一種新的單片機“看門狗”電路軟件設(shè)計方法

隨著MCS-51系列單片機的發(fā)展，其芯片價格在不斷下降，但同時也帶來了單片機芯片的抗干擾問題，該問題可能導(dǎo)致一些智能型儀器儀表單片機工業(yè)控制系統(tǒng)發(fā)生“死機”。筆者通過近幾年的設(shè)計實踐及不斷試驗，總結(jié)了一套可靠的“看門狗”硬件電路及軟件設(shè)計方法。由于一些專業(yè)期刊曾經(jīng)刊登過許多關(guān)于“看門狗” 硬件電路構(gòu)成的文章，同時也詳細(xì)的關(guān)于“看門狗”電路非正常失效故障原因的分析及針對性軟件設(shè)計技巧[1]，本文給出了一個采用MAX706和89C52 構(gòu)成的“看門狗”硬件電路，并且從新的角度說明了如何確保“看門狗”電路的正常工作，同時給出了它的軟件設(shè)計方法。

1 “看門狗”硬件電路簡述

現(xiàn)以MAX706監(jiān)控電路為例（見圖1）來說明“看門狗”硬件電路的工作過程，我們知道，MAX706是一種性能優(yōu)良的低功耗CMOS監(jiān)控電路芯片，其內(nèi)部電路由上電復(fù)位、可重觸發(fā)“看門狗”定時器及電壓比較器等組成[2]。MAX706只要在1.6秒時間內(nèi)檢測到WCI引腳有高低電平跳變信號，則“看門狗”定時器清零并重新開始計時；若超出1.6秒后，WCI引腳仍無高低電平跳變信號，則“看門狗”定時器溢出，WDO引腳輸出低電平，進而觸發(fā)MR手動復(fù)位引腳，使MAC706復(fù)位，從而使“看門狗”定時器清零并重新開始計時，WDO引腳輸出高電平，MAX706的RST復(fù)位輸出引腳輸出大約200毫秒寬度的低電平脈沖，使單片機控制系統(tǒng)可靠復(fù)位，重新投入正常運行。

2 “看門狗”電路軟件設(shè)計方法

以往的“看門狗”電路復(fù)位指令（即“喂狗”）一般總是插入在主程序中，而且“喂狗”指令一般是脈沖式，可以連續(xù)用兩條取反指令（如CPL P1.0）。這是因為一般情況下，程序跑飛或者陷入“死循環(huán)”時，中斷功能可能不受影響，CPU仍能象正常運行時一樣響應(yīng)和執(zhí)行中斷子程序。這時如果中斷子程序中插有“喂狗”指令，則“看門狗”定時器始終處于正常無溢出狀態(tài)，無法對已經(jīng)混亂的微機系統(tǒng)重新啟動以投入正常運轉(zhuǎn)狀態(tài)。

在主程序中適當(dāng)插入“喂狗”指令，大多數(shù)場合的單片機系統(tǒng)都能夠比較可靠地工作。但是有一種特殊情況，即中斷響應(yīng)功能已經(jīng)失效，而主程序仍然能夠正常運行，這時“看門狗”電路對恢復(fù)單片機系統(tǒng)正常工作時無能為力的。例如：當(dāng)程序正在執(zhí)行中斷子程序時，系統(tǒng)突然受到強烈干擾，程序跑飛，而且PC指針剛好落在主程序的指令字節(jié)上，堆棧也不溢出，使主程序能夠繼續(xù)正常運行。這時“看門狗”的“喂狗”動作正常，而中斷再也不法響應(yīng)了。這時因為在MCS-51的中斷系統(tǒng)中有兩個不可尋址的優(yōu)先級狀態(tài)觸發(fā)器，分別指標(biāo)兩級中斷響應(yīng)狀態(tài)。當(dāng)CPU響應(yīng)中斷時，首先置位相應(yīng)的優(yōu)先級狀態(tài)觸發(fā)器（該觸發(fā)器能指出CPU正在處理的中斷優(yōu)先級別），這時會屏蔽掉同級別的所有中斷申請，直到執(zhí)行RETI指令時，才由CPU硬件清零該優(yōu)先級狀態(tài)觸發(fā)器，從而使以后的中斷請求能被正常地響應(yīng)[3]。如果響應(yīng)中斷后而不執(zhí)行RETI指令，那么同級別中斷申請就不會被響應(yīng)了。

