一種硬件看門狗電路設計

李延慶，馬勇，楊凡奇

（1.西安蘭德新能源汽車技術開發有限公司，陜西 西安 710043；2.陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

一種硬件看門狗電路設計

李延慶1，馬勇2，楊凡奇1

（1.西安蘭德新能源汽車技術開發有限公司，陜西 西安 710043；2.陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

文章介紹了一種比較實用的硬件看門狗電路，并詳細介紹了該電路的工作原理。該電路構思巧妙，原理簡單，運行可靠，成本低廉，可與軟件相互協調使用，具有很強的抗干擾能力。

看門狗；硬件；抗干擾

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.01.016

CLC NO.:U467.4 Document Code:A Article ID:1671-7988(2016)01-47-02

引言

在由單片機構成的微型計算機系統中，由于單片機的工作常常會受到來自外界電磁場的干擾，造成程序跑飛而陷入死循環，程序的正常運行被打斷，由單片機控制的系統無法繼續工作，造成整個系統陷入停滯狀態，發生不可預料的后果。處于對單片機運行狀態進行實時監測的考慮，便產生了一種專門用于監測單片機程序運行狀態的電路或芯片，稱之為“看門狗”。傳統的看門狗硬件電路主要由觸發器或芯片構成，成本高且復位時需要執行初始化程序降低了工作效率。鑒于此，本文提供了一種由簡單器件構成的看門狗電路，成本低廉，運行可靠。

1、一般看門狗硬件電路設計原理

看門狗，又叫watchdog，從本質上來說就是一個定時器電路，一般有一個輸入和一個輸出，其中輸入叫做喂狗，輸出一般連接到另外一個部分的復位端，一般是連接到單片機。

單片機正常工作的時候，每隔一段時間輸出一個信號到喂狗端，給看門狗電路清零，如果在超過規定的時間不喂狗，定時超時，就會給一個復位信號到達單片機，使單片機復位，防止單片機程序跑飛?？撮T狗電路的作用就是防止程序發生死循環，或者說程序跑飛。

2、看門狗硬件電路設計

本文按照看門狗硬件電路設計原理，利用電阻、電容、MOSFET、反相觸發器搭建了一套運行可靠的看門狗電路。

2.1 電路設計

圖1 看門狗硬件設計電路圖

如圖1所示，信號“WATCHDOG_KICK”為“喂狗”信號；RESET為復位信號，一般在整套電氣系統里與單片機的reset引腳相連；U1，U2，U3，U4為邏輯反相器；Q1、Q2、Q3為N型MOSFET；VCC一般為5v電壓。

2.2 自振蕩分析

本文所提供的看門狗硬件電路具有自振蕩功能。如圖1所示，假如VCC=5v，反相器U1、U2、U3、U4的芯片供電電壓為5v，在沒有外界輸入的情況下，RESET電平為5v，通過U1反相觸發器后的電壓為0，Q1不導通，反相觸發器U2的輸入端取VCC電壓5v，通過反相觸發器U3后輸出為5v，給電容C5充電，一定時間后Q2導通，反相觸發器U4的輸入端為0，輸出端為5v，故Q3導通，RESET輸出為0。RESET為0時，反相觸發器U1輸出5v，Q1導通，反相觸發器U2輸入端為0v，通過反相觸發器U3后輸出0，Q2不導通，反相觸發器U4輸出0，Q3不導通，RESET輸出5v，如此反復，RESET電平在0v和5v之間轉換，用仿真器仿真即可看到一個完整的自振蕩波形，自振蕩的周期主要由C2、C3、C6電容的充放電時間決定。

當RESET處于高電平時，電容C2、C3充電，C6放電；當RESET處于低電平時，電容C2、C3放電，C6充電。設反相觸發器由高到低的輸入跳變電壓為VT+，由低到高的輸入跳變電壓為VT-，電容C2、C3充電時間t11，C6的放電時間為t12。

則，RESET處于高電平的時間 t1=t11+t12

電容C2、C3放電時間為t21，C6充電時間為t22，

則，RESET處于低電平的時間 t2=t21+t22，

具體計算如下：

C2、C3充電時：

則，t11=-（R2+R3）(C2+C3)ln(1-VT+/5)

C6放電時：

則，t12=-R7*C6ln(VT-/5)

C2、C3放電時：

則，t21=-R3(C2+C3)ln（VT-/5）

C6充電時：

則，t22=-（R6+R7）*C6ln(1-VT+/5)

則，RESET處于高電平的時間

t1=-（R2+R3）(C2+C3)ln(1-VT+/5) - R7*C6 ln（VT-/5）

則，RESET處于低電平的時間

t2=-R3(C2+C3)ln（VT-/5）-（R6+R7）*C6ln(1-VT+/5)發生自振蕩的周期T=t1+t2

則設置至少在t2時間內“喂狗”一次，保證電路不會復位，確保電路其他系統正常工作。一般WATCHDOG_KICK，即“喂狗”信號設置為脈沖信號，在小于等于t2的時間內一定有一個上升沿發生，去觸發電路，使得看門狗電路不發生復位。

2.3 舉例仿真

為了體現本論文的實用性及可靠性，我們按照論文搭建了電路并進行仿真。按圖1所示，我們取論文中反相器為74HC14，R2=110K，R3=10，C2=C3=470n，R6=82k，R7=10，C6=220n；電路仿真圖如下：

圖2 自振蕩波形圖

如圖2為本論文看門狗電路產生的自振蕩電路，從圖中看出RESET的低電平時間大概是13ms，那么在13ms內必須“喂狗”一次，才會使得看門狗電路不復位。我們給一個周期是20ms，占空比是50%的“喂狗”脈沖，如圖3所示每10ms喂狗一次，則電路不復位，如下為仿真圖。

圖3 “喂狗”波形圖

圖4 “喂狗”后的RESET波形圖

可以將以上給的R、C值代入自振蕩分析的相關公式，通過理論計算獲得RESET自振蕩時的低電平時間與仿真獲得結果是一致的，進一步證明了本論文的實用性和可靠性。

3、總結

本文設計了一種由反相觸發器、電阻電容、MOSFET構成的看門狗電路，具有自振蕩功能，原理簡單，可靠性高，成本較低。文中給出了看門狗電路自振蕩 周期的相關計算公式，使用者根據實際情況，通過設置相關R、C參數來確定系統復位時間和“喂狗”時間。

[1] 胡屏,柏軍.單片機應用系統中的看門狗技術[J].吉林大學學報（信息科學版）,2003.

[2] 馬利民,金可之，金有道.一種簡單實用的WATCH DOG電路及應用[J].機械工業自動化,1994.

A hardware watchdog circuit design

Li Yanqing1, Ma Yong2, Yang Fanqi1
( 1.Xi’an Lande New Energy Vehicle Technology Development Co., Ltd., Shaanxi Xi’an 710043; 2.Shaanxi Heavy Duty Automobile Co., Ltd., Shaanxi Xi’an 710200）

This paper introduces a kind of practical hardware watchdog circuit. And introduced the working principle of the circuit in detail. The circuit clever, simple principle, reliable operation, low cost ,can be used with software coordinate with each other, and has a strong anti-interference ability.

watchdog; hardware; anti-interference

U467.4

A

1671-7988(2016)01-47-02

李延慶，就職于西安蘭德新能源汽車技術開發有限公司。馬勇，就職于陜西重型汽車有限公司。楊凡奇，就職于西安蘭德新能源汽車技術開發有限公司。