiǎn)單有效的方法是使用看門狗。

看門狗

監(jiān)視器是必須在監(jiān)視器超時(shí)期限內(nèi)清除的計(jì)數(shù)器。如果未進(jìn)行清除，監(jiān)視器將生成重置以導(dǎo)致系統(tǒng)重新啟動(dòng)或創(chuàng)建不可屏蔽中斷 （NMI），從而導(dǎo)致程序分支進(jìn)入故障恢復(fù)子例程。大多數(shù)看門狗都是邊緣觸發(fā)的。因此，看門狗輸入 （WDI） 上的上升沿或下降沿將清除計(jì)數(shù)器。WDI 引腳連接到處理器 I/O 引腳，該引腳由軟件切換（圖 1）。

圖1.微處理器通過(guò)WDI引腳上的脈沖清除看門狗定時(shí)器，以防止復(fù)位。

清除看門狗計(jì)數(shù)器的命令必須發(fā)生在主程序循環(huán)中（圖2）。如果未清除監(jiān)視程序，則進(jìn)行重置，軟件分支到地址 0000（啟動(dòng)例程）。計(jì)算執(zhí)行主循環(huán)所需的時(shí)間通常很困難，因?yàn)榭赡軙?huì)調(diào)用許多子例程，具體取決于系統(tǒng)的輸入。因此，設(shè)計(jì)人員通常選擇比最長(zhǎng)測(cè)量或計(jì)算的環(huán)路時(shí)間長(zhǎng)得多的看門狗超時(shí)。

圖2.該圖顯示了在主循環(huán)中生成WDI信號(hào)的典型程序流程。

圖3顯示了正常操作時(shí)的看門狗和復(fù)位信號(hào)（看門狗在超時(shí)期限內(nèi)清除）。在圖4中，看門狗計(jì)數(shù)器達(dá)到超時(shí)后生成復(fù)位。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)看門狗電路的超時(shí)范圍為100ms至2s，盡管有可調(diào)和定制的看門狗覆蓋更寬的范圍（30ms至分鐘）。如果主環(huán)路的執(zhí)行時(shí)間對(duì)于看門狗來(lái)說(shuō)太長(zhǎng)，設(shè)計(jì)人員可以在主環(huán)路的不同部分實(shí)現(xiàn)多個(gè)看門狗切換命令，或使用超時(shí)更長(zhǎng)的設(shè)備。

圖3.如果WDI引腳始終在看門狗超時(shí)內(nèi)切換，則不會(huì)生成復(fù)位。

圖4.一旦看門狗計(jì)數(shù)器達(dá)到超時(shí)值，就會(huì)生成復(fù)位。

防止系統(tǒng)卡在寄生環(huán)路中的一種技術(shù)是在主環(huán)路開(kāi)始時(shí)將相關(guān)I/O引腳設(shè)置為高電平，并在主環(huán)路的另一部分將其設(shè)置為低電平。如果軟件在主環(huán)路開(kāi)始時(shí)卡在寄生環(huán)路中，則看門狗超時(shí)，系統(tǒng)恢復(fù)，因?yàn)閃DI保持高電平（圖5）。如果使用低-高-低脈沖（如圖2所示），看門狗將被清除，但系統(tǒng)將保持卡住狀態(tài)。對(duì)于具有需要監(jiān)視的多個(gè)任務(wù)的程序，可能需要更復(fù)雜的方案。每個(gè)任務(wù)設(shè)置一個(gè)標(biāo)志，只有在設(shè)置了所有標(biāo)志時(shí)，才會(huì)切換監(jiān)視器。所有任務(wù)的持續(xù)時(shí)間必須短于監(jiān)視器超時(shí)期限。與實(shí)際程序相比，圖 2 和圖 5 可能看起來(lái)很簡(jiǎn)單，但它們說(shuō)明了相關(guān)概念。還應(yīng)監(jiān)視更復(fù)雜的系統(tǒng)中的其他潛在問(wèn)題，例如內(nèi)存泄漏和堆棧溢出。這超出了本文的范圍，但通常通過(guò)使用合適的設(shè)計(jì)過(guò)程、執(zhí)行仔細(xì)的代碼審查和使用專門的軟件工具來(lái)完成。

圖5.改進(jìn)的程序流程具有兩個(gè)獨(dú)立的看門狗切換命令，這些命令在 WDI 引腳上生成上升沿和下降沿信號(hào)。這可以防止程序卡在寄生循環(huán)中。

內(nèi)部與外部看門狗

許多μP具有集成的可編程看門狗，可在軟件控制下禁用。內(nèi)部看門狗容易出現(xiàn)代碼錯(cuò)誤，因此不能提供與獨(dú)立外部看門狗相同的保護(hù)。對(duì)于安全關(guān)鍵型應(yīng)用（即自動(dòng)門、醫(yī)療設(shè)備、機(jī)器人），內(nèi)部看門狗是不可接受的。監(jiān)管機(jī)構(gòu)要求使用單獨(dú)的外部監(jiān)管機(jī)構(gòu)。因此，最好使用外部看門狗來(lái)降低關(guān)鍵系統(tǒng)故障的風(fēng)險(xiǎn)。

簡(jiǎn)單的看門狗加復(fù)位

由于看門狗超時(shí)通常會(huì)復(fù)位系統(tǒng)，因此大多數(shù)看門狗都集成了μP復(fù)位功能，該復(fù)位器還監(jiān)視處理器電源電壓。復(fù)位由看門狗或欠壓條件激活。圖823所示的MAX825-MAX6系列結(jié)合了這兩種功能，提供標(biāo)準(zhǔn)復(fù)位電壓、一個(gè)標(biāo)稱看門狗、一個(gè)復(fù)位超時(shí)，電流消耗僅為6μA。這些器件采用超小型SC70封裝。

