目前，在許多情況下設計人員會用軟件實現以往由硬件完成的電路功能，其原因是低成本的微處理器(up)為大家提供了廣泛的選擇。軟件常常是解決問題的成本最低、靈活性最高的方案，但它也帶來一些麻煩 那就是設計人員為了確保系統的可靠性，要進行一些額外的軟件測試。如果軟件程序中沒有代碼錯誤，要求在10000條指令中出錯率不要超過10處，即其準確率能夠保證千分之一左右，則系統的可靠性就有了保證，然而這實際上并非易事，從而系統可靠性就不能得到確保。

    在臺式機系統中出現導致系統癱瘓的軟件錯誤并不可怕，因為用戶只需重新啟動系統即可，它只會造成少量數據的丟失。然而，對于運行在工控系統的軟件，系統必須能夠在沒有人為干預的條件下恢復故障。這一特性在兩種情況下是非常關鍵的，即一種是高有效性系統，如服務器、電話系統以及生產線等，另一種是高可靠性系統，一旦出現錯誤將造成傷害，如汽車、醫療設備、工業控制、機器人、自動門等。即使不考慮上述設備應用上的嚴格要求，系統也應在無需用戶干預(按下復位鍵或重新上電)的條件下能自動從故障狀態進行恢復，這是非常重要和有益的，因為只有這樣才能使用戶覺察不到設備內部出現了問題。為

    改善并解決這類系統可靠性，人們迫切要尋求出一種簡單、有效的技術措施來以確保此要求的實現，而應用“看門狗”技術和電路，是一種最佳方案。

看門狗(Watchdog)技術

    看門狗是一個計數器，它需要在一定的看門狗延時周期內被清零，如果沒有清零動作，看門狗電路將產生一個復位信號使系統重新啟動或建立—個非屏蔽中斷(NMl)、執行故障恢復子程序。大多數看門狗電路是沿觸發，這樣，無論是上升沿還是下降沿觸發看門狗的輸入端(WDl)都能夠清計數器。WDI引腳連接在處理器的一個I／O口，這條口線由軟件觸發(圖1)。清看門狗計數器的命令必須在主程序內(圖2)。如果看門狗沒有被清零，復位后軟件將從地址0000(啟動程序)開始運行。計算主程序的運行時間往往很困難，因為在此期間可能需要多次調用子程序，調用次數的多少與系統輸入有關。因此，設計人員常常選擇看門狗延時周期遠遠高于所測試到的循環時間或計算出的循環時間。圖3表示正常工作情況下(看門狗在延時周期內被請零)的看門狗信號和復位信號。圖4中，在看門狗計數器溢出時發生了一次復位，工業標準的看門狗電路延時周期在lOOms至2s范圍內，當然也有些可調節或定制的看門狗電路能夠覆蓋更寬的延時范圍 (30ms至幾分鐘)。如果主程序的執行時間過長(指相對于看門狗電路而言)，設計人員可以在主程序的不同部位多次執行看門狗觸發命令，也可以選用看門狗延時周期更長的器件。

圖1 清除看門狗以防止復位

圖2 在主程序內產生WDI信號的典型流程

圖3 延時觸發情況

圖4

    一旦看門狗計數器達到延時周期，將產生復位

一種防止系統滯留在死循環的技術是在主程序的開始部分將相應的I／O引腳置為高電平，而在主程序的另一部分將其置為低電平。如果軟件在主程序的起始部分進入了死循環， 由于WDI始終保持高電平(圖5)，看門狗將產生延時輸出、系統被復位。如果采用一個低—高—低的脈沖(圖2所示)，看門狗將被請零，但系統仍處于阻塞狀態。為解決這個問題，一種更老練的方法是對程序中的多項任務進行監視，每項任務設置一個標志，只有當全部標志置位后看門狗電路才被觸發。執行全部任務的時間要比看門狗延時周期短。雖然圖2和圖5對實際程序只作了一個最簡單的對比，但它表達了與此相應的基本概念。在更復雜的系統中還存在一些潛在問題，如存儲器泄漏、堆棧溢出等，系統同樣需要對這些情況進行監視，只需通過合理的程序設計，認真審核代碼或采用專門的軟件工具也可以解決上述問題(在此對這些超出了本文的范圍問題不作討論)。

圖5 改進后的流程圖

內部看門狗與外部看門狗

    許多μP(微處理器)集成了可編程看門狗功能，軟件控制可禁止其工作。內置看門狗易受代碼錯誤的影響，它無法提供外部獨立看門狗電路所具有的保護能力。在對安全性能要求較高的應用中(如自動門、醫療設備、機器人等)，內置看門狗是無法接受的，管理層要求采用獨立的外部看門狗電路。使用外部看門狗電路降低關鍵系統的風險是一個很好的習慣。

