用CD制作看門狗報警電路

1、 用CD4060制作看門狗報警電路看門狗定時器（WDT，Watch Dog Timer）是單片機的一個組成部分，它實際上是一個計數(shù)器，一般給看門狗一個大數(shù)，程序開始運行后看門狗開始倒計數(shù)。如果程序運行正常，過一段時間CPU應(yīng)發(fā)出指令讓看門狗，重新開始倒計數(shù)。如果看門狗減到0就認為程序沒有正常工作，強制整個系統(tǒng)復(fù)位。原理圖：CD4060芯片特性1) 電壓范圍寬，應(yīng)該可以工作在3V15V，輸入阻抗高，驅(qū)動能力差外，跟74系列的功能基本沒有區(qū)別；2) 輸入時，1/2工作電壓以下為0，1/2工作電壓以上為1；3) 輸出時，1=工作電壓；0=0V；4) 驅(qū)動能力奇差，在設(shè)計時最多只能帶1個TTL負載；5

2、) 如果加上拉電阻的話，至少要100K電阻；6) 唯一現(xiàn)在使用的可能就是計數(shù)器，CD4060的計數(shù)器可以到14級二進制串行計數(shù)。以AT89C51為例：看門狗電路由14位二進制計數(shù)器CD4060和三極管VT1、VT2等組成。       Vout接單片機AT89C51的引腳輸出口P1.7，由單片機的CPU向看門狗電路發(fā)送喂狗信號正脈沖，在兩個正脈沖間隔內(nèi)，P1.7保持為低電平(此功能要結(jié)合軟件才能實現(xiàn)，相應(yīng)的軟件設(shè)計在下面介紹)。我們知道，單片機AT89C51的IO口帶灌電流負載的能力比較大，每個引腳低電平時的吸入電流為20 mA，帶拉

3、電流負載的能力卻很小，實測情況是，每個引腳高電平時的輸出電流僅25A，現(xiàn)在P1.7口被設(shè)計成帶拉電流負載的方式，為了提高P1.7口帶拉電流負載的能力，所以，電路中設(shè)置了上拉電阻R3。      14位二進制計數(shù)器CD4060的計數(shù)脈沖由其內(nèi)部振蕩器和外接阻容元件R1、R2、C1組成的電路產(chǎn)生，振蕩周期為      T0SC=2.2×R1×C1=0.22 ms      振蕩器產(chǎn)生的計數(shù)脈沖(矩形波)可以直接引出，同時還可以從C

4、D4060的10個輸出端Q4Q10和Q12Q14得到不同分頻系數(shù)的方波輸出，各方波輸出信號的周期如表1所示。這樣，如果CD4060得不到CPU通過P1.7口發(fā)送來的喂狗信號正脈沖，則CD4060的輸出端Q14在1.8S內(nèi)將產(chǎn)生一個完整周期的方波信號，而且低電平在前，高電平在后，其高電平經(jīng)三極管VT1、VT2處理后形成單片機AT89C51的復(fù)位信號，使單片機AT89C51復(fù)位。由此可見，單片機AT89C51正常工作時，只要在0.9S內(nèi)從P1.7口送出一個正脈沖，便可及時清零看門狗，輸出端Q14就不會產(chǎn)生定時溢出信號，從而使看門狗電路對單片機系統(tǒng)不起作用。并且，從CD4060的10個輸出端Q4Q1

5、0和Q12Q14可以得到不同周期的方波信號，經(jīng)三極管VT1、VT2處理后形成單片機系統(tǒng)的復(fù)位信號，可以適應(yīng)不同用戶應(yīng)用程序，從而該硬件看門狗電路可以適應(yīng)不同的單片機應(yīng)用系統(tǒng)。對MCS-51系列的單片機而言，它所需要的復(fù)位信號是高電平寬度大于2個機器周期的正脈沖，例如，單片機的時鐘脈沖頻率為12 MHz時，則所需要的復(fù)位信號高電平寬度為2s以上就可以了，而由上面的分析可知，CD4060的Q14輸出的是高電平寬度為0.9 s的方波，如果讓它直接作為單片機的復(fù)位信號，則單片機的復(fù)位時間勢必在0.9 s以上，這樣盡管可以使程序跑飛的單片機復(fù)位，但是顯然沒有做到盡快地引導(dǎo)跑飛的程序到正確的軌道來，如果這