當(dāng)然，象上述這種情況是比較少見的。大多數(shù)情況下，程序跑飛后都會使PC指針越出有效程序區(qū)，造成“死機”。這時“看門狗”就起作用了。在大多數(shù)系統(tǒng)中，中斷子程序執(zhí)行的時間占總運行時間的百分比都非常小，而在執(zhí)行中斷程序時，PC指針跑飛越過RETI指令，而主程序又能正常運行的機會就更少。但是如果中斷子程序處理數(shù)據(jù)比較復(fù)雜或帶有一些函數(shù)運算的功能時，則出現(xiàn)這種系統(tǒng)失常的情況就有可能發(fā)生了。以前，在筆者設(shè)計的智能流量計中就曾經(jīng)出現(xiàn)過這種現(xiàn)象：鍵盤顯示操作都正常，看起來不象“死機”，但是在設(shè)定參數(shù)時，數(shù)據(jù)位該內(nèi)爍的不閃爍，總流量不會累計上去，顯然是T0定時中斷系統(tǒng)失效，而主程序仍然在運行，因為“喂狗”指令插在主程序中。那么，針對這種情形，有沒有徹底解決的方法呢？“喂狗”指令直接插在中斷子程序中是不合適的，而單獨插在主程序中又顯然是不夠的。筆者通過仔細(xì)推敲后，將“喂狗”指令分解開來，取反指令變成置位和清零兩種指令（即SETB P1.0和CLR P1.0），將置位指令插在主程序中，而將清零指令插在T0中斷子程序中，這樣將兩者聯(lián)系起來，缺一不可，無論主程序運行失效，還是T0中斷請求失效，都不能完成完整的“喂狗”指令，造成“看門狗”動作，從而確保了系統(tǒng)安全可靠地工作。
    具體做法如下：
    ORG 0000H
    LJMP START
    ORG 000BH
    LJMP INTT0
    ……
    ORG 0030H
    START：MOV SP，#30H
    ……
    MAIN：NOP
    NOP
    SETB P1.0
   NOP
    NOP
    SETB EA
    NOP
    SETB ET0
    ……
    LJMP MAIN
    ……
    INTT0：NOP
    NOP
    CLR P1.0
    NOP
    NOP
    ……
    RETI

這樣，在整個用戶程序中只唯一的一對指令（SETB P1.0及CLR P1.0）能使“看門狗”定時器復(fù)位。也就是說不會有任何“非法”的指令能使“看門狗”定時器誤復(fù)位，致使系統(tǒng)已經(jīng)“死機”而“看門狗”失效。當(dāng)然，對對沒有中斷的用戶系統(tǒng)，只需將清零指令（CLR P1.0）也插在主程序中就可以了；對于有多種中斷的用戶系統(tǒng)，如果沒有中斷嵌套，則清零指令（CLR P1.0）可以插在任一個中斷子程序中，而在主程序中適當(dāng)加入一些有關(guān)中斷的冗余指令（如SETB ET0等），以免因有關(guān)中斷的特殊功能寄存器數(shù)據(jù)受到干擾時導(dǎo)致中斷功能失效；對于有二級中斷嵌套的用戶系統(tǒng)，清零指令（CLR P1.0）可以插在中斷種數(shù)比較多的那一級中的任一個中斷子程序中，插有“喂狗”指令的那一級中斷系統(tǒng)將會受到“看門狗”的保護，而另一級中斷系統(tǒng)如果失效，“看門狗”是“無動于衷”的，這時只能盡量減少這種中斷子程序的執(zhí)行時間以減少受到干擾的可能性。如果二級中斷嵌套系統(tǒng)者受到“看門狗”的保護，就必需設(shè)計一個非常復(fù)雜的“看門狗”電路，其“喂狗”指令要由三部分來保證各個部分都能正常工作，需要說明的是，如果主程序運行一次的時間（包括可能被中斷的時間）超過1.6秒，則要適當(dāng)再插入一條SETB P1.0指令，而T0中斷時間間隔是不能超過1.6秒的。

另外，為了消除可能的“喂狗”誤動作，建議對所應(yīng)用的用戶程序進行徹底仔細(xì)的檢查，以防程序錯亂時生成多余的SETB P1.0（指令碼 D290H）或者CLR P1.0（指令碼 C290H）指令。利用通用編程軟件（如EDIT）的查找功能可搜索用戶程序在LST文件中的“90”字符串，就能方便地找到所有可能的非法“SETB P1.0或CLR P1.0”指令，然后用NOP指令將其分離開來就可以了。如
    ROM地址 指令碼 源程序
    ……
    0306 C2 MOV A，#0C2H
    0308 901000 MOV DPTR，#1000H
    ……
    B4D290 CJNE A，#0D2H，STEP1
    ……
    0401 B4D290 CJNE A，#0D2H，STEP1
    0494 00 STEP1：NOP
    ……

可以修改為
    ……
    0306 74C2 MOV A，#0C2H
    0308 00 NOP
    0309 901000 MOV DPTR，#1000H
    ……
    0402 B4D291 CJNE A，#0D2H，STEP1
    0405 00 NOP
    ……
    0496 00 STEP1：NOP
    ……

其它情況下可以靈活處理，以使其消除以上兩種可以出錯的組合即可。

通過采取以上幾種措施，對于沒有二級中斷嵌套的用戶系統(tǒng)，能夠絕對安全地受到監(jiān)控而不會“死機”；對于有二級中斷嵌套的用戶系統(tǒng)，也可大大提高其可靠性。當(dāng)然，一個單片機系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確可靠地運行，除了不“死機”，還需保護數(shù)據(jù)免受干擾，這屬于軟件容錯、數(shù)據(jù)冗余、系統(tǒng)重入等范疇，這里不作介紹。