看門狗的工作原理 看門狗的類型

?看門狗(Watchdog)是一種用于監(jiān)控系統(tǒng)運行狀況的技術，主要功能是在系統(tǒng)出現(xiàn)異常時進行重啟，防止系統(tǒng)崩潰。??12看門狗的基本功能，看門狗本質上是一個定時器電路，它定期檢查系統(tǒng)的運行狀態(tài)。如果系統(tǒng)正常運行，用戶需要在特定時間間隔內“喂狗”(重置定時器)，以防止系統(tǒng)重啟。如果系統(tǒng)出現(xiàn)異常，導致“喂狗”操作未能按時執(zhí)行，看門狗定時器將達到其設定時間限制，從而觸發(fā)系統(tǒng)重啟，恢復系統(tǒng)的正常運行。

看門狗的類型

?獨立看門狗?：這是一種基本的看門狗定時器，通常是一個遞減計數(shù)器。當計數(shù)器減到0時，會產(chǎn)生復位信號。用戶可以在計數(shù)器減到0之前通過“喂狗”操作來重置計數(shù)器，從而避免系統(tǒng)重啟。

?窗口看門狗?：這是一種高級看門狗定時器，通過設置一個時間窗口來監(jiān)控系統(tǒng)的運行狀態(tài)。與獨立看門狗不同，窗口看門狗通過限制“喂狗”的時間窗口，可以更精確地檢測系統(tǒng)的異常運行情況，避免系統(tǒng)過早或過晚重置。

看門狗的工作原理

看門狗主要由寄存器、計數(shù)器和狗叫模塊構成。通過寄存器對看門狗進行基本設置，計數(shù)器計算狗叫時間，狗叫模塊決定看門狗超時后發(fā)出的中斷或復位方式。系統(tǒng)上電后，根據(jù)不同的工作模式可以選擇使能看門狗的時機。如果看門狗被使能，計數(shù)器開始計數(shù)。如果在設定的時間內沒有及時喂狗，則會發(fā)生看門狗超時，系統(tǒng)將進入中斷處理程序或強制復位。

看門狗的應用場景

看門狗廣泛應用于各種嵌入式系統(tǒng)中，如單片機、微型計算機系統(tǒng)等。它能夠有效防止系統(tǒng)因電磁干擾或其他異常情況導致的死循環(huán)或程序錯誤，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

隨著汽車電子對功能安全等級的要求提高，越來越多的汽車電子系統(tǒng)也用上了看門狗(Watchdog)功能來提高電源的安全性和可靠性，以滿足功能安全的要求。本文將介紹帶看門狗電源的分類、系統(tǒng)框圖、工作原理以及典型應用。

通常，我們將帶有看門狗的電源分為三類：

■ 基本型看門狗電源

■ 窗口型看門狗電源

■ 問答型看門狗電源

1. 基本型看門狗電源

1.1系統(tǒng)框圖

圖1：線性穩(wěn)壓器L4995的系統(tǒng)框圖。

以意法半導體(ST)的線性穩(wěn)壓器L4995為例，從其系統(tǒng)框圖(圖1)中可以看到，基本型看門狗電路基本有以下三種功能引腳：

■ 基本功能引腳

– Vin(電池輸入)

– Vo(穩(wěn)壓器電壓輸出)

– GND

■ 用3個引腳來實現(xiàn)看門狗的功能(Wi、Vcw、Res)

– Wi(WD PWM輸入)

– Vcw(WD電容器引腳)

– Res(復位)

■ 保護功能(沒有列出所有的保護功能)

– 負載電流限流

– 溫度關斷

1.2 工作原理

圖2：L4995工作原理。

連接的微控制器由看門狗輸入Wi監(jiān)控。如果脈沖丟失，復位輸出引腳設置為低(圖2)。利用外部電容器Ctw，可以在較寬的范圍內設置脈沖序列時間。看門狗電路用恒流Icwd向電容器Ctw放電。如果達到較低的閾值Vwlth，將看門狗重置。

每個Wi正邊沿將電流源從放電切換到充電。當達到較低的閾值時也會發(fā)生同樣的情況。當電壓達到上限時，電流從充電切換到放電，其結果是一個鋸齒波。Vcw為看門狗定時器電容器Ctw處的電壓。

