高壓看門狗定時器如何提高車載系統(tǒng)安全性

汽車設(shè)計中，越來越多的電子系統(tǒng)正在逐步替代機械功能——從引擎定時控制到剎車、方向盤控制，而電子系統(tǒng)相對容易發(fā)生故障，這就需要謹(jǐn)慎考慮系統(tǒng)的安全性，確保系統(tǒng)具備較高的故障容限。不應(yīng)該在發(fā)生單點故障時將司機或乘客至于危險處境，至少能夠使汽車“跛行”到大路以外或最近的維修站。當(dāng)電子設(shè)備發(fā)生故障時，為確保汽車的安全行駛需要利用監(jiān)控電路開啟備份電路，安全地接管系統(tǒng)操作。

在純機械系統(tǒng)的汽車時代，引擎依照機械方式產(chǎn)生的信號點燃空氣燃料混合器。機械分配器則選擇適當(dāng)?shù)幕鸹ㄈ鼐€傳遞信號。剎車系統(tǒng)則將作用在踏板上的壓力通過剎車軸、剎車總泵、液壓管傳送到制動鉗。離合器和油門只是簡單地受控于連接在踏板上的一條鋼纜。方向盤通過一個金屬舵輪、轉(zhuǎn)向軸、轉(zhuǎn)向齒輪箱以及轉(zhuǎn)向傳動裝置，控制車輪的轉(zhuǎn)角。引擎控制也不同于我們?nèi)缃袷褂玫母叨瓤煽康碾娮涌刂茊卧?ECU)，它沒有計算機輔助剎車系統(tǒng)、離合器、油門或操縱系統(tǒng)。當(dāng)然，也不需要考慮?C失效、控制單元短路等狀況，出現(xiàn)故障失效的因素主要是機械裝置。但是，由于人們非常信任機械設(shè)備的可靠性，也很少考慮系統(tǒng)備份或故障容限問題。當(dāng)然，一旦系統(tǒng)的某個裝置出現(xiàn)故障，則很容易發(fā)生危險，即便沒有發(fā)生危險，汽車也只能被拋錨在出事地點，不得不求助拖車將汽車拖至維修中心。

為了提高汽車駕駛的舒適度和便利性，汽車制造商需要為汽車提供電子裝備，已獲得更高效率、更清潔的環(huán)境以及更高的汽車行駛安全性。早期的ECU只能在發(fā)生故障時停止運行，特別是電子裝置的工作取決于?C。如果?C失效時沒有備用方案來避免發(fā)生危及生命的事故，對于用戶和制造商都是無法接受的；設(shè)計中至少需要采用備用系統(tǒng)，將汽車就近行駛到維修站，由此，人們對故障容限的關(guān)注程度也迅速提高。根據(jù)實際需求，許多MCU開始配備“跛行回家”管理模式。

跛行回家管理模式

“跛行回家”模式指的是ECU內(nèi)部的一種冗余功能，在物理架構(gòu)上這是完全獨立的一部分電路，可以從待機模式下開啟進入失效保護狀態(tài)。這一模式允許汽車在發(fā)生電子系統(tǒng)失效時駛出道路，雖然不能保持原有的行駛性能，但可以確保安全。

新一代引擎ECU都帶有監(jiān)控器件，例如：看門狗定時器，用于測試ECU運轉(zhuǎn)是否正常。一旦檢測到工作異常，發(fā)現(xiàn)電子裝置或?C失效(軟件運行故障)，監(jiān)控器件將開啟“跛行回家”控制模式。例如，當(dāng)汽車引擎故障燈點亮，汽缸只注入一半的燃料給發(fā)動機，此時引擎產(chǎn)生非常低的熱量，但能夠以適中的速度開動汽車，借助剛好支持汽車行駛的能量將汽車開回家或開到汽車維修中心。

