MSP430单片机中的WDT研究

引 言
    软件的可靠性一直是一个关键问题。任何使用软件的人都可能会经历计算机死机或程序跑飞的问题,这种情况在嵌入式系统中也同样存在。由于单片机的抗干扰能力有限,在工业现场的仪器仪表中,常会由于电压不稳、电弧干扰等造成死机。在水表、电表等无人看守的情况下,也会因系统遭受干扰而无法重启。为了保证系统在干扰后能自动恢复正常,看门狗定时器(Watchdog Timer)的利用是很有价值的。

1 看门狗的作用
    看门狗定时器是一个计数器,基本功能是在发生软件问题和程序跑飞后使系统重新启动。看门狗计数器正常工作时自动计数,程序流程定期将其复位清零,如果系统在某处卡死或跑飞,该定时器将溢出,并将进入中断。在定时器中断中执行一些复位操作,使系统恢复正常的工作状态,即在程序没有正常运行期间,如期复位看门狗以保证所选择的定时溢出归零,使处理器重新启动。

2 看门狗问题及相关实验
    现今市面上流行的一些单片机,多嵌有内部WDT,如TI的MSP430系列,Philips的P87XXX和P89XXX系列,Microchip的 PIC列,Atmel的AT89SXX系列和Holtek公司的Htxxx系列。但是这些内部看门狗在工作时,多存在一定的误差。一些工程师在设计的过程中,由于忽略了这一点,导致系统出现异常。MSP430系列单片机是美国德州仪器公司(TI)近几年开发的新一代单片机,该系列是一款16位、具有精简指令集、超低功耗的全新概念混合型单片机。在众多单片机系列中,由于它具有极低的功耗、丰富的片内外设和方便灵活的开发手段,已成为一颗耀眼的新星。其内部自带看门狗及复位电路,理论上如果程序跑飞,可用看门狗将其复位。但在实际使用过程中,发现看门狗的作用并非万无一失,以下实验证明了这一点。
实验电路如图1所示。
 

实验程序清单：
#include <msp430x12x．h>
void main(void){
P1DIR l=OxOf; ／／设置P1．2～P1．O为输出
for(;;){
volatile unsigned int i;
WDTCTL=WDTPW+ WDTCNTCL;
／／复位WDT计数器
PIOUT==OxOt; ／／P1．0～P1．2相互异或
i=5000; ／／延时
d0(i--);
while(i!=O);
}
}[!--empirenews.page--]
    上述实验启动后,如果程序正常运行,LED会闪烁。缺省时,MSP430的看门狗是允许状态,所运行的程序会不断地访问看门狗。理论上,这个系统是不会发生启动失败的,因为即使启动失败,看门狗也应该在数百毫秒内启动,复位整个系统。基于这种思想,对单片机的复位进行测试。K2断开,用K1连续产生。 Reset信号,测试看门狗使系统重启的成功率。K2闭合,则reset端高电平,理论上K1不能有效产生复位脉冲,观察看门狗是否起作用。

3 实验结果与分析
    实验结果如下：K2断开,连续开关K1,上电重启系统,平均155次失败1次(LED不闪),即看门狗失效概率0．6%;K2闭合,连续开关K1,平均18次失败1次(LED不闪),且一旦失败,将连续失败下去,看门狗无效率占到了约5．5%。

    另外,当采用同样具有内置看门狗的其他系列单片机替代实验中的MSP430,启动程序段作相应修改时,实验结果仍大致相同,这说明具有内置看门狗的单片机面临的问题是相同的。经分析可能有如下原因：

    ①由于看门狗的时钟不独立,计数时钟与系统为同一分频链路,因此看门狗不能在系统出现问题时有效运作。
    ②由于时钟可用软件设置,启动失败时,开机时钟可能处于空档,没有时钟看门狗不能生效。
    ③有些看门狗需要用软件设置或启动,因此启动失败后,初始化程序没有激活,CPU可能跳转到随机代码,使看门狗被禁止。这样的看门狗是需要有可靠的上电复位作保证的,因此,从理论上讲,原设计存在着不合理性。基于上述分析,采用片外看门狗专用芯片TPS3823由独立的分频振荡电路提供计数脉冲。实验电路如图2所示。
 

    上述电路中,TPS3823输出定时溢出信号给Reset端。程序段中,CPU要不断地通过I／O口输出喂狗信号,使看门狗计数器清零。在此电路中重复上述试验中K1、K2的相同动作,系统重启成功率达到100%。

结 语
    未来的内置看门狗必须有独立可靠的时钟。系统上电后,看门狗即为允许状态,无需软件设置,它只能被外部硬件跳线或内部熔丝(fuse)所禁止。目前,如果要求设计可靠性较高的嵌入式系统,外置看门狗是必须考虑的。内置看门狗的另一问题是系统复位后,程序应判断是由Reset端正常上电复位,还是程序跑飞看门狗所致,由此确定现场数据是否应该保留。这也是在看门狗应用中所应考虑的。