6、樣做的話，對于某些單片機應(yīng)用系統(tǒng)而言可能帶來非常嚴重的后果。圖1中的三極管VT1、VT2及其周圍阻容元件構(gòu)成波形轉(zhuǎn)換電路，把較寬的正脈沖變換為較窄的正脈沖，從而較好地解決了上述的問題。三極管VT1、VT2構(gòu)成的2級直接耦合放大器作為緩沖器使用，它是CD4060的輸出端Q14的灌電流負載，C2、R8是微分電路。      經(jīng)分析后不難看出，電路中的R7、R8、C2還具有單片機上電復(fù)位的功能。      2 上電復(fù)位與看門狗信號復(fù)位的不同處理過程    

7、60; 由于程序跑飛很可能會造成一些隨機破壞事件，對某些系統(tǒng)而言，希望盡可能從斷點處恢復(fù)運行，因此，有必要妥善解決跑飛的程序回復(fù)后的處理。      單片機應(yīng)用系統(tǒng)上電時，上電復(fù)位電路會使得單片機處于復(fù)位狀態(tài)，這一般稱為冷啟動，這種情況下，單片機處于復(fù)位狀態(tài)表現(xiàn)為：      (1) 程序計數(shù)器PC的值為0000H。      (2) IO口(P0、P1、P2、P3(1)為FFH狀態(tài)，即準雙向IO口的輸入狀態(tài)。   

8、   (3) 堆棧指示器SP=07H，即堆棧底為片內(nèi)RAM的07H單元。      (4) 除上述狀態(tài)外，所有特殊功能寄存器SFR的有效位均為0。      (5) 上電復(fù)位時，由于是重新供電，RAM在斷電時數(shù)據(jù)丟失，上電復(fù)位后為隨機數(shù)。      單片機應(yīng)用系統(tǒng)的程序跑飛時，看門狗產(chǎn)生復(fù)位信號，也會使得單片機處于復(fù)位狀態(tài)，這一般稱為熱啟動，這種情況下，單片機處于復(fù)位狀態(tài)表現(xiàn)為：    

9、  (1) 程序計數(shù)器PC的值為0000H。      (2)IO口(P0、P1、P2、P3)為FFH狀態(tài)，即準雙向IO口的輸入狀態(tài)。      (3)堆棧指示器SP=07H，即堆棧底為片內(nèi)RAM的07H單元。      (4)除上述狀態(tài)外，所有特殊功能寄存器SFR的有效位均為0。      (5)復(fù)位信號使得單片機處于復(fù)位狀態(tài)時，片內(nèi)RAM中的數(shù)據(jù)不受影響。  &#

10、160;   比較上面兩種單片機復(fù)位方式可知，上電復(fù)位與信號復(fù)位不同之處是第(5)點，這正是我們區(qū)分兩種單片機復(fù)位方式的根據(jù)。具體方法是設(shè)置上電復(fù)位標志，例如，片內(nèi)RAM的7EH單元和7FH單元分別為(7EH)=18H且(7FH)=81H時表示已完成上電復(fù)位。上面兩種單片機復(fù)位方式都使得程序從0000H入口。然而，上電復(fù)位后要進行系統(tǒng)的完全初始化，而程序跑飛回復(fù)后往往要求保留一些過程參數(shù)，不允許重新初始化，而且還要對一些關(guān)鍵參數(shù)進行檢查與修復(fù)。       因此，要根據(jù)不同情況進行不同的初始化處理。圖2是上電復(fù)位與

11、程序跑飛回復(fù)初始化處理框圖。0000H是MCU的復(fù)位人口，程序啟動后，首先判斷是上電復(fù)位(冷啟動)，還是程序跑飛回復(fù)(熱啟動)。上電復(fù)位是開機操作，要建立上電標志，并進行系統(tǒng)的完全初始化。程序跑飛回復(fù)應(yīng)進行相關(guān)資源的檢查與修復(fù)，以防止系統(tǒng)運行出錯。另外，根據(jù)系統(tǒng)特點，需要保留一些過程數(shù)據(jù)，不得進行完全初始化。 3 喂狗指令插入原理與位置      單片機應(yīng)用系統(tǒng)運行正常時，單片機的CPU應(yīng)在0.9 s內(nèi)從P1.7口送出一個正脈沖，使看門狗及時清零，也就是說，CPU要在0.9 s以內(nèi)執(zhí)行一次下面的喂狗程序段(喂狗指令)：SETBP1.7

