李峰

（小佩網(wǎng)絡(luò)科技（上海）有限公司 上海市 201203）

1 引言

看門狗，又叫WatchDog Timer(WDT)，從本質(zhì)上來說就是一個(gè)定時(shí)器電路，一般有一個(gè)輸入和一個(gè)輸出，其中的輸入叫做喂狗，輸出一般連接到另外一個(gè)部分的復(fù)位端，復(fù)位端一般為Microcontroller Unit(MCU)。

在MCU正常工作的時(shí)候，每隔一段時(shí)間輸出一個(gè)信號(hào)喂狗——給看門狗電路清零，如果在超過規(guī)定的時(shí)間不喂狗，WDT 定時(shí)超時(shí)，就會(huì)輸出一個(gè)復(fù)位信號(hào)到達(dá)MCU，使MCU 復(fù)位重啟，從而防止MCU 死機(jī)。總的來說，看門狗電路的作用就是防止程序發(fā)生死鎖或者跑飛。

WDT 的基本工作原理如下：在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行以后就啟動(dòng)了看門狗的計(jì)數(shù)器，此時(shí)看門狗就開始自動(dòng)計(jì)時(shí)，如果到達(dá)了一定的時(shí)間還不去給它清零，看門狗計(jì)數(shù)器就會(huì)溢出從而引起看門狗中斷，造成系統(tǒng)的復(fù)位。

硬件看門狗就是利用了一個(gè)定時(shí)電路，來監(jiān)控主程序的運(yùn)行。在主程序的運(yùn)行中，要在定時(shí)時(shí)間到達(dá)之前對(duì)定時(shí)器進(jìn)行復(fù)位?？撮T狗的作用就是防止程序死循環(huán)和系統(tǒng)死機(jī)。

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)越來越復(fù)雜，為提高電路運(yùn)行的可靠性，加入硬件看門狗電路，在軟件出現(xiàn)異常時(shí)重啟電路，使得系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行。

本文在介紹了使用時(shí)鐘芯片實(shí)現(xiàn)硬件看門狗電路的方法，以及與普通看門狗電路實(shí)現(xiàn)方案的對(duì)比。

2 傳統(tǒng)硬件看門狗電路分析

圖1：PCF8563 內(nèi)部功能框圖

圖2：PCF8563 看門狗硬件原理圖框圖

圖3：PCF8563 看門狗軟件流程圖

傳統(tǒng)硬件看門狗電路，一般由硬件定時(shí)器，看門狗輸入，看門狗輸出電路組成，在電路運(yùn)行過程中，硬件定時(shí)器不停計(jì)時(shí)，定時(shí)器計(jì)時(shí)滿產(chǎn)生溢出時(shí)，觸發(fā)看門狗輸出電路輸出低電平，此低電平用于觸發(fā)處理器系統(tǒng)的硬重啟；當(dāng)處理器正常運(yùn)行時(shí)，會(huì)在定時(shí)器溢出前控制看門狗輸入引腳電平不斷變化，對(duì)定時(shí)器進(jìn)行清零，從而避免溢出產(chǎn)生重啟信號(hào)。

隨著集成電路的發(fā)展與成熟，目前已很少使用分立器件實(shí)現(xiàn)硬件看門狗，多采用集成電路來實(shí)現(xiàn)，如SGM706、CAT823、EM6323、MAX813L 等均是常用的硬件看門狗芯片，他們的共同特點(diǎn)是定時(shí)器最大計(jì)時(shí)長度均為1.6 秒左右，即處理器的“喂狗”信號(hào)周期必須小于1.6 秒，才能可靠實(shí)現(xiàn)看門狗功能。

當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的飛速發(fā)展，有大量硬件終端處于遠(yuǎn)程、低功耗工作模式，如遠(yuǎn)程抄表，電子車鎖等，處理器多數(shù)時(shí)間處于低功耗睡眠狀態(tài)，頻繁的啟動(dòng)并輸出“喂狗”信號(hào)將耗費(fèi)大量電源，不利于系統(tǒng)長時(shí)間低功耗運(yùn)行。

3 時(shí)鐘芯片看門狗電路

通用市售時(shí)鐘芯片種類繁多，其型號(hào)主要有 PCF8563、DS12887、DS1302、DS1307、DS3231 等多種型號(hào)，在實(shí)現(xiàn)通用的秒、分、時(shí)、日、月、年的計(jì)時(shí)功能外，各型號(hào)對(duì)外接口、鬧鐘、中斷信號(hào)等功能略有不同。鑒于看門狗電路必須有低電平信號(hào)輸出以便控制處理器硬重啟的需要，選取了帶有中斷信號(hào)輸出的PCF8563作為硬件看門狗電路的主芯片。

