看门狗技术与单片机应用系统抗干扰措施

1 引言

　　随着工业自动化水平的不断提高，以MCS-51单片机为核心所构成的单片机应用系统得到了广泛应用，如水泥生料配料系统、电子皮带秤给料控制、各种现场智能测量仪表等。但其工作现场条件恶劣，干扰多而且幅度大，严重影响着应用系统的正常运行与可靠性，甚至使应用系统计算机进入死循环而瘫痪，通常称为程序“跑飞”。由此引出的计算机可靠性问题，一直是人们研究的重要课题。
　　采用屏蔽、滤波、退耦、隔离、接地等措施能有效地提高系统的抗干扰能力，但很难在强干扰发生时消除因程序“跑飞”而死机情况的发生。“看门狗”技术能在程序“跑飞”时实现自我诊断并使系统恢复运行，是单片机应用系统抗干扰的有力武器。当然，它是以系统的硬、软件设计开发的合理和成熟为条件的，否则将掩盖系统设计开发过程中的人为缺陷与不足。

2 “看门狗”技术及其对干扰的抑制

2.1 程序“跑飞”对系统的攻击
　　(1)程序计数器PC的值被攻击，成为一随机拼合的数据。
　　(2)系统设置的控制字与标志参数因“跑飞”后可能被访问而被攻击。
　　(3)数据存储器RAM内容被攻击等。
2.2 “看门狗”技术
　　“看门狗”源于“Watch dog、Watch dog timer”，或称定时监视技术，其本质是一可复位的定时器，其原理如图1、2所示。

图1　原理框图

图2　原理波形图

　　在程序正常运行时，计算机通过程序以周期T₁向定时器发送脉冲触发定时器(或通过软件以T₁为周期初始化定时器)，而由定时脉冲控制的定时器动作时间为T₂(T₃)，在T₁＜T₂(T₃)时，定时器不会动作，处于休眠状态。当计算机受到强干扰等作用破坏后，程序计数器PC中内容不再是程序的正确代码，而可能为一随机拼合的数据，这样会使取指不正确，必然导致程序运行混乱“跑飞”，进入死循环而死机。反过来由于程序脱离正常循环，也使定时器触发脉冲丢失，在经过T₂(T₃)时间后，“看门狗”定时器被激活，向CPU发出Reset信号使其复位，将“跑飞”的程序从PC=0000H开始，纳入正常轨道。但有些生产过程是不能从头开始的，应用程序均是一循环体，且在开始处均有初始化程序，包含各种寄存器、指针、变量、控制字等。此时状态不能反应“跑飞”时的状态，有时还有人身、设备等方面的安全危险。在这种情况下，程序“跑飞”后应设法找到出错时的断点，此时就可以采用二级“看门狗”的方式。由程序设计时优先级设置为最高级的定时器一先发出中断请求信号，CPU响应中断转向中断处理程序，进而恢复系统。第二级“看门狗”电路只有在第一级未起作用时经过T₃才起动Reset信号。
2.3 “看门狗”技术的实施方法
　　(1)在系统构成时选用芯片内带有“看门狗”电路的单片机，如ATMEL公司的89C52等。
　　(2)选配专门的“看门狗”电路，如美国Xicor公司的X25043/45、MAXIM公司的MAX813L等，它们均可构成独立的“看门狗”电路。
　　(3)采用计数器、单稳态触发器、定时器等器件构成。在图3中用4060构成了一个二级“看门狗”电路。
　　因中断入口0003H处仅有0003H～000AH单元可为中断服务程序所用，很可能容纳不下中断服务程序，故应在其内安排一条JMP Watch dog指令。由于“跑飞”，PC值在响应中断前已被破坏，在响应中断后，该内容自动被压入堆栈，故一定要用两条POP A指令将无用内容弹出，以便为中断返回时由堆栈给PC赋予“跑飞”处的正确值，这一点在设计中断服务程序时尤其要引起重视。通过对P_1.0取反，恢复对4060的触发脉冲。在中断服务中应安排被破坏数据的诊断、修复以及查找“跑飞”处的地址正确入口，并在返回前将其压栈。当执行RETI时，“跑飞”处断点地址入口自动弹栈到PC，恢复正常运行。P_1.0取反指令在何处插入应通过计算指令周期让两条CLR P_1.0指令间隔小于定时器的定时时间T₁＜T₂，可取T₂=(1.5～2)T₁。

图3 二级“看门狗”电路

　　(4)利用8031片内定时器/计数器 8031片内有两个十六位的定时器/计数器，可用定时器T₀。在应用程序对T₀初始化时，将其定时时间T₂设置得比应用程序循环体执行时间T₁长，可取：T₂=(1.5～2)T₁。当程序正常时，T₀不会溢出，“跑飞”时溢出，定时器/计数器控制寄存器TCON的TF0(TCON.5)由8031内部硬件置位TF0=1，发出中断信号。设8031采用12MHz晶振，经定时器内部12分频后得1MHz的定时时钟，对应定时时间1μs，最长可定时约65.5ms，如应用程序循环时间T₁=10ms，则可取T₂=2T₁=20ms，定时器的初值X可由下式确定：

(216-X)×1μs=20ms
X=45536D=B1EOH

定时器的初始化程序：

　　MOV TLO，#OEOH
　　MOV THO，#OB1H；定时器/计数器T₀写入初值
　　MOV TMOD，#O1H；设置定时器/计数器工作方式1
　　SETB TRO；　　　起动定时器/计数器T₀

　　在应用程序的系统初始化时用下面指令设定T₀优先级：

　　SETB EA；　　　开放中断
　　SETB ETO；　　允许T₀中断
　　SETB PTO；　　置T₀中断优先级最高

　　T₀中断服务流程与中断服务流程(见图4)相比，其中断入口为000BH，去掉P_1.0取反的指令，其余相同。靠优先级别最高的中断将控制权重新夺回交给CPU，使系统恢复正常。

图4 中断服务流程

2.4 断点的查找与恢复
　　断点的查找与恢复是人们最关注的问题，我们的方法是扩展一外部数据存储器，用以存储“跑飞”前断点(或接近断点)的PC之值以及一些重要的变量、指针及控制字的值。利用正常工作时P_1.0向“看门狗”发送的触发脉冲经反向、延时等作为外部扩展RAM的片选信号以T₁为周期定时对外部RAM中内容进行刷新。当“跑飞”后因触发脉冲丢失而避免了外部RAM被攻击，保证其内容的可靠性。随着T₁的减少，被恢复的值就愈趋近断点值，但要非常准确找到断点，还值得人们研究。在中断响应时由于P_1.0恢复了输出触发脉冲，故可将断点值读出。

3 结束语

　　“看门狗”是对付“跑飞”的有力手段，在生产过程中由于特定的生产条件使得“看门狗”技术有其相当的作用。我们在对某水泥厂微机配料系统的技术改造过程中采用了二级“看门狗”技术，该系统运行两年多来经受住了各种强干扰的考验，取得了令人满意的效果。
　　对于“跑飞”后的诊断、恢复，尤其是如何更准确地找到程序“跑飞”断点，对被损数据加以恢复等方面尽管有许多软件可以利用，但还是值得人们多加关注的问题。