Watchdog在8XC552系列單片機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用

1引言

Philips公司的8XC552單片機(jī)以其體積小、功能強(qiáng)、價(jià)格低等優(yōu)勢而廣泛地使用在工業(yè)控制、DCS控制和智能儀器等領(lǐng)域。筆者在智能配電監(jiān)測儀的研制過程中，雖然采取了相應(yīng)的抗干擾措施，但由于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境中電磁場、電網(wǎng)尖峰、諧波、浪涌及雷電輻射等影響，仍有可能出現(xiàn)程序死循環(huán)、跑飛等失控現(xiàn)象。為此，筆者采用Watchdog技術(shù)保證了系統(tǒng)的正常運(yùn)行，通常 Watchdog技術(shù)在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中可分為軟件Watchdog和硬件Watchdog。Philips公司的8XC552、Intel的8098、 Motorala的68C05以及Microchip的16C5X系列單片機(jī)本身已帶有軟件Watchdog功能，因此，只要硬件接法正確，在軟件設(shè)計(jì)中調(diào)用相應(yīng)語句進(jìn)行啟動(dòng)即可。

2硬件組成原理

2．1系統(tǒng)工作原理

圖1所示是87C522單片機(jī)用于智能型配電儀的連接電路，本智能配電儀中的87C552為主控芯片，該芯片除具有三個(gè)16位定時(shí)器T0、T1及T2 外，還有一個(gè)專作監(jiān)視8位定時(shí)器、簡稱 WDT（WatchdogTimer）的T3定時(shí)器。因?yàn)槲⒖刂破饔袝r(shí)會(huì)受噪音、射頻干擾等環(huán)境因素的影響而導(dǎo)入錯(cuò)誤的運(yùn)行狀態(tài)。監(jiān)視定時(shí)器的功能就是在某特定的時(shí)限內(nèi)使微控制器復(fù)位，從而將其從錯(cuò)誤的狀態(tài)中恢復(fù)過來以重新開始正常運(yùn)行。當(dāng)T3用作Watchdog定時(shí)器并由軟件啟動(dòng)計(jì)時(shí)后，如果系統(tǒng)已達(dá)到所設(shè)定的預(yù)定時(shí)間而仍沒有重新啟動(dòng)定時(shí)器，此時(shí)就會(huì)產(chǎn)生溢出信號(hào)并停止計(jì)時(shí)，表明系統(tǒng)出現(xiàn)異常。CPU可以對定時(shí)器重新啟動(dòng)、清零、設(shè)定計(jì)時(shí)值等操作。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，CPU將周期性地重新啟動(dòng)定時(shí)器，當(dāng)然其啟動(dòng)周期應(yīng)小于定時(shí)器的設(shè)定值，以保證定時(shí)器始終不能產(chǎn)生溢出信號(hào)。而當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行不正常時(shí)，由于 CPU不能周期性地啟動(dòng)定時(shí)器，因而定時(shí)器將產(chǎn)生溢出信號(hào)，以強(qiáng)迫CPU恢復(fù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2．2 Watchdog的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理

監(jiān)視定時(shí)器的結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。它的核心為一8位定時(shí)器，其前級是一個(gè)11位定標(biāo)器。后者的輸入信號(hào)為fosc／12，即定標(biāo)器對機(jī)器周期進(jìn)行遞增計(jì)數(shù)。這樣，每過2個(gè)機(jī)器周期，定時(shí)器T3的值便增加1000次。若用16MHz或24MHz晶體振蕩器，則監(jiān)視定時(shí)器的增值間隔將分別為1．536ms 和1．024ms；其相應(yīng)的最大溢出周期分別為393．216ms和262．144ms。

當(dāng)監(jiān)視定時(shí)器溢出時(shí)，系統(tǒng)將產(chǎn)生一個(gè)內(nèi)部復(fù)位脈沖以使8XC552復(fù)位。由圖2可以看出，T3溢出時(shí)，RST引腳內(nèi)側(cè)的晶體管因柵極出現(xiàn)一個(gè)負(fù)脈沖而瞬時(shí)導(dǎo)通，從而在RST引腳上輸出一個(gè)復(fù)位正脈沖，其寬度為3個(gè)機(jī)器周期。如果RST引腳外接電容，則這么窄的輸出脈沖可能遭到破壞，因?yàn)殡娙莶辉试S RST引腳電壓產(chǎn)生突變，但這不會(huì)影響到內(nèi)部復(fù)位操作。

3調(diào)試中的常見問題及其解決方法

在對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試時(shí)，有可能出現(xiàn)閃屏、無法顯示以及顯示雜亂等現(xiàn)象，現(xiàn)將這些問題的解決方法介紹如下：

（1）LCD出現(xiàn)閃屏，無法翻屏顯示現(xiàn)象

筆者在用仿真器運(yùn)行編程時(shí)，LCD能夠翻屏并不斷顯示采集來的三相用電參數(shù)，但離開仿真器處于脫機(jī)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，LCD只能顯示第一屏數(shù)據(jù)。經(jīng)查仿真器的引腳接高電平，而脫機(jī)時(shí)腳懸空，從而引起了腳的狀態(tài)不固定，并不斷產(chǎn)生內(nèi)部復(fù)位信號(hào)使單片機(jī)復(fù)位而出現(xiàn)了上述現(xiàn)象。后來把腳接低電平，仍然出現(xiàn)上述現(xiàn)象。而把腳接高電平后（即禁用Watchdog功能），則LCD顯示正常。因此，引腳應(yīng)嚴(yán)格禁止懸空以避免出現(xiàn)不穩(wěn)定的狀態(tài)，同時(shí)在未載入Watchdog程序之前，其引腳也不能接低電平。

