Watchdog在Philips 8XC552系列單片機系統(tǒng)中的應(yīng)用

1 引言
　　
philips公司的8xc552單片機以其體積小、功能強、價格低等優(yōu)勢而廣泛地使用在工業(yè)控制、dcs控制和智能儀器等領(lǐng)域。筆者在智能配電監(jiān)測儀的研制過程中，雖然采取了相應(yīng)的抗干擾措施，但由于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境中電磁場、電網(wǎng)尖峰、諧波、浪涌及雷電輻射等影響，仍有可能出現(xiàn)程序死循環(huán)、跑飛等失控現(xiàn)象。為此，筆者采用watchdog技術(shù)保證了系統(tǒng)的正常運行，通常watchdog技術(shù)在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中可分為軟件watchdog和硬件watchdog。philips公司的8xc552、intel的8098、motorala的68c05以及microchip的16c5x系列單片機本身已帶有軟件watchdog功能，因此，只要硬件接法正確，在軟件設(shè)計中調(diào)用相應(yīng)語句進(jìn)行啟動即可。

2 硬件組成原理

2．1系統(tǒng)工作原理

圖1所示是87c522單片機用于智能型配電儀的連接電路，本智能配電儀中的87c552為主控芯片，該芯片除具有三個16位定時器t0、t1及t2外，還有一個專作監(jiān)視8位定時器、簡稱wdt（watchdogtimer）的t3定時器。因為微控制器有時會受噪音、射頻干擾等環(huán)境因素的影響而導(dǎo)入錯誤的運行狀態(tài)。監(jiān)視定時器的功能就是在某特定的時限內(nèi)使微控制器復(fù)位，從而將其從錯誤的狀態(tài)中恢復(fù)過來以重新開始正常運行。當(dāng)t3用作watchdog定時器并由軟件啟動計時后，如果系統(tǒng)已達(dá)到所設(shè)定的預(yù)定時間而仍沒有重新啟動定時器，此時就會產(chǎn)生溢出信號并停止計時，表明系統(tǒng)出現(xiàn)異常。cpu可以對定時器重新啟動、清零、設(shè)定計時值等操作。系統(tǒng)正常運行時，cpu將周期性地重新啟動定時器，當(dāng)然其啟動周期應(yīng)小于定時器的設(shè)定值，以保證定時器始終不能產(chǎn)生溢出信號。而當(dāng)系統(tǒng)運行不正常時，由于cpu不能周期性地啟動定時器，因而定時器將產(chǎn)生溢出信號，以強迫cpu恢復(fù)系統(tǒng)的正常運行。

2．2 watchdog的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理
　　
監(jiān)視定時器的結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。它的核心為一8位定時器，其前級是一個11位定標(biāo)器。后者的輸入信號為fosc／12，即定標(biāo)器對機器周期進(jìn)行遞增計數(shù)。這樣，每過2個機器周期，定時器t3的值便增加1000次。若用16mhz或24mhz晶體振蕩器，則監(jiān)視定時器的增值間隔將分別為1．536ms和1．024ms；其相應(yīng)的最大溢出周期分別為393．216ms和262．144ms。

當(dāng)監(jiān)視定時器溢出時，系統(tǒng)將產(chǎn)生一個內(nèi)部復(fù)位脈沖以使8xc552復(fù)位。由圖2可以看出，t3溢出時，rst引腳內(nèi)側(cè)的晶體管因柵極出現(xiàn)一個負(fù)脈沖而瞬時導(dǎo)通，從而在rst引腳上輸出一個復(fù)位正脈沖，其寬度為3個機器周期。如果rst引腳外接電容，則這么窄的輸出脈沖可能遭到破壞，因為電容不允許rst引腳電壓產(chǎn)生突變，但這不會影響到內(nèi)部復(fù)位操作。

如果將8xc552的引腳接至低電平，則輸入信號至定標(biāo)器的通路將暢通無阻，于是監(jiān)視定時器便正常運作。但若將引腳接高電平，輸入信號則會因與門被封鎖而不能通過，這時監(jiān)視定時器處于關(guān)閉狀態(tài)。應(yīng)當(dāng)指出，一旦t3被開啟，則無法用軟件使之關(guān)閉；同時如果t3被ew禁止，也無法用軟件啟動。
　　
如果=0，那么pcon寄存器的pd位便不可寫入，其初值為0，無法置l，即不可進(jìn)入掉電方式。故監(jiān)視定時器和掉電方式兩者不可兼得。

3 調(diào)試中的常見問題及其解決方法
　　
在對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試時，有可能出現(xiàn)閃屏、無法顯示以及顯示雜亂等現(xiàn)象，現(xiàn)將這些問題的解決方法介紹如下：

（1）lcd出現(xiàn)閃屏，無法翻屏顯示現(xiàn)象
　　
筆者在用仿真器運行編程時，lcd能夠翻屏并不斷顯示采集來的三相用電參數(shù)，但離開仿真器處于脫機運行狀態(tài)時，lcd只能顯示第一屏數(shù)據(jù)。經(jīng)查仿真器的引腳接高電平，而脫機時腳懸空，從而引起了腳的狀態(tài)不固定，并不斷產(chǎn)生內(nèi)部復(fù)位信號使單片機復(fù)位而出現(xiàn)了上述現(xiàn)象。后來把腳接低電平，仍然出現(xiàn)上述現(xiàn)象。而把腳接高電平后（即禁用watchdog功能），則lcd顯示正常。因此，引腳應(yīng)嚴(yán)格禁止懸空以避免出現(xiàn)不穩(wěn)定的狀態(tài)，同時在未載入watchdog程序之前，其引腳也不能接低電平。