另外一個好的案例是新型汽車中的“車身控制計算機”，能夠控制車窗升降、前車燈/尾燈、轉(zhuǎn)向燈以及擋風(fēng)玻璃的雨刷、汽車的自動換檔控制。監(jiān)控電路對ECU的工作狀況進行監(jiān)測，發(fā)生電路單元或?C工作故障時，將激活待機電路，降級行駛，例如：降低遠(yuǎn)光燈、尾燈/剎車燈的亮度，或者只保持第二檔行駛。當(dāng)然，這種狀況下限制了汽車的最高速度，但汽車仍然保持工作，能夠以“跛行回家”模式安全行駛，把車開到維修廠。

冗余

計算機控制應(yīng)用稱為“電控操作”，動力系統(tǒng)內(nèi)部和外部絕大多數(shù)機械控制系統(tǒng)已經(jīng)由機電控制所替代。例如，相互連接的ECU電控裝置已經(jīng)替代了方向盤到車輪之間的所有機械單元。司機移動的方向盤位置將被檢測并轉(zhuǎn)換成數(shù)字電子信號，傳送給智能化機電傳動裝置，最終控制車輪動作。

電控剎車裝置也采用汽車計算機、伺服電機或機電制動鉗替代了早期的剎車軸、剎車總泵等單元。一般意義上講，這些系統(tǒng)對安全性的要求更高，因而對故障容限的要求也更高。

工程師在這些應(yīng)用中設(shè)計了備份電路，構(gòu)建完整的冗余電子控制和監(jiān)控單元，冗余系統(tǒng)在物理結(jié)構(gòu)上應(yīng)該完全獨立于主控單元，始終確保系統(tǒng)提供有效、安全的電控單元。ECU監(jiān)控電路保持主系統(tǒng)的連續(xù)監(jiān)測，必要時可靠地切換到備份系統(tǒng)。

高壓看門狗的優(yōu)勢

考慮到安全性問題，汽車電子系統(tǒng)需要監(jiān)控電路監(jiān)測故障容限或安全性。MAX16997/MAX16998看門狗定時器可理想滿足這類需求，通過對微控制器(?C)正常工作條件下產(chǎn)生的周期脈沖進行檢測，偵測電路或?C的失效狀態(tài)，一旦發(fā)生故障可立即切換到備份/冗余系統(tǒng)。

MAX16997/MAX16998具有超時和窗式看門狗監(jiān)測功能，器件帶有看門狗觸發(fā)器輸入(WDI)，提供漏極開路?C 復(fù)位輸出(RESET)和漏極開路冗余系統(tǒng)使能輸出(ENABLE)。

對于MAX16998，復(fù)位門限可以由介于低壓電源(例如：?C電源)、外部電壓監(jiān)測輸入(RESETIN)和GND之間的外部電阻分壓器(圖1所示)設(shè)置。MAX16997可以在使能輸入端(EN)讀取KL15 (點火開關(guān))的狀態(tài)，在汽車啟動后使能內(nèi)部的監(jiān)控定時器(圖2)。這時，看門狗的超時周期延長到標(biāo)稱周期的8倍，為?C留出足夠的開啟時間。

圖1：MAX16998高壓看門狗定時器采用獨立的下游低壓電源(LDO)供電，為電池短路保護提供安全保護屏障，從而使器件能夠在故障條件下可靠地切換到冗余電路。

圖2：類似于MAX16998，MAX16997能夠在故障狀態(tài)下安全地切換到冗余電路。它還具有高電平有效使能輸入(EN)，用于開啟或關(guān)閉看門狗定時器。

可以利用外部電容(分別置于SRT和SWT輸入)獨立設(shè)置復(fù)位延時(MAX16998)和看門狗超時，看門狗窗口監(jiān)測可以由工廠預(yù)置在可調(diào)節(jié)看門狗定周期的50%或75%。

18?A (典型值)超低工作電流使得MAX16997/MAX16998在汽車ECU應(yīng)用中非常重要，因為這些電路始終處于開啟狀態(tài)。另外，這些器件提供3mm x 3mm、8引腳?MAX?封裝，確保工作在-40°C至+125°C汽車級溫度范圍。

