1、用CD4060制作看門狗報(bào)警電路

看門狗定時(shí)器（WDT，WatchDogTimer）是單片機(jī)的一個(gè)組成部分，它實(shí)際上是一個(gè)計(jì)數(shù)器，一般給看門狗一個(gè)大數(shù)，程序開(kāi)始運(yùn)行后看門狗開(kāi)始倒計(jì)數(shù)。如果程序運(yùn)行正常，過(guò)一段時(shí)間CPU應(yīng)發(fā)出指令讓看門狗，重新開(kāi)始倒計(jì)數(shù)。如果看門狗減到0就認(rèn)為程序沒(méi)有正常工作，強(qiáng)制整個(gè)系統(tǒng)復(fù)位。

原理圖：

CD4060芯片特性

1）電壓范圍寬，應(yīng)該可以工作在3V～15V，輸入阻抗高，驅(qū)動(dòng)能力差外，跟74系列的功能基本沒(méi)有區(qū)別；

2）輸入時(shí)，1/2工作電壓以下為0，1/2工作電壓以上為1；

3）輸出時(shí)，1=工作電壓；0=0V；

4）驅(qū)動(dòng)能力奇差，在設(shè)計(jì)時(shí)最多只能帶1個(gè)TTL負(fù)載；

5）如果加上拉電阻的話，至少要100K電阻；

6）唯一現(xiàn)在使用的可能就是計(jì)數(shù)器，CD4060的計(jì)數(shù)器可以到14級(jí)二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)。

看門狗電路由14位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器CD4060和三極管VT1、VT2等組成。

Vout接單片機(jī)AT89C51的引腳輸出口P1.7，由單片機(jī)的CPU向看門狗電路發(fā)送喂狗信號(hào)——正脈沖，在兩個(gè)正脈沖間隔內(nèi)，P1.7保持為低電平（此功能要結(jié)合軟件才能實(shí)現(xiàn)，相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)在下面介紹）。我們知道，單片機(jī)AT89C51的I／O口帶灌電流負(fù)載的能力比較大，每個(gè)引腳低電平時(shí)的吸入電流為20mA，帶拉電流負(fù)載的能力卻很小，實(shí)測(cè)情況是，每個(gè)引腳高電平時(shí)的輸出電流僅25μA，現(xiàn)在P1.7口被設(shè)計(jì)成帶拉電流負(fù)載的方式，為了提高P1.7口帶拉電流負(fù)載的能力，所以，電路中設(shè)置了上拉電阻R3。

14位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器CD4060的計(jì)數(shù)脈沖由其內(nèi)部振蕩器和外接阻容元件R1、R2、C1組成的電路產(chǎn)生，振蕩周期為

T0SC=2.2×R1×C1=0.22ms

振蕩器產(chǎn)生的計(jì)數(shù)脈沖（矩形波）可以直接引出，同時(shí)還可以從CD4060的10個(gè)輸出端Q4～Q10和Q12～Q14得到不同分頻系數(shù)的方波輸出，各方波輸出信號(hào)的周期如表1所示。這樣，如果CD4060得不到CPU通過(guò)P1.7口發(fā)送來(lái)的喂狗信號(hào)——正脈沖，則CD4060的輸出端Q14在1.8S內(nèi)將產(chǎn)生一個(gè)完整周期的方波信號(hào)，而且低電平在前，高電平在后，其高電平經(jīng)三極管VT1、VT2處理后形成單片機(jī)AT89C51的復(fù)位信號(hào)，使單片機(jī)AT89C51復(fù)位。

由此可見(jiàn)，單片機(jī)AT89C51正常工作時(shí)，只要在0.9S內(nèi)從P1.7口送出一個(gè)正脈沖，便可及時(shí)清零看門狗，輸出端Q14就不會(huì)產(chǎn)生定時(shí)溢出信號(hào)，從而使看門狗電路對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)不起作用。并且，從CD4060的10個(gè)輸出端Q4～Q10和Q12～Q14可以得到不同周期的方波信號(hào)，經(jīng)三極管VT1、VT2處理后形成單片機(jī)系統(tǒng)的復(fù)位信號(hào)，可以適應(yīng)不同用戶應(yīng)用程序，從而該硬件看門狗電路可以適應(yīng)不同的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。

對(duì)MCS-51系列的單片機(jī)而言，它所需要的復(fù)位信號(hào)是高電平寬度大于2個(gè)機(jī)器周期的正脈沖，例如，單片機(jī)的時(shí)鐘脈沖頻率為12MHz時(shí)，則所需要的復(fù)位信號(hào)高電平寬度為2μs以上就可以了，而由上面的分析可知，CD4060的Q14輸出的是高電平寬度為0.9s的方波，如果讓它直接作為單片機(jī)的復(fù)位信號(hào)，則單片機(jī)的復(fù)位時(shí)間勢(shì)必在0.9s以上，這樣盡管可以使程序跑飛的單片機(jī)復(fù)位，但是顯然沒(méi)有做到盡快地引導(dǎo)跑飛的程序到正確的軌道來(lái)，如果這樣做的話，對(duì)于某些單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)而言可能帶來(lái)非常嚴(yán)重的后果。