簡單的看門狗+復位

    通常看門狗延時將重新復位系統，大多數看門狗電路與μP復位集成在一起，它同時可以監視處理器的供電電壓(工廠預設監視電壓為2.5V、3.0V、3.3V或5V)。在出現看門狗延時或電源電壓跌落的情況下均可產生復位動作(見圖6的 輸出)。 圖6所示的MAX823-MAX825系列產品就包含了這兩種功能，即看門狗和復位。它們可提供標準的復位電壓門限、標準的看門狗延時周期(最小為1.12s)和復位延遲(最小為140ms)，僅消耗6uA電流。這些器件具有超小型SC70封裝。

圖6 簡單的看門狗+復位

工廠預置看門狗系列

    MAX6316-MAX6322系列提供了26種工廠預置的復位電壓門限、4種看門狗延時周期(分別為4.3ms、 71ms、1.12s、17.9s)、4種復位延遲(分別為1ms、20ms、140ms、1.12s)以及4種輸出配置(推挽、開漏或雙向輸出)。

可用電容調節的看門狗

    如果應用中要求靈活的看門狗延時周期，設計人員可以選用可調節電路，MAX6746-MAX6753系列產品既提供了工廠預置的復位電壓門限，也提供了分壓編程的復位電壓門限(工廠預設，或可用分壓器R1/R2在1.575V至5V間調節)，另外，它們還可以利用外部電容調節看門狗延時周期(當電容Cswt為100Pf至100Nf數值時，在700ms至70s范圍內分兩段調節)和復位延遲(預設或用電容Csrt在0.5ms至5s調節)。其中：復位電壓由分壓器R1／R2決定，復位延遲時間由電容Csrt設置，看門狗延時周期由電容Cswt設置。設計人員利用如此寬范圍的看門狗延時周期可以為任何應用提供解決方案。MAX6301-MAX6304系列基本與MAX6746-MAX6753系列相同，但可提供SO或DIP封裝。較長啟動/延時周期、引腳可選的看門狗對于啟動過程較長的應用，希望提供兩個不同的延時周期：一個較長的初始化延時周期和一個較短的正常工作延時周期。MAX6369—MAX6374系列具有WDI引腳可編程的啟動延遲，可選范圍：200ms至60s，以及可在30ms至60s范圍內編程的看門狗延時周期。一些版本還提供看門狗的首次邊沿激活功能，以滿足啟動過程更長的應用。在這些芯片中，看門狗電路在啟動過程中被禁止，來自μP相關I／O引腳的第一個邊沿可激活看門狗電路。

圖7 電容調節看門狗典型應用電路

多電壓監控看門狗

    對于雙電源供電系統，MAX6358-MAX6360系列可以監視兩路標準電壓，并提供長啟動周期和標準延時周期的看門狗；對于三組電源供電或需要高有效和低有效復位輸出的系統，設計人員可以選用MAX6721-MAX6729系列產品，這些器件提供長啟動周期和標準延時周期的雙模式看門狗功能。它們可監視兩路標準的電源電壓(MAX6721-MAX6722)或兩路標準電壓“+”一路可調電壓(MAX6723-MAX6724)。這些器件帶有手動復位輸入，電源失效比較器，雙復位輸出和 輸出。

窗式看門狗提供超高可靠性

    為獲得超高的可靠性，設計人員可以利用MAX6323／MAX6324窗式看門狗電路，使用這些器件時必須在規定的窗口定時周期內為看門狗提供清零脈沖，有效脈沖可以在上次觸發脈沖1．5ms后送達，也可以在上次觸發脈沖10ms后到達，利用MAX6323／MAX6324系統可以脫離離散循環，如果清看門狗指令在循環內執行，它將發出一串高速脈沖，這些脈沖可以將常規的看門狗清零，而且不產生復位。如果利用窗式看門狗電路則避免了上述問題，因為這種器件在兩次看門狗觸發脈沖之間要求一定的時間間隔。這些器件的典型應用包括防抱死(ABS)系統或其它汽車電路，工業控制、醫療產品等要求高安全性的應用或對系統有效性要求苛刻的應用。

結論

    各種軟件程序都會出現代碼錯誤，設計人員必須保證系統不出現死鎖。噪聲和EMI也會影響系統中的數據，導致不可預測的系統動作，看門狗電路是提高系統可靠性的一種簡單、廉價方案。利用外部看門狗電路可以防止系統死鎖，如果WDI信號在規定的看門狗延時周期內沒有被觸發將對μP進行復位。在目前種類繁多的看門狗器件中，設計人員一定能夠找到一款與其需求相吻合的技術與器件。

    “看門狗”抗干擾新技術經在發電廠400噸工業鍋爐爐堂安全控制系統中得到了較好的應用，在現場環境與電網干擾嚴重的情況下，計算機系統能對各種燃油噴嘴“關”與“開”進行實時控制，從而保證燃油進量的準確性，極大的提高了工業鍋爐爐堂安全控制系統的可靠性和鍋爐燃燒效率。其最大的成功在于，一改以往一受干擾，計算機系統要人工復位(Reset)并重新啟動而突然造成燃油噴嘴“關”與“開”的失控。如今那種嚴重影響工業鍋爐正常運轉的現象己經一去不復返了。實踐證明該“看門狗”技術不失為各類工控系統高可靠性有效新技術。