這些IC直接采用12V汽車電池供電，可以承受高達(dá)45V的電壓瞬變(IN和ENABLE引腳)，而典型的看門狗定時器則是采用下游的低壓電源(例如，5V)供電。因此，即使在下游電路斷電或發(fā)生與地短路時，MAX16997/MAX16998也能保持工作并且安全地切換到冗余電路(通過觸發(fā)ENABLE引腳)。為了使這些器件能夠支持更高的故障容限，器件在RESET、WDI、EN和RESETIN引腳提供故障保護，能夠承受20V的電壓(圖1和圖2)。由此可以看出，這些電路也提供了一個可靠的保護屏障，避免受下游電路故障失效的影響，備份電路應(yīng)該從物理層面獨立于“常規(guī)”控制電路，發(fā)生故障時能夠安全地切換到備份模式。

MAX16997/MAX16998時序

上電后，當(dāng)RESETIN引腳電壓(VRESETIN)高于上電復(fù)位門限(VPON)時，RESET將在復(fù)位時間(tRESET)內(nèi)持續(xù)保持低電平，隨后便為高電平。同時，看門狗定時器開始計時(tWP)。如果在規(guī)定的開放時間窗口(tOW)內(nèi)沒有產(chǎn)生WDI觸發(fā)信號，RESET將被再次置為低電平，復(fù)位?C。如果在連續(xù)的三次觸發(fā)中，觸發(fā)信號均處于關(guān)閉窗口(tCW)或在看門狗周期(tWP)結(jié)束之后，ENABLE信號將被置低。如果在連續(xù)的三次看門狗觸發(fā)信號中，WDI觸發(fā)信號又重新回到開放的看門狗周期窗口內(nèi)(tWDI)，ENABLE將重新回到高電平，系統(tǒng)切換到正常工作模式(圖3)。

圖3：MAX16998時序圖(窗式看門狗)。

看門狗超時與窗式看門狗

MAX16997/MAX16998A提供標(biāo)準(zhǔn)的看門狗超時周期，而MAX16998B/D則提供窗式看門狗功能(圖4)。根據(jù)實際應(yīng)用對安全等級的要求選擇不同類型的器件，調(diào)整看門狗超時確保在看門狗定時周期內(nèi)將定時器清零，否則器件將產(chǎn)生復(fù)位信號。由此，可以利用這些看門狗檢測程序運行的失效狀態(tài)，例如，程序運行過緩或者是數(shù)字時鐘(例如，晶振產(chǎn)生的時鐘)速率降低；而窗式看門狗則需確保定時器在規(guī)定的時間窗口內(nèi)將定時器清零，由此，它們可以檢測到一些額外的故障，例如，程序運行過快或時鐘過快，可以支持更高的安全等級。

圖4：MAX16998看門狗定時周期(窗式看門狗)。

圖4中的第三種情況說明了在規(guī)定的時間窗口內(nèi)觸發(fā)WDI的情況；第1種情況則是錯誤地觸發(fā)了WDI，信號過早地觸發(fā)WDI從而產(chǎn)生故障指示，導(dǎo)致故障發(fā)生的原因是程序運行過快或振蕩器時鐘頻率加快；第2種情況也是錯處觸發(fā)WDI的一種表現(xiàn)——看門狗觸發(fā)信號輸出延時過大，表明程序運行過緩或振蕩器時鐘頻率變慢。

本文小結(jié)

故障容限和汽車安全性成為汽車電子設(shè)計的關(guān)鍵因素，為了提高汽車工作效率，改善舒適度并降低風(fēng)險，需要高效管理系統(tǒng)的各個單元：硬件、軟件、傳感器、受動裝置和操作單元。高壓看門狗定時器(如：MAX16997/MAX16998)為達(dá)到這一目標(biāo)起到了關(guān)鍵作用。