（2）LCD無顯示

RST端的電容應(yīng)確保連接正確，否則在高電平時(shí)將無法加到復(fù)位端而使CPU不能運(yùn)行程序，從而出現(xiàn)LCD無顯示的現(xiàn)象。

（3）LCD顯示數(shù)據(jù)雜

亂無章、數(shù)據(jù)死鎖

把腳接低電平，可能會(huì)出現(xiàn)LCD顯示的數(shù)據(jù)雜亂無章、數(shù)據(jù)死鎖現(xiàn)象。其原因是源程序中未載入Watchdog程序，因此應(yīng)保證在源程序中加入Watchdog程序，以消除數(shù)據(jù)的死鎖或顯示雜亂無章等問題。

4軟件設(shè)計(jì)

4．1軟件設(shè)計(jì)

編寫監(jiān)視定時(shí)器運(yùn)行軟件時(shí)，程序員首先應(yīng)當(dāng)確定系統(tǒng)能夠在錯(cuò)誤狀態(tài)下支持的時(shí)間，也就是設(shè)定溢出周期的依據(jù)。例如能維持16ms，則把T3的初值設(shè)定為 10，這樣，在16MHz晶振的情況下，溢出周期為15．36ms。此時(shí)程序員就可對其軟件進(jìn)行劃分，以確定把重寫T3值的指令插在什么地方，才能使相鄰兩次重寫操作間隔不超過監(jiān)視定時(shí)器的溢出周期，以保證正常運(yùn)作時(shí)T3不溢出。因此，程序員應(yīng)當(dāng)了解所有軟件模塊的執(zhí)行時(shí)間，同時(shí)也要考慮到出現(xiàn)條件跳轉(zhuǎn)、子程序及內(nèi)外中斷等因素所帶來的影響。對于那些很難估算其執(zhí)行時(shí)間的程序段落，應(yīng)按最壞情況估算。為防止誤寫，監(jiān)視定時(shí)器值的重寫可分兩步進(jìn)行。首先將 PCON．4（監(jiān)視定時(shí)器裝入允許位WLE）置1，以允許對T3進(jìn)行寫入；第二步向T3寫入新值。由圖2可知，對T3的寫信號(hào)同時(shí)也會(huì)加到WLE的清0 端，于是每當(dāng)T3被寫入新值時(shí)，WLE位便自動(dòng)復(fù)位。因此，當(dāng)該值為00H時(shí)，溢出間隔最大；而FFH值則對應(yīng)最小溢出周期。若采用12MHz晶振，這兩值則分別為524ms和2ms。最大和最小溢出周期的計(jì)算公式分別為：

由于在空閑方式下，監(jiān)視定時(shí)器照常運(yùn)行。因此，該方式與掉電方式是矛盾的，因?yàn)榍罢咝枰獣r(shí)鐘，后者凍結(jié)時(shí)鐘。故當(dāng)=0而開啟T3工作時(shí)，8XC552將無法進(jìn)入掉電方式，此時(shí)向PCON．1寫l的操作無效，因而它將保持為0。在軟件開發(fā)調(diào)試的早期階段，可將引腳接高電平以關(guān)閉監(jiān)視定時(shí)器，而在后期改接低電平以完成調(diào)試過程。

4．2定時(shí)間隔和訪問時(shí)間的設(shè)定

數(shù)據(jù)采集及處理是程序中的關(guān)鍵部分，也是決定儀器精度的關(guān)鍵所在。本儀器采用電壓、電流、頻率、相位為主要采集參數(shù)，且這些參數(shù)是連續(xù)變化的，因此采樣時(shí)間不宜設(shè)置得過長，否則會(huì)影響儀器的精度。筆者將電流與電壓的采樣時(shí)間定為5ms，頻率與相位的采集時(shí)間為20ms，這樣，Watchdog的定時(shí)間隔設(shè)置較佳，具體如圖3所示。圖3中，Watchdog在WDT1時(shí)間內(nèi)完成對采集頻率數(shù)據(jù)的監(jiān)控，而在WDT2、WDT3、WDT4內(nèi)分別負(fù)責(zé)對電壓、電流、相位數(shù)據(jù)采集的監(jiān)控。在設(shè)計(jì)程序時(shí)，一般取1．1Ts＜Tw＜2Ts，其中Ts為采樣周期，Tw為Watchdog的定時(shí)時(shí)間，Ts分別為T1、 T2、T3、T4的大小，Tw分別為WDT1、WDT2、WDT3、WDT4的大小。Tw設(shè)置太小會(huì)增加訪問頻率，影響程序執(zhí)行效率；而設(shè)置太大則會(huì)干擾程序的正常運(yùn)行，且需等待很長時(shí)間才可以恢復(fù)運(yùn)行，而采集或控制對象可能已在這一步偏離過大。因此，CPU訪問時(shí)間原則上小于Tw就可以了，為防止時(shí)間估計(jì)不準(zhǔn)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)小些為好，這樣可以防止系統(tǒng)異常而處于每經(jīng)過Tw時(shí)間啟動(dòng)一次的死循環(huán)中。

4．3軟件程序

本智能監(jiān)控儀用C語言編寫程序，并采用12MHz晶振時(shí)，其溢出時(shí)間應(yīng)分別設(shè)置為6ms、20ms、524ms…，這樣，在源程序中應(yīng)適時(shí)加入的各Watchdog程序如下：

5結(jié)束語

在智能配電儀的源程序中加入Watchdog后，其整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行將更加穩(wěn)定、可靠，從而有效地克服了來自工業(yè)用電現(xiàn)場的各種干擾。

參考文獻(xiàn)
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