圖1中的三極管VT1、VT2及其周圍阻容元件構(gòu)成波形轉(zhuǎn)換電路，把較寬的正脈沖變換為較窄的正脈沖，從而較好地解決了上述的問(wèn)題。三極管VT1、VT2構(gòu)成的2級(jí)直接耦合放大器作為緩沖器使用，它是CD4060的輸出端Q14的灌電流負(fù)載，C2、R8是微分電路。

經(jīng)分析后不難看出，電路中的R7、R8、C2還具有單片機(jī)上電復(fù)位的功能。

2、上電復(fù)位與看門狗信號(hào)復(fù)位的不同處理過(guò)程

由于程序跑飛很可能會(huì)造成一些隨機(jī)破壞事件，對(duì)某些系統(tǒng)而言，希望盡可能從斷點(diǎn)處恢復(fù)運(yùn)行，因此，有必要妥善解決跑飛的程序回復(fù)后的處理。

單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)上電時(shí)，上電復(fù)位電路會(huì)使得單片機(jī)處于復(fù)位狀態(tài)，這一般稱為冷啟動(dòng)，這種情況下，單片機(jī)處于復(fù)位狀態(tài)表現(xiàn)為：

（1）程序計(jì)數(shù)器PC的值為0000H。

（2）I／O口（P0、P1、P2、P3（1））為FFH狀態(tài)，即準(zhǔn)雙向I／O口的輸入狀態(tài)。

（3）堆棧指示器SP=07H，即堆棧底為片內(nèi)RAM的07H單元。

（4）除上述狀態(tài)外，所有特殊功能寄存器SFR的有效位均為0。

（5）上電復(fù)位時(shí)，由于是重新供電，RAM在斷電時(shí)數(shù)據(jù)丟失，上電復(fù)位后為隨機(jī)數(shù)。

單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的程序跑飛時(shí)，看門狗產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，也會(huì)使得單片機(jī)處于復(fù)位狀態(tài)，這一般稱為熱啟動(dòng)，這種情況下，單片機(jī)處于復(fù)位狀態(tài)表現(xiàn)為：

（1）程序計(jì)數(shù)器PC的值為0000H。

（2）I／O口（P0、P1、P2、P3）為FFH狀態(tài)，即準(zhǔn)雙向I／O口的輸入狀態(tài)。

（3）堆棧指示器SP=07H，即堆棧底為片內(nèi)RAM的07H單元。

（4）除上述狀態(tài)外，所有特殊功能寄存器SFR的有效位均為0。

（5）復(fù)位信號(hào)使得單片機(jī)處于復(fù)位狀態(tài)時(shí)，片內(nèi)RAM中的數(shù)據(jù)不受影響。

比較上面兩種單片機(jī)復(fù)位方式可知，上電復(fù)位與信號(hào)復(fù)位不同之處是第（5）點(diǎn)，這正是我們區(qū)分兩種單片機(jī)復(fù)位方式的根據(jù)。具體方法是設(shè)置上電復(fù)位標(biāo)志，例如，片內(nèi)RAM的7EH單元和7FH單元分別為（7EH）=18H且（7FH）=81H時(shí)表示已完成上電復(fù)位。上面兩種單片機(jī)復(fù)位方式都使得程序從0000H入口。然而，上電復(fù)位后要進(jìn)行系統(tǒng)的完全初始化，而程序跑飛回復(fù)后往往要求保留一些過(guò)程參數(shù)，不允許重新初始化，而且還要對(duì)一些關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行檢查與修復(fù)。

因此，要根據(jù)不同情況進(jìn)行不同的初始化處理。圖2是上電復(fù)位與程序跑飛回復(fù)初始化處理框圖。0000H是MCU的復(fù)位人口，程序啟動(dòng)后，首先判斷是上電復(fù)位（冷啟動(dòng)），還是程序跑飛回復(fù)（熱啟動(dòng)）。上電復(fù)位是開(kāi)機(jī)操作，要建立上電標(biāo)志，并進(jìn)行系統(tǒng)的完全初始化。程序跑飛回復(fù)應(yīng)進(jìn)行相關(guān)資源的檢查與修復(fù)，以防止系統(tǒng)運(yùn)行出錯(cuò)。另外，根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)，需要保留一些過(guò)程數(shù)據(jù)，不得進(jìn)行完全初始化。

3、喂狗指令插入原理與位置

單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行正常時(shí)，單片機(jī)的CPU應(yīng)在0.9s內(nèi)從P1.7口送出一個(gè)正脈沖，使看門狗及時(shí)清零，也就是說(shuō)，CPU要在0.9s以內(nèi)執(zhí)行一次下面的喂狗程序段（喂狗指令）：