圖6.MAX823-MAX825系列集成了兩種常用功能：看門狗和復(fù)位。

工廠預(yù)設(shè)看門狗系列

MAX6316-MAX6322系列提供26路工廠預(yù)設(shè)復(fù)位電壓、1路標(biāo)稱看門狗和<>路標(biāo)稱復(fù)位超時(shí)以及<>種輸出配置（見(jiàn)表<>）。

電容可調(diào)看門狗

如果應(yīng)用需要靈活的看門狗超時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以使用可調(diào)電路。MAX6746-MAX6753系列提供工廠預(yù)設(shè)或分壓器可編程復(fù)位電壓，以及看門狗和復(fù)位超時(shí)的外部電容調(diào)整。圖7顯示了一個(gè)典型的工作電路，其中：

復(fù)位電壓由分壓器R1/R2確定，

復(fù)位超時(shí)由電容決定，以設(shè)置復(fù)位超時(shí)（C.SRT），和

看門狗超時(shí)由電容器設(shè)置，以設(shè)置看門狗超時(shí)（C斯威特).

圖7.圖中給出了電容可調(diào)看門狗系列MAX6346-MAX6353的典型應(yīng)用電路。

圖 8 顯示了 C 的看門狗超時(shí)范圍斯威特值從 100pF 到 100nF。憑借如此廣泛的看門狗超時(shí)范圍，設(shè)計(jì)人員可以為任何應(yīng)用提供解決方案。MAX6301-MAX6304系列與MAX6746-MAX6753系列具有基本相同的特性，但提供SO和DIP封裝。

圖8.此圖顯示了各種可用的看門狗超時(shí)。

引腳可選看門狗，具有更長(zhǎng)的啟動(dòng)/超時(shí)

如果啟動(dòng)例程很長(zhǎng)（參見(jiàn)圖 2），則需要具有兩種不同超時(shí)的看門狗：較長(zhǎng)的初始超時(shí)和較短的正常操作超時(shí)。MAX6369-MAX6374系列具有引腳可編程的啟動(dòng)延遲，可選擇200ms至60s，看門狗超時(shí)范圍為30ms至60s。某些版本提供看門狗的首次邊緣激活，為更長(zhǎng)的啟動(dòng)例程提供解決方案。對(duì)于這些芯片，看門狗在啟動(dòng)期間被禁用，并由μP相關(guān)I/O引腳的第一個(gè)邊沿激活。

具有多個(gè)電源電壓的看門狗

對(duì)于雙電源系統(tǒng)，MAX6358-MAX6360系列可以 監(jiān)視兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電壓，并提供具有長(zhǎng)啟動(dòng)和正常超時(shí)的看門狗。對(duì)于具有三路電源電壓或同時(shí)需要高電平有效和低電平有效復(fù)位功能的系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人員可以使用MAX6721-MAX6729系列。這些器件具有雙模式看門狗，具有較長(zhǎng)的啟動(dòng)時(shí)間以及正常的超時(shí)。它們可監(jiān)測(cè)兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電源電壓（MAX6721-MAX6722）或兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電源電壓加第三個(gè)可調(diào)電源電壓（MAX6723-MAX6724）。這些器件提供手動(dòng)復(fù)位輸入、電源失效比較器、雙復(fù)位輸出以及復(fù)位和/復(fù)位輸出。

具有超高可靠性的窗口看門狗

為實(shí)現(xiàn)超高可靠性，設(shè)計(jì)人員可以使用MAX6323/MAX6324窗口看門狗。對(duì)于這些器件，看門狗的脈沖清除必須在明確指定的時(shí)間窗口內(nèi)發(fā)生。有效脈沖可能最早在最后一個(gè)脈沖后1.5ms到達(dá)，也可能在最后一個(gè)脈沖后10ms到達(dá)（有關(guān)其他范圍，請(qǐng)參見(jiàn)表1）。利用MAX6323/MAX6324，系統(tǒng)從寄生環(huán)路中恢復(fù)，如果清除看門狗命令在環(huán)路內(nèi)，可以產(chǎn)生快速脈沖序列。這些脈沖將清除正常的看門狗，并且不會(huì)產(chǎn)生復(fù)位。使用窗口看門狗可以避免這種情況，因?yàn)樗鼈冃枰撮T狗脈沖之間的最小延遲。這些器件的典型應(yīng)用是防抱死制動(dòng)系統(tǒng)或其他汽車電路、高安全要求的工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用，或系統(tǒng)可用性至關(guān)重要的應(yīng)用。

結(jié)論

由于每個(gè)軟件程序都有代碼錯(cuò)誤，設(shè)計(jì)人員必須確保系統(tǒng)不會(huì)鎖定。噪聲和EMI也會(huì)影響系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，并導(dǎo)致不可預(yù)測(cè)的系統(tǒng)行為?？撮T狗是提高系統(tǒng)可靠性的一種簡(jiǎn)單、廉價(jià)的方法。外部看門狗可防止系統(tǒng)卡住，并在看門狗超時(shí)期限內(nèi)未切換WDI時(shí)復(fù)位μP。由于當(dāng)今的看門狗種類繁多，設(shè)計(jì)人員一定會(huì)找到符合器件要求的器件。

審核編輯：郭婷