12、NOPNOPCLRP1.7      喂狗程序段插入到用戶應(yīng)用程序之中。單片機系統(tǒng)的用戶應(yīng)用程序一般由循環(huán)結(jié)構(gòu)的主程序和中斷服務(wù)子程序組成。首先，應(yīng)盡可能準確地估算各應(yīng)用功能模塊的運行時間，估算運行時間的時候，應(yīng)考慮程序可能被中斷，應(yīng)把中斷程序的運行時間也計算在內(nèi)。然后，在若干個應(yīng)用功能模塊的運行時間小于0.9 s的兩個應(yīng)用功能模塊之間插入上面的喂狗程序段。      為了防止看門狗非正常失效(即：已發(fā)生程序跑飛但看門狗不“叫”不產(chǎn)生單片機所需要的復(fù)位信號)，在用戶應(yīng)用程序中插入喂狗程序段時應(yīng)注

13、意下面3點。      (1)避免在中斷服務(wù)子程序中插入喂狗程序段。      當MCU受干擾而發(fā)生程序跑飛，只要MCU片內(nèi)中斷允許控制寄存器不遭破壞，則不論程序飛到什么地方，CPU仍能像程序正常運行時一樣響應(yīng)和執(zhí)行中斷服務(wù)子程序。因此，在各中斷服務(wù)子程序中都不應(yīng)該插入喂狗程序段。      (2)避免在用戶應(yīng)用程序中的局部循環(huán)圈內(nèi)插入喂狗程序段。      這樣的話，即使程序跑飛后非正常進入該循

14、環(huán)圈內(nèi)，并且跑飛后的程序在該循環(huán)圈內(nèi)“死循環(huán)”，也會因為看門狗接收不到喂狗信號，發(fā)生看門狗定時計數(shù)溢出，進而使系統(tǒng)恢復(fù)正常運行。      (3)對P1口的其它7根IO線的輸入和輸出操作全部采用位操作指令，這樣的話，對P1口的所有操作都是采用的位操作指令。因為如果對P1.0P1.6的輸入和輸出操作采用直接尋址的方式完成，則勢必會有可能影響到P1.7的輸出操作，從而可能導(dǎo)致看門狗非正常失效。      4 結(jié) 論      在用戶應(yīng)用程序中插入喂狗

15、程序段后，相當于啟動了看門狗，就無法再使用各類單片機開發(fā)系統(tǒng)或單片機仿真器對該應(yīng)用系統(tǒng)進行仿真調(diào)試。所以，單片機應(yīng)用系統(tǒng)在開始設(shè)計和調(diào)試用戶應(yīng)用程序時，通常不連接看門狗電路，也不在用戶應(yīng)用程序中插入喂狗程序段，而是在用戶應(yīng)用程序研發(fā)成功后，再將看門狗電路連接到硬件系統(tǒng)中，并在用戶應(yīng)用程序中插入喂狗程序段，并且進行系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗，以檢驗系統(tǒng)的抗干擾能力是否滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求。      將采用了CD4060的硬件看門狗技術(shù)的單片機應(yīng)用系統(tǒng)放置在具有較強電磁干擾的環(huán)境中工作，如果能長時間連續(xù)正常地工作，則說明系統(tǒng)具有較強的抗干擾能力。作者曾在采用了基于CD4060的硬件看門狗技術(shù)的單片機應(yīng)用系統(tǒng)的交流電源插座處，較頻繁地插撥其它用電設(shè)備的交流電源插頭，沒有發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)程序跑飛的現(xiàn)象。相反地，把系統(tǒng)中的硬件看門狗電路拆掉，則系統(tǒng)在多次插撥其它用電設(shè)備的交流電源插頭的情況下，有時會出現(xiàn)系統(tǒng)程序跑飛的現(xiàn)象。由此可見，基于CD4060的