PCF8563 是恩智浦（NXP）公司的一款低功耗實(shí)時(shí)時(shí)鐘萬年歷芯片，采用CMOS 工藝，具備可編程時(shí)鐘輸出、中斷輸出、低電壓檢測等功能，其中可編程時(shí)鐘輸出可配置為32.768 kHz, 1.024 kHz, 32 Hz, and 1 Hz；中斷輸出為集電極開路結(jié)構(gòu)，在無信號(hào)輸出時(shí)對(duì)外界電路無任何影響；對(duì)外通訊使用速度最高400kbit/s 的IIC總線。外接32.768KHz 時(shí)鐘晶體，內(nèi)置起振電容，可以實(shí)現(xiàn)年、月、日、周、小時(shí)、分鐘、秒的計(jì)時(shí)信號(hào)存儲(chǔ)與輸出、鬧鐘和計(jì)時(shí)中斷功能。室溫條件下具有1.0V-5.5V 的寬工作電壓范圍和250nA 的低工作電流（關(guān)閉可編程時(shí)鐘輸出和IIC 等對(duì)外接口），具有SO8、TSSOP8、HVSON10 封裝可供不同電路面積需求使用，適用于手機(jī)，PAD 等使用電池供電的便攜電子設(shè)備使用。

其內(nèi)部框圖如圖1 所示。

使用其中的TIMER FUNCTION 或ALARM FUNCTION 實(shí)現(xiàn)定時(shí)，ALARM FUNCTION 可實(shí)現(xiàn)周、日、小時(shí)、分鐘級(jí)別的定時(shí)周期，TIMER FUNCTION 的時(shí)鐘源可軟件配置為4.096kHz，64Hz，1Hz，1/60Hz，結(jié)合8 位計(jì)數(shù)器，可實(shí)現(xiàn)0.25 毫秒到7680秒（2 小時(shí)多）的定時(shí)周期，此定時(shí)周期間隔即是看門狗的RST 信號(hào)間隔，從上述分析可以看出，PCF8563 可實(shí)現(xiàn)從毫秒級(jí)到小時(shí)級(jí)，甚至天、周級(jí)的定時(shí)周期輸出，此周期的靈活性和適應(yīng)性明顯比傳統(tǒng)看門狗電路強(qiáng)。

實(shí)現(xiàn)硬件看門狗功能的PCF8563 外圍電路連接原理如圖2 所示，其中PCF8563 的INT 引腳與MCU 的RST 引腳通常情況下可以直連；當(dāng)INT 輸出時(shí)間特性與MCU 所需RST 信號(hào)不匹配時(shí)，可以做是的匹配變換，以確保功能可靠實(shí)現(xiàn)。

系統(tǒng)開機(jī)上電后，處理器芯片通過IIC 總線初始化PCF8563，根據(jù)所需看門狗電路定時(shí)間隔，設(shè)定當(dāng)前時(shí)間，TIMER FUNCTION定時(shí)寄存器或ALARM FUCNTION定時(shí)寄存器，在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，在定時(shí)時(shí)間到之前，處理器重新設(shè)定TIMER FUNCTION 定時(shí)寄存器或ALARM FUCNTION 定時(shí)寄存器，以免其INT 引腳輸出低電平；在系統(tǒng)運(yùn)行異常，無法按應(yīng)有間隔設(shè)定TIMER FUNCTION 或ALARM FUCNTION 寄存器，定時(shí)時(shí)間到時(shí)，PCF8563 的INT 引腳輸出低電平，從而觸發(fā)系統(tǒng)重啟。

軟件流程圖如圖3 所示。

如上使用的硬件看門狗電路，可以實(shí)現(xiàn)0.25 毫秒到周級(jí)的定時(shí)“喂狗”間隔，喂狗間隔可以靈活設(shè)置，短定時(shí)間隔可以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，長定時(shí)間隔可最大限度的延長喂狗間隔，降低系統(tǒng)功耗。其優(yōu)勢(shì)在于時(shí)間間隔程序可控，長短可調(diào)，長時(shí)間間隔有利于低功耗設(shè)備，其本身就是低功耗芯片，運(yùn)行電流250nA，22uF電容可運(yùn)行超過24 小時(shí)，XH414HG 電容式紐扣電池可運(yùn)行數(shù)天；

此外，作為輸出復(fù)位信號(hào)的INT 引腳，除了可以連接MCU 的復(fù)位引腳外，還可以連接至系統(tǒng)供電電源的控制引腳，在定時(shí)器超時(shí)溢出時(shí)，短時(shí)間切斷系統(tǒng)電源，從而實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)重新上電的硬重啟，比單純復(fù)位MCU 的方法更為徹底有效。

4 結(jié)論

從文章上述內(nèi)容可以看出，傳統(tǒng)的硬件看門狗電路最大“喂狗”間隔均在1.6秒左右，“喂狗”要求頻繁，耗費(fèi)處理器資源和較多電量。使用時(shí)鐘芯片（如PCF8563）實(shí)現(xiàn)的硬件看門狗電路，具有自身功耗低、“喂狗”間隔跨度大（1/4096 秒——數(shù)周），成本低，通用性強(qiáng)等特點(diǎn)，尤其適用于本身就需要實(shí)時(shí)時(shí)鐘的產(chǎn)品，在不增加硬件成本的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)硬件看門狗電路，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。