1、解決工控系統(tǒng)高可靠性的有效技術(shù)  來自:中國測控網(wǎng)  時間:2008-2-21目前，在許多情況下設計人員會用軟件實現(xiàn)以往由硬件完成的電路功能，其原因是低成本的微處理器(up)為大家提供了廣泛的選擇。軟件常常是解決問題的成本最低、靈活性最高的方案，但它也帶來一些麻煩 那就是設計人員為了確保系統(tǒng)的可靠性，要進行一些額外的軟件測試。如果軟件程序中沒有代碼錯誤，要求在10000條指令中出錯率不要超過10處，即其準確率能夠保證千分之一左右，則系統(tǒng)的可靠性就有了保證，然而這實際上并非易事，從而系統(tǒng)可靠性就不能得到確保。在臺式機系統(tǒng)中出現(xiàn)導致系統(tǒng)癱瘓的軟件錯誤并不可怕，因為用戶只需重新啟

2、動系統(tǒng)即可，它只會造成少量數(shù)據(jù)的丟失。然而，對于運行在工控系統(tǒng)的軟件，系統(tǒng)必須能夠在沒有人為干預的條件下恢復故障。這一特性在兩種情況下是非常關(guān)鍵的，即一種是高有效性系統(tǒng)，如服務器、電話系統(tǒng)以及生產(chǎn)線等，另一種是高可靠性系統(tǒng)，一旦出現(xiàn)錯誤將造成傷害，如汽車、醫(yī)療設備、工業(yè)控制、機器人、自動門等。即使不考慮上述設備應用上的嚴格要求，系統(tǒng)也應在無需用戶干預(按下復位鍵或重新上電)的條件下能自動從故障狀態(tài)進行恢復，這是非常重要和有益的，因為只有這樣才能使用戶覺察不到設備內(nèi)部出現(xiàn)了問題。為改善并解決這類系統(tǒng)可靠性，人們迫切要尋求出一種簡單、有效的技術(shù)措施來以確保此要求的實現(xiàn)，而應用“看門狗”技術(shù)和電路，

3、是一種最佳方案。看門狗(Watchdog)技術(shù)看門狗是一個計數(shù)器，它需要在一定的看門狗延時周期內(nèi)被清零，如果沒有清零動作，看門狗電路將產(chǎn)生一個復位信號使系統(tǒng)重新啟動或建立個非屏蔽中斷(NMl)、執(zhí)行故障恢復子程序。大多數(shù)看門狗電路是沿觸發(fā)，這樣，無論是上升沿還是下降沿觸發(fā)看門狗的輸入端(WDl)都能夠清計數(shù)器。WDI引腳連接在處理器的一個IO口，這條口線由軟件觸發(fā)(圖1)。清看門狗計數(shù)器的命令必須在主程序內(nèi)(圖2)。如果看門狗沒有被清零，復位后軟件將從地址0000(啟動程序)開始運行。計算主程序的運行時間往往很困難，因為在此期間可能需要多次調(diào)用子程序，調(diào)用次數(shù)的多少與系統(tǒng)輸入有關(guān)。因此，設計人

4、員常常選擇看門狗延時周期遠遠高于所測試到的循環(huán)時間或計算出的循環(huán)時間。圖3表示正常工作情況下(看門狗在延時周期內(nèi)被請零)的看門狗信號和復位信號。圖4中，在看門狗計數(shù)器溢出時發(fā)生了一次復位，工業(yè)標準的看門狗電路延時周期在lOOms至2s范圍內(nèi)，當然也有些可調(diào)節(jié)或定制的看門狗電路能夠覆蓋更寬的延時范圍 (30ms至幾分鐘)。如果主程序的執(zhí)行時間過長(指相對于看門狗電路而言)，設計人員可以在主程序的不同部位多次執(zhí)行看門狗觸發(fā)命令，也可以選用看門狗延時周期更長的器件。一種防止系統(tǒng)滯留在死循環(huán)的技術(shù)是在主程序的開始部分將相應的IO引腳置為高電平，而在主程序的另一部分將其置為低電平。如果軟件在主程序的起始

5、部分進入了死循環(huán)， 由于WDI始終保持高電平(圖5)，看門狗將產(chǎn)生延時輸出、系統(tǒng)被復位。如果采用一個低高低的脈沖(圖2所示)，看門狗將被請零，但系統(tǒng)仍處于阻塞狀態(tài)。為解決這個問題，一種更老練的方法是對程序中的多項任務進行監(jiān)視，每項任務設置一個標志，只有當全部標志置位后看門狗電路才被觸發(fā)。執(zhí)行全部任務的時間要比看門狗延時周期短。雖然圖2和圖5對實際程序只作了一個最簡單的對比，但它表達了與此相應的基本概念。在更復雜的系統(tǒng)中還存在一些潛在問題，如存儲器泄漏、堆棧溢出等，系統(tǒng)同樣需要對這些情況進行監(jiān)視，只需通過合理的程序設計，認真審核代碼或采用專門的軟件工具也可以解決上述問題(在此對這些超出了本文的范

6、圍問題不作討論)。看門狗電路的應用與選擇內(nèi)部看門狗與外部看門狗許多P(微處理器)集成了可編程看門狗功能，軟件控制可禁止其工作。內(nèi)置看門狗易受代碼錯誤的影響，它無法提供外部獨立看門狗電路所具有的保護能力。在對安全性能要求較高的應用中(如自動門、醫(yī)療設備、機器人等)，內(nèi)置看門狗是無法接受的，管理層要求采用獨立的外部看門狗電路。使用外部看門狗電路降低關(guān)鍵系統(tǒng)的風險是一個很好的習慣。簡單的看門狗+復位通常看門狗延時將重新復位系統(tǒng)，大多數(shù)看門狗電路與P復位集成在一起，它同時可以監(jiān)視處理器的供電電壓(工廠預設監(jiān)視電壓為2.5V、3.0V、3.3V或5V)。在出現(xiàn)看門狗延時或電源電壓跌落的情況下均可產(chǎn)生復位