2. 窗口型看門狗

2.1系統(tǒng)框圖

圖3：低壓差穩(wěn)壓器TLE7273-2系統(tǒng)框圖。

英飛凌(Infineon)的低壓差穩(wěn)壓器TLE7273-2中所內置的看門狗即為窗口型看門狗，其系統(tǒng)框圖如圖3所示。

2.2 工作原理

圖4：TPS7A63xx-Q1內置看門狗的窗口持續(xù)時間。

以TI低壓差穩(wěn)壓器TPS7A63xx-Q1為例，如圖4所示，每個看門狗窗口由一個打開的窗口和一個關閉的窗口組成，每個窗口的寬度約為看門狗窗口的50%。但有一個例外：看門狗初始化后第一個打開的窗口是看門狗窗口持續(xù)時間的8倍。除看門狗初始化后打開的窗口外，所有打開的窗口都是看門狗窗口寬度的一半。初始化時，看門狗只能在打開的窗口中接收服務(通過軟件、外部微控制器等)。在關閉的窗口中維護的看門狗，或在打開的窗口中不維護的看門狗，會造成看門狗的報錯。

3. 問答型看門狗

3.1系統(tǒng)框圖

用德州儀器(TI)的TPS65381(用于安全關鍵型應用中的微處理器的多軌電源)的系統(tǒng)框圖(圖5)來示意帶有問答型看門狗的結構。

圖5：TPS65381系統(tǒng)框圖。

3.2 工作原理

下面用DRV3205-Q1(TI的一款用于汽車安全應用的具有3個電流感應放大器的三相電機前置驅動器IC)的問答型看門狗來解釋一下具體的工作原理(圖6)。

圖6：看門狗定時器簡化流程圖。

問答型看門狗通過SPI發(fā)送特定的消息序列定期進行操作。根據(jù)單片機的請求，DRV3205-Q1向SPI上的MCU，鎖定在WDT_ANSWER令牌U值寄存器中。單片機執(zhí)行一系列固定的對令牌值進行算術運算，并將生成的令牌值返回給MCU通過寫入WDT_ANSWER應答寄存器的SPI。DRV3205-Q1設備驗證MCU是否返回令牌值在指定的時間窗口內產(chǎn)生(應答)，并且令牌值響應(答案)正確。

● 當MCU在正確的時間窗口內執(zhí)行與看門狗相關的SPI通信時，并返回正確計算的響應(答案)，看門狗認為這是好事件。

● 當MCU在正確的定時窗口外執(zhí)行與看門狗相關的SPI通信時，或返回錯誤計算的令牌響應(答案)，或返回錯誤的正確答案順序，看門狗認為這是壞事件。

● 當MCU在看門狗超時期間暫停看門狗相關的SPI通信時窗口，看門狗將此視為無響應事件。

● 內部計數(shù)器存儲wd_fail_cnt寄存器中的錯誤響應數(shù)，該寄存器觸發(fā)。

● 如果wd_fail_cnt達到預先定義的限制，則失敗。通過在wd_fail_max中指定限制注冊后，可以為壞事件的數(shù)量設置一個緩沖區(qū)。

問答型看門狗目前用在對應功能安全等級ASIL-C/D的汽車系統(tǒng)中，例如EPS。但這個電路的缺點就是增加了控制軟件的復雜度，同時也增加了硬件的成本，需要依據(jù)具體的系統(tǒng)要求來選用。

綜上所述，汽車中帶有看門狗功能的電源依據(jù)不同的應用場合可以合適地選用。需要在成本、復雜性、可靠性和功能安全等方面進行綜合權衡后得出一個折衷的選擇。軟件看門狗技術的原理和這差不多，只不過是用軟件的方法實現(xiàn)，我們還是以51系列來講，我們知道在51單片機中有兩個定時器，我們就可以用這兩個定時器來對主程序的運行進行監(jiān)控。我們可以對T0設定一定的定時時間，當產(chǎn)生定時中斷的時候對一個變量進行賦值，而這個變量在主程序運行的開始已經(jīng)有了一個初值，在這里我們要設定的定時值要小于主程序的運行時間，這樣在主程序的尾部對變量的值進行判斷，如果值發(fā)生了預期的變化，就說明T0中斷正常，如果沒有發(fā)生變化則使程序復位。對于T1我們用來監(jiān)控主程序的運行，我們給T1設定一定的定時時間，在主程序中對其進行復位，如果不能在一定的時間里對其進行復位，T1 的定時中斷就會使單片機復位。在這里T1的定時時間要設的大于主程序的運行時間，給主程序留有一定的的余量。而T1的中斷正常與否我們再由T0定時中斷子程序來監(jiān)視。這樣就構成了一個循環(huán)，T0監(jiān)視T1，T1監(jiān)視主程序，主程序又來監(jiān)視T0，從而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。