李延慶，馬勇，楊凡奇

（1.西安蘭德新能源汽車技術(shù)開發(fā)有限公司，陜西 西安 710043；2.陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

一種硬件看門狗電路設(shè)計(jì)

李延慶1，馬勇2，楊凡奇1

（1.西安蘭德新能源汽車技術(shù)開發(fā)有限公司，陜西 西安 710043；2.陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

文章介紹了一種比較實(shí)用的硬件看門狗電路，并詳細(xì)介紹了該電路的工作原理。該電路構(gòu)思巧妙，原理簡單，運(yùn)行可靠，成本低廉，可與軟件相互協(xié)調(diào)使用，具有很強(qiáng)的抗干擾能力。

看門狗；硬件；抗干擾

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.01.016

CLC NO.:U467.4 Document Code:A Article ID:1671-7988(2016)01-47-02

引言

在由單片機(jī)構(gòu)成的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，由于單片機(jī)的工作常常會受到來自外界電磁場的干擾，造成程序跑飛而陷入死循環(huán)，程序的正常運(yùn)行被打斷，由單片機(jī)控制的系統(tǒng)無法繼續(xù)工作，造成整個(gè)系統(tǒng)陷入停滯狀態(tài)，發(fā)生不可預(yù)料的后果。處于對單片機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測的考慮，便產(chǎn)生了一種專門用于監(jiān)測單片機(jī)程序運(yùn)行狀態(tài)的電路或芯片，稱之為“看門狗”。傳統(tǒng)的看門狗硬件電路主要由觸發(fā)器或芯片構(gòu)成，成本高且復(fù)位時(shí)需要執(zhí)行初始化程序降低了工作效率。鑒于此，本文提供了一種由簡單器件構(gòu)成的看門狗電路，成本低廉，運(yùn)行可靠。

1、一般看門狗硬件電路設(shè)計(jì)原理

看門狗，又叫watchdog，從本質(zhì)上來說就是一個(gè)定時(shí)器電路，一般有一個(gè)輸入和一個(gè)輸出，其中輸入叫做喂狗，輸出一般連接到另外一個(gè)部分的復(fù)位端，一般是連接到單片機(jī)。

單片機(jī)正常工作的時(shí)候，每隔一段時(shí)間輸出一個(gè)信號到喂狗端，給看門狗電路清零，如果在超過規(guī)定的時(shí)間不喂狗，定時(shí)超時(shí)，就會給一個(gè)復(fù)位信號到達(dá)單片機(jī)，使單片機(jī)復(fù)位，防止單片機(jī)程序跑飛。看門狗電路的作用就是防止程序發(fā)生死循環(huán)，或者說程序跑飛。

2、看門狗硬件電路設(shè)計(jì)

本文按照看門狗硬件電路設(shè)計(jì)原理，利用電阻、電容、MOSFET、反相觸發(fā)器搭建了一套運(yùn)行可靠的看門狗電路。

2.1 電路設(shè)計(jì)

圖1 看門狗硬件設(shè)計(jì)電路圖

如圖1所示，信號“WATCHDOG_KICK”為“喂狗”信號；RESET為復(fù)位信號，一般在整套電氣系統(tǒng)里與單片機(jī)的reset引腳相連；U1，U2，U3，U4為邏輯反相器；Q1、Q2、Q3為N型MOSFET；VCC一般為5v電壓。

2.2 自振蕩分析

本文所提供的看門狗硬件電路具有自振蕩功能。如圖1所示，假如VCC=5v，反相器U1、U2、U3、U4的芯片供電電壓為5v，在沒有外界輸入的情況下，RESET電平為5v，通過U1反相觸發(fā)器后的電壓為0，Q1不導(dǎo)通，反相觸發(fā)器U2的輸入端取VCC電壓5v，通過反相觸發(fā)器U3后輸出為5v，給電容C5充電，一定時(shí)間后Q2導(dǎo)通，反相觸發(fā)器U4的輸入端為0，輸出端為5v，故Q3導(dǎo)通，RESET輸出為0。RESET為0時(shí)，反相觸發(fā)器U1輸出5v，Q1導(dǎo)通，反相觸發(fā)器U2輸入端為0v，通過反相觸發(fā)器U3后輸出0，Q2不導(dǎo)通，反相觸發(fā)器U4輸出0，Q3不導(dǎo)通，RESET輸出5v，如此反復(fù)，RESET電平在0v和5v之間轉(zhuǎn)換，用仿真器仿真即可看到一個(gè)完整的自振蕩波形，自振蕩的周期主要由C2、C3、C6電容的充放電時(shí)間決定。