（2）lcd無顯示
　　
rst端的電容應(yīng)確保連接正確，否則在高電平時將無法加到復(fù)位端而使cpu不能運行程序，從而出現(xiàn)lcd無顯示的現(xiàn)象。

（3）lcd顯示數(shù)據(jù)雜
　　
亂無章、數(shù)據(jù)死鎖

把腳接低電平，可能會出現(xiàn)lcd顯示的數(shù)據(jù)雜亂無章、數(shù)據(jù)死鎖現(xiàn)象。其原因是源程序中未載入watchdog程序，因此應(yīng)保證在源程序中加入watchdog程序，以消除數(shù)據(jù)的死鎖或顯示雜亂無章等問題。

4 軟件設(shè)計

4．1軟件設(shè)計
　　
編寫監(jiān)視定時器運行軟件時，程序員首先應(yīng)當(dāng)確定系統(tǒng)能夠在錯誤狀態(tài)下支持的時間，也就是設(shè)定溢出周期的依據(jù)。例如能維持16ms，則把t3的初值設(shè)定為10，這樣，在16mhz晶振的情況下，溢出周期為15．36ms。此時程序員就可對其軟件進(jìn)行劃分，以確定把重寫t3值的指令插在什么地方，才能使相鄰兩次重寫操作間隔不超過監(jiān)視定時器的溢出周期，以保證正常運作時t3不溢出。因此，程序員應(yīng)當(dāng)了解所有軟件模塊的執(zhí)行時間，同時也要考慮到出現(xiàn)條件跳轉(zhuǎn)、子程序及內(nèi)外中斷等因素所帶來的影響。對于那些很難估算其執(zhí)行時間的程序段落，應(yīng)按最壞情況估算。為防止誤寫，監(jiān)視定時器值的重寫可分兩步進(jìn)行。首先將pcon．4（監(jiān)視定時器裝入允許位wle）置1，以允許對t3進(jìn)行寫入；第二步向t3寫入新值。由圖2可知，對t3的寫信號同時也會加到wle的清0端，于是每當(dāng)t3被寫入新值時，wle位便自動復(fù)位。因此，當(dāng)該值為00h時，溢出間隔最大；而ffh值則對應(yīng)最小溢出周期。若采用12mhz晶振，這兩值則分別為524ms和2ms。最大和最小溢出周期的計算公式分別為：

由于在空閑方式下，監(jiān)視定時器照常運行。因此，該方式與掉電方式是矛盾的，因為前者需要時鐘，后者凍結(jié)時鐘。故當(dāng)=0而開啟t3工作時，8xc552將無法進(jìn)入掉電方式，此時向pcon．1寫l的操作無效，因而它將保持為0。在軟件開發(fā)調(diào)試的早期階段，可將引腳接高電平以關(guān)閉監(jiān)視定時器，而在后期改接低電平以完成調(diào)試過程。

4．2定時間隔和訪問時間的設(shè)定
　　
數(shù)據(jù)采集及處理是程序中的關(guān)鍵部分，也是決定儀器精度的關(guān)鍵所在。本儀器采用電壓、電流、頻率、相位為主要采集參數(shù)，且這些參數(shù)是連續(xù)變化的，因此采樣時間不宜設(shè)置得過長，否則會影響儀器的精度。筆者將電流與電壓的采樣時間定為5ms，頻率與相位的采集時間為20ms，這樣，watchdog的定時間隔設(shè)置較佳，具體如圖3所示。圖3中，watchdog在wdt1時間內(nèi)完成對采集頻率數(shù)據(jù)的監(jiān)控，而在wdt2、wdt3、wdt4內(nèi)分別負(fù)責(zé)對電壓、電流、相位數(shù)據(jù)采集的監(jiān)控。在設(shè)計程序時，一般取1．1ts＜tw＜2ts，其中ts為采樣周期，tw為watchdog的定時時間，ts分別為t1、t2、t3、t4的大小，tw分別為wdt1、wdt2、wdt3、wdt4的大小。tw設(shè)置太小會增加訪問頻率，影響程序執(zhí)行效率；而設(shè)置太大則會干擾程序的正常運行，且需等待很長時間才可以恢復(fù)運行，而采集或控制對象可能已在這一步偏離過大。因此，cpu訪問時間原則上小于tw就可以了，為防止時間估計不準(zhǔn)，設(shè)計時應(yīng)小些為好，這樣可以防止系統(tǒng)異常而處于每經(jīng)過tw時間啟動一次的死循環(huán)中。

4．3軟件程序
　　
本智能監(jiān)控儀用c語言編寫程序，并采用12mhz晶振時，其溢出時間應(yīng)分別設(shè)置為6ms、20ms、524ms…，這樣，在源程序中應(yīng)適時加入的各watchdog程序如下：

5結(jié)束語
　　
在智能配電儀的源程序中加入watchdog后，其整個系統(tǒng)運行將更加穩(wěn)定、可靠，從而有效地克服了來自工業(yè)用電現(xiàn)場的各種干擾。