SETBP1.7

NOP

NOP

CLRP1.7

喂狗程序段插入到用戶應(yīng)用程序之中。單片機(jī)系統(tǒng)的用戶應(yīng)用程序一般由循環(huán)結(jié)構(gòu)的主程序和中斷服務(wù)子程序組成。首先，應(yīng)盡可能準(zhǔn)確地估算各應(yīng)用功能模塊的運(yùn)行時(shí)間，估算運(yùn)行時(shí)間的時(shí)候，應(yīng)考慮程序可能被中斷，應(yīng)把中斷程序的運(yùn)行時(shí)間也計(jì)算在內(nèi)。然后，在若干個(gè)應(yīng)用功能模塊的運(yùn)行時(shí)間小于0.9s的兩個(gè)應(yīng)用功能模塊之間插入上面的喂狗程序段。

為了防止看門狗非正常失效（即：已發(fā)生程序跑飛但看門狗不“叫”——不產(chǎn)生單片機(jī)所需要的復(fù)位信號(hào)），在用戶應(yīng)用程序中插入喂狗程序段時(shí)應(yīng)注意下面3點(diǎn)。

（1）避免在中斷服務(wù)子程序中插入喂狗程序段。

當(dāng)MCU受干擾而發(fā)生程序跑飛，只要MCU片內(nèi)中斷允許控制寄存器不遭破壞，則不論程序飛到什么地方，CPU仍能像程序正常運(yùn)行時(shí)一樣響應(yīng)和執(zhí)行中斷服務(wù)子程序。因此，在各中斷服務(wù)子程序中都不應(yīng)該插入喂狗程序段。

（2）避免在用戶應(yīng)用程序中的局部循環(huán)圈內(nèi)插入喂狗程序段。

這樣的話，即使程序跑飛后非正常進(jìn)入該循環(huán)圈內(nèi)，并且跑飛后的程序在該循環(huán)圈內(nèi)“死循環(huán)”，也會(huì)因?yàn)榭撮T狗接收不到喂狗信號(hào)，發(fā)生看門狗定時(shí)計(jì)數(shù)溢出，進(jìn)而使系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行。

（3）對(duì)P1口的其它7根I／O線的輸入和輸出操作全部采用位操作指令，這樣的話，對(duì)P1口的所有操作都是采用的位操作指令。因?yàn)槿绻麑?duì)P1.0～P1.6的輸入和輸出操作采用直接尋址的方式完成，則勢(shì)必會(huì)有可能影響到P1.7的輸出操作，從而可能導(dǎo)致看門狗非正常失效。

4、結(jié)論

在用戶應(yīng)用程序中插入喂狗程序段后，相當(dāng)于啟動(dòng)了看門狗，就無(wú)法再使用各類單片機(jī)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)或單片機(jī)仿真器對(duì)該應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行仿真調(diào)試。所以，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)在開(kāi)始設(shè)計(jì)和調(diào)試用戶應(yīng)用程序時(shí)，通常不連接看門狗電路，也不在用戶應(yīng)用程序中插入喂狗程序段，而是在用戶應(yīng)用程序研發(fā)成功后，再將看門狗電路連接到硬件系統(tǒng)中，并在用戶應(yīng)用程序中插入喂狗程序段，并且進(jìn)行系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，以檢驗(yàn)系統(tǒng)的抗干擾能力是否滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

將采用了CD4060的硬件看門狗技術(shù)的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)放置在具有較強(qiáng)電磁干擾的環(huán)境中工作，如果能長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)正常地工作，則說(shuō)明系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力。曾在采用了基于CD4060的硬件看門狗技術(shù)的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的交流電源插座處，較頻繁地插撥其它用電設(shè)備的交流電源插頭，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)程序跑飛的現(xiàn)象。相反地，把系統(tǒng)中的硬件看門狗電路拆掉，則系統(tǒng)在多次插撥其它用電設(shè)備的交流電源插頭的情況下，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)程序跑飛的現(xiàn)象。由此可見(jiàn)，基于CD4060的硬件看門狗技術(shù)確實(shí)提高了單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的抗干擾能力。本文所介紹的看門狗技術(shù)，已成功地使用在多個(gè)實(shí)際的MCU應(yīng)用系統(tǒng)中，保證了系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

電路工作的時(shí)候只要給CD4060復(fù)位脈沖，就能保證Q1處于截止?fàn)顟B(tài)，從而使受控的NMOS管處于導(dǎo)通狀態(tài)給處理器電路系統(tǒng)供電。

該電路的優(yōu)點(diǎn)是定時(shí)的時(shí)間可以比較長(zhǎng)，幾分鐘都沒(méi)問(wèn)題，可以給那些需要較長(zhǎng)時(shí)間初始化工作。脈沖觸發(fā)喂狗，上電通過(guò)R2、C1、R3自動(dòng)給計(jì)數(shù)器一個(gè)復(fù)位脈沖，確保Vout有輸出。電路成本也低廉。

該電路的最大缺點(diǎn)是喂狗脈沖要求比較寬。