當(dāng)RESET處于高電平時(shí)，電容C2、C3充電，C6放電；當(dāng)RESET處于低電平時(shí)，電容C2、C3放電，C6充電。設(shè)反相觸發(fā)器由高到低的輸入跳變電壓為VT+，由低到高的輸入跳變電壓為VT-，電容C2、C3充電時(shí)間t11，C6的放電時(shí)間為t12。

則，RESET處于高電平的時(shí)間 t1=t11+t12

電容C2、C3放電時(shí)間為t21，C6充電時(shí)間為t22，

則，RESET處于低電平的時(shí)間 t2=t21+t22，

具體計(jì)算如下：

C2、C3充電時(shí)：

則，t11=-（R2+R3）(C2+C3)ln(1-VT+/5)

C6放電時(shí)：

則，t12=-R7*C6ln(VT-/5)

C2、C3放電時(shí)：

則，t21=-R3(C2+C3)ln（VT-/5）

C6充電時(shí)：

則，t22=-（R6+R7）*C6ln(1-VT+/5)

則，RESET處于高電平的時(shí)間

t1=-（R2+R3）(C2+C3)ln(1-VT+/5) - R7*C6 ln（VT-/5）

則，RESET處于低電平的時(shí)間

t2=-R3(C2+C3)ln（VT-/5）-（R6+R7）*C6ln(1-VT+/5)發(fā)生自振蕩的周期T=t1+t2

則設(shè)置至少在t2時(shí)間內(nèi)“喂狗”一次，保證電路不會復(fù)位，確保電路其他系統(tǒng)正常工作。一般WATCHDOG_KICK，即“喂狗”信號設(shè)置為脈沖信號，在小于等于t2的時(shí)間內(nèi)一定有一個(gè)上升沿發(fā)生，去觸發(fā)電路，使得看門狗電路不發(fā)生復(fù)位。

2.3 舉例仿真

為了體現(xiàn)本論文的實(shí)用性及可靠性，我們按照論文搭建了電路并進(jìn)行仿真。按圖1所示，我們?nèi)≌撐闹蟹聪嗥鳛?4HC14，R2=110K，R3=10，C2=C3=470n，R6=82k，R7=10，C6=220n；電路仿真圖如下：

圖2 自振蕩波形圖

如圖2為本論文看門狗電路產(chǎn)生的自振蕩電路，從圖中看出RESET的低電平時(shí)間大概是13ms，那么在13ms內(nèi)必須“喂狗”一次，才會使得看門狗電路不復(fù)位。我們給一個(gè)周期是20ms，占空比是50%的“喂狗”脈沖，如圖3所示每10ms喂狗一次，則電路不復(fù)位，如下為仿真圖。

圖3 “喂狗”波形圖

圖4 “喂狗”后的RESET波形圖

可以將以上給的R、C值代入自振蕩分析的相關(guān)公式，通過理論計(jì)算獲得RESET自振蕩時(shí)的低電平時(shí)間與仿真獲得結(jié)果是一致的，進(jìn)一步證明了本論文的實(shí)用性和可靠性。

3、總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一種由反相觸發(fā)器、電阻電容、MOSFET構(gòu)成的看門狗電路，具有自振蕩功能，原理簡單，可靠性高，成本較低。文中給出了看門狗電路自振蕩 周期的相關(guān)計(jì)算公式，使用者根據(jù)實(shí)際情況，通過設(shè)置相關(guān)R、C參數(shù)來確定系統(tǒng)復(fù)位時(shí)間和“喂狗”時(shí)間。

[1] 胡屏,柏軍.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的看門狗技術(shù)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（信息科學(xué)版）,2003.

[2] 馬利民,金可之，金有道.一種簡單實(shí)用的WATCH DOG電路及應(yīng)用[J].機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化,1994.

A hardware watchdog circuit design

Li Yanqing1, Ma Yong2, Yang Fanqi1
( 1.Xi’an Lande New Energy Vehicle Technology Development Co., Ltd., Shaanxi Xi’an 710043; 2.Shaanxi Heavy Duty Automobile Co., Ltd., Shaanxi Xi’an 710200）

This paper introduces a kind of practical hardware watchdog circuit. And introduced the working principle of the circuit in detail. The circuit clever, simple principle, reliable operation, low cost ,can be used with software coordinate with each other, and has a strong anti-interference ability.

watchdog; hardware; anti-interference

U467.4

A

1671-7988(2016)01-47-02

李延慶，就職于西安蘭德新能源汽車技術(shù)開發(fā)有限公司。馬勇，就職于陜西重型汽車有限公司。楊凡奇，就職于西安蘭德新能源汽車技術(shù)開發(fā)有限公司。