7、動作(見圖6的 輸出)。 圖6所示的MAX823-MAX825系列產(chǎn)品就包含了這兩種功能，即看門狗和復位。它們可提供標準的復位電壓門限、標準的看門狗延時周期(最小為1.12s)和復位延遲(最小為140ms)，僅消耗6uA電流。這些器件具有超小型SC70封裝。工廠預置看門狗系列MAX6316-MAX6322系列提供了26種工廠預置的復位電壓門限、4種看門狗延時周期(分別為4.3ms、 71ms、1.12s、17.9s)、4種復位延遲(分別為1ms、20ms、140ms、1.12s)以及4種輸出配置(推挽、開漏或雙向輸出)。 可用電容調(diào)節(jié)的看門狗如果應用中要求靈活的看門狗延時周期，設計人員可以選用

8、可調(diào)節(jié)電路，MAX6746-MAX6753系列產(chǎn)品既提供了工廠預置的復位電壓門限，也提供了分壓編程的復位電壓門限(工廠預設，或可用分壓器R1/R2在1.575V至5V間調(diào)節(jié))，另外，它們還可以利用外部電容調(diào)節(jié)看門狗延時周期(當電容Cswt為100Pf至100Nf數(shù)值時，在700ms至70s范圍內(nèi)分兩段調(diào)節(jié))和復位延遲(預設或用電容Csrt在0.5ms至5s調(diào)節(jié))。其中：復位電壓由分壓器R1R2決定，復位延遲時間由電容Csrt設置，看門狗延時周期由電容Cswt設置。設計人員利用如此寬范圍的看門狗延時周期可以為任何應用提供解決方案。MAX6301-MAX6304系列基本與MAX6746-MAX67

9、53系列相同，但可提供SO或DIP封裝。較長啟動/延時周期、引腳可選的看門狗對于啟動過程較長的應用，希望提供兩個不同的延時周期：一個較長 的初始化延時周期和一個較短的正常工作延時周期。MAX6369MAX6374系列具有WDI引腳可編程的啟動延遲，可選范圍：200ms至60s，以及可在30ms至60s范圍內(nèi)編程的看門狗延時周期。一些版本還提供看門狗的首次邊沿激活功能，以滿足啟動過程更長的應用。在這些芯片中，看門狗電路在啟動過程中被禁止，來自P相關(guān)IO引腳的第一個邊沿可激活看門狗電路。多電壓監(jiān)控看門狗對于雙電源供電系統(tǒng)，MAX6358-MAX6360系列可以監(jiān)視兩路標準電壓，并提供長啟動周期和標

10、準延時周期的看門狗；對于三組電源供電或需要高有效和低有效復位輸出的系統(tǒng)，設計人員可以選用MAX6721-MAX6729系列產(chǎn)品，這些器件提供長啟動周期和標準延時周期的雙模式看門狗功能。它們可監(jiān)視兩路標準的電源電壓(MAX6721-MAX6722)或兩路標準電壓“+”一路可調(diào)電壓(MAX6723-MAX6724)。這些器件帶有手動復位輸入，電源失效比較器，雙復位輸出和 輸出。窗式看門狗提供超高可靠性為獲得超高的可靠性，設計人員可以利用MAX6323MAX6324窗式看門狗電路，使用這些器件時必須在規(guī)定的窗口定時周期內(nèi)為看門狗提供清零脈沖，有效脈沖可以在上次觸發(fā)脈沖15ms后送達，也可以在上次觸發(fā)

11、脈沖10ms后到達，利用MAX6323MAX6324系統(tǒng)可以脫離離散循環(huán)，如果清看門狗指令在循環(huán)內(nèi)執(zhí)行，它將發(fā)出一串高速脈沖，這些脈沖可以將常規(guī)的看門狗清零，而且不產(chǎn)生復位。如果利用窗式看門狗電路則避免了上述問題，因為這種器件在兩次看門狗觸發(fā)脈沖之間要求一定的時間間隔。這些器件的典型應用包括防抱死(ABS)系統(tǒng)或其它汽車電路，工業(yè)控制、醫(yī)療產(chǎn)品等要求高安全性的應用或?qū)ο到y(tǒng)有效性要求苛刻的應用。結(jié)論各種軟件程序都會出現(xiàn)代碼錯誤，設計人員必須保證系統(tǒng)不出現(xiàn)死鎖。噪聲和EMI也會影響系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，導致不可預測的系統(tǒng)動作，看門狗電路是提高系統(tǒng)可靠性的一種簡單、廉價方案。利用外部看門狗電路可以防止系統(tǒng)死鎖，如果WDI信號在規(guī)定的看門狗延時周期內(nèi)沒有被觸發(fā)將對P進行復位。在目前種類繁多的看門狗器件中，設計人員一定能夠找到一款與其需求相吻合的技術(shù)與器件。“看門狗”抗干擾新技術(shù)經(jīng)在發(fā)電廠400噸工業(yè)鍋爐爐堂安全控制系統(tǒng)中得到了較好的應用，在現(xiàn)場環(huán)境與電網(wǎng)干擾嚴重的情況下，計算機系統(tǒng)能對各