淺談單片機(jī)程序的跑飛和一種看門狗電路

1 程序跑飛現(xiàn)象

隨著單片機(jī)在能源領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，單片機(jī)的抗干擾問題越來越突出，煤礦井下環(huán)境一般比較惡劣，這便會為單片機(jī)控制系統(tǒng)帶來各種干擾，以致系統(tǒng)不能正常工作。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的抗干擾性能主要取決于硬件的抗干擾設(shè)計(jì)，但軟件

抗干擾設(shè)計(jì)作為硬件抗干擾的完善和補(bǔ)充，作用也非常重要，因?yàn)榇罅康母蓴_通常并不能影響系統(tǒng)內(nèi)硬件的運(yùn)作，卻常會使系統(tǒng)的軟件無法正常運(yùn)行，單片機(jī)應(yīng)用的一個(gè)突出問題，便是單片機(jī)運(yùn)行過程中經(jīng)常出現(xiàn)的程序跑飛現(xiàn)象。

在單片機(jī)系統(tǒng)中，因?yàn)楦蓴_的原因，在非預(yù)期的情況下，使得程序計(jì)數(shù)器PC 的值發(fā)生隨機(jī)的變化，從而使得程序的流向指向不確定區(qū)域，這便是程序的跑飛。程序跑飛后或者會使指令的地址碼和操作碼發(fā)生改變，PC 把操作數(shù)當(dāng)作指令來執(zhí)行;或者PC值指向一條不合邏輯關(guān)系的指令甚或是非程序區(qū)，運(yùn)行結(jié)果常常會使單片機(jī)進(jìn)入死循環(huán)———便是大家常說的“死機(jī)”。為確保在無人當(dāng)值的情況下，單片機(jī)“死機(jī)”后能自動恢復(fù)過來，通常采用軟件陷阱，外部WDT 電路，以及軟件控制的WATCHDOG 等方法，使系統(tǒng)恢復(fù)正常(后兩種俗稱“看門狗”)，限于篇幅不做專門說明，這里主要向大家介紹用555 定時(shí)器軟硬結(jié)合做看門狗的一種方法。

2 555定時(shí)器

一般情況下，看門狗主要是通過不斷監(jiān)視程序運(yùn)行一個(gè)事件的時(shí)間是否超過預(yù)定的時(shí)間來判斷程序是否進(jìn)入了死循環(huán)，因此利用555 定時(shí)器可復(fù)位的觸發(fā)功能外加延時(shí)電路可實(shí)現(xiàn)看門狗的功能。555定時(shí)器是一種多用途的單片集成電路，內(nèi)部電路如圖1 所示。

CO端是控制電壓輸入端，加控制電壓可改變A1“-”端及A2“ +”端的參考電壓，若不用，可通過一個(gè)小電容接地，以防旁路高頻交流干擾;R 為定時(shí)器直接復(fù)位端，加低電平可將定時(shí)器直接置“0”，此時(shí)，OUT輸出“0”，Q 為1”，V 導(dǎo)通，D 端對地通路;TH 為復(fù)位閥值輸入端，當(dāng)TH 電壓超過2/3UDD(即A1 負(fù)端分壓)時(shí)，A1 輸出為“1”，OUT 輸出“0”，同樣，D 端對地通路;TR 為置位輸入端，當(dāng)TR電壓低于1/3 UDD(即A2 正端分壓)時(shí)，A2 輸出“1”，定時(shí)器被置位，此時(shí)，OUT 輸出“1”，Q 為“0”，V截止，D端對地?cái)嗦贰?/p>

3 看門狗電路及運(yùn)行指令以INTEL公司的16 位單片機(jī)8096 為例，555定時(shí)器作為看門狗與單片機(jī)的接口電路可設(shè)計(jì)如圖2 所示。

首先在單片機(jī)初始化時(shí)用指令“ORBPORT1，#01H”置P1.0 為“1”，則三極管T 導(dǎo)通，555 芯片的R 為“1”，TH、TR 端經(jīng)R、C 充電，電位逐漸上升，當(dāng)電位還低于1/3 UDD 時(shí)，OUT 輸出“1”，D端對地?cái)嗦罚娙軨 正常充電，一旦程序跑飛或進(jìn)入死循環(huán)，在電位上升到高于2/3 UDD時(shí)仍沒有“喂狗”，則OUT輸出變?yōu)?ldquo;0”，經(jīng)三極管T拉低單片機(jī)的RESET 腳，并使復(fù)位電容放電，這時(shí)

D 端對地短路，電容C 也通過Rf 放電，當(dāng)TH、TR端電位放電到低于1/3 UDD(注意)時(shí)，OUT輸出重新變?yōu)?ldquo;1”，單片機(jī)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。

“喂狗”是指復(fù)位看門狗，在本電路中只須運(yùn)行以下指令即可。

ANDB PORT1，#0FEH ;使P1.0 為“0”

SKIP ;空操作，用于延時(shí)

SKIP ;以使TR電壓降到1/3 UDD為宜

ORB PORT1，#01H ;使P1.0 為“1”

當(dāng)P1.0 被置為“0”時(shí)，555 定時(shí)器的R 端為“0”，三極管T 截止。R 端為“0”則555 芯片被復(fù)位，OUT 輸出為“0”，同時(shí)D 端對地短路，電容C放電為重新延時(shí)做準(zhǔn)備，但因?yàn)槿龢O管的截止，此時(shí)OUT 輸出雖然也為“0”卻并不影響單片機(jī)的RESET腳，單片機(jī)正常工作，從而區(qū)分開了“喂狗”與系統(tǒng)故障時(shí)看門狗發(fā)生作用的不同之處。

4 需要注意的問題

這里仍然有一個(gè)問題需要注意，那就是555定時(shí)器的正常工作與否完全依賴于單片機(jī)P1.0的狀態(tài)，但在某些干擾比較嚴(yán)重的情況下，單片機(jī)的誤操作是有可能改變P1.0 的預(yù)置狀態(tài)的，若單片機(jī)在進(jìn)入死循環(huán)之前，P1.0 被誤置為了“0”，看

門狗始終處于“被喂”的狀態(tài)，那這個(gè)電路便就無法再發(fā)揮作用了，對這種情況我們可用軟件冗余的方法來應(yīng)對，就是在程序的關(guān)鍵地方多次插寫看門狗的激活指令：

NOP

ORB PORT1，#01H

值得提醒一下的是這里“NOP”指令的作用不容忽視，可使跑飛的程序納入正軌，不致沖散后面的關(guān)鍵指令。不過盡管如此軟件冗余的應(yīng)用也還是有一個(gè)前提的，那就是跑飛的程序必須落在程序區(qū)，冗余的指令得到執(zhí)行方可生效，若跑飛的程序落在了非程序區(qū)，僅憑指令冗余技術(shù)便不可靠了，這時(shí)我們便還須借助其他抗干擾技術(shù)的支持，如軟件陷阱、標(biāo)志技術(shù)，本質(zhì)可靠性程序的設(shè)計(jì)等，在此不再贅述，但這些都必須包含在一個(gè)可靠的程序內(nèi)———畢竟，單片機(jī)系統(tǒng)來自干擾的影響是立體的，那么，我們的應(yīng)對策略便也須是全方位的。