C51单片机看门狗电路及程序设计方案解读.doc

C51单片机看门狗电路及程序设计方案

院系：信息工程学院
年级：2010级
电子一班 刘禹豪
电子一班 赵训虎
电子二班 邓启新

一、 引言
在由单片机构成的微型计算机系统中，程序的正常运行常常会因为来自外界的电磁场干扰等原因而被打断，从而造成程序的跑飞，而陷入死循环。由此导致单片机控制的系统无法继续工作，造成整个系统的陷入停滞状态，发生不可预料的后果，所以出于对单片机运行状态进行实时监测的考虑，便产生了一种专门用于监测单片机程序运行状态的芯片或程序，俗称"看门狗"(watchdog)
（1）看门狗电路基本原理
看门狗电路的应用，使单片机可以在无人状态下实现连续工作，其工作原理是:看门狗芯片和单片机的一个I/O引脚相连 此处设计原理实际上为下文中硬件看门狗设计思路。
*，该I/O引脚通过程序控制它定时地往看门狗的这个引脚上送入高电平（或低电平），这一程序语句是分散地放在单片机其他控制语句中间的，一旦单片机由于干扰造成程序跑飞后而陷入某一程序段 进入死循环状态时，写看门狗引脚的程序便不能被执行，这个时候，看门狗电路就会由于得不到单片机送来的信号，便在它和单片机复位引脚相连的引脚上送出一个复位信号，使单片机发生复位，即程序从程序存储器的起始位置开始执行，这样便实现了单片机的自动复位。
（2）看门狗电路一般设计方式
“看门狗”电路一般分为硬件看门狗与软件看门狗两种设计方式。
硬件看门狗是利用了一个定时器，来监控主程序的运行，也就是说在主程序的运行过程中，我们要在定时时间到之前对定时器进行复位。如果出现死循环，或者说PC指针不能回来，那么定时时间到后就会使单片机复位。常用的WDT芯片如MAX813,5045,IMP 813等，价格4~10元不等.
软件看门狗技术的原理和硬件看门狗类似，只不过是用软件的方法实现（即利用单片机内部定时器资源，通过编程模拟硬件看门狗工作方式），以51系列为例：因在51单片机中有两个定时器，在利用内部定时器资源来对主程序的运行进行监控时。可以对T1（或T0）设定一定的定时时间（设定的定时值要小于主程序的运行时间），当产生定时中断的时候对一个变量进行赋值（此变量在主程序运行的开始已有一个初值）。当主程序运行至最后时对此变量的值进行判断，如果值发生了预期的变化，就说明T0中断正常，如果没有发生变化则使程序复位。
考虑到设计要求，本设计采用软件看门狗设计思路。

二、 看门狗电路整体设计思路
根据设计要求，本设计利用C51单片机内部自带的定时器1进行编程，并配合少量电路实现“看门狗“电路功能。整个设计分为软件部分与硬件部分，如下：
（1） 软件部分设计原理：
软件设计分为三部分：“看门狗“定时器设置程序、溢出中断服务程序和喂狗代码。
1.1设计思路：
1）在主程序开头，“看门狗“定时器设置程序设置定时器1计时50ms。
2）当定时达50ms时，定时器1产生溢出中断，溢出中断服务程序开始工作，将看门狗标志num加1。当num的值等于100时，说明看门狗定时器已经计时5s，此时，单片机I/O端口P1.0输出高电平，对程序进行复位。
3）在此过程中，喂狗代码将被穿插于程序中循环体末尾。当循环体结束时，喂狗代码执行，关闭定时器1、清空num并重新初始化定时器设置。若循环体进入死循环，喂狗代码无法执行，num将一直累加至100，此时程序复位。
注：喂狗代码放置位置可根据num预计数值进行调整：当num门限值较小，即看门狗计数时间较短时，喂狗代码可放于程序中各循环体之后或均匀分布于整个主程序中。当num门限值较大，即看门狗计数时间较长时，喂狗代码可放于程序主循环体末尾。但是需注意看门狗计数时间必须长于正常工作时间，以免非正常复位。
1.2软件设计流程图：
START

定时器1
主程序

寄存器累加
定时器1设置

溢出中断

开定时器1

循环
中断服务程序

喂狗代码
num+1

No

num=100？

Yes

复位

以下为三部分详细程序设计
1.3“看门狗“定时器设置程序：
“看门狗“定时器设置程序对定时器1进行设置。设定时器1为工作方式1。设M为工作方式1下，定时器最大计数值，可知M=65536。所以，设定时器1的初值为X，则初值X与机器周期I机及定时时间T的关系为：
(M-X)T机 = T (1)
其中：T机 =12个时钟周期 =12 /fosc。所以，定时器1的初值为：
X = M－T/ T机 (2)
因此，当T1工作于方式1，定时时间为50ms，时钟频率fosc=12MHz时，可知：
X=M- T/ T机 = 65536-50000/1 =15536=3CB0H
所以，“看门狗“定时器设置程序清单（c语言）如下：
TMOD=0x10; //设置TMOD寄存器，定时器1设为方式1
TL1=0xB0; //设置定时器初值低8位
TH1=0x3C; //设置定时器初值高8位，设置为计时50ms
ET1=1; //开定时器1溢出中断
EA=1; //开总中断控制
TF1=0; //定时器1溢出中断标志清零
TR1=1; //开定时器1

1.4溢出中断服务程序：
溢出中断服务程序为定时器1溢出中断服务程序，每执行一次，num加1，并判断num是否达到100，即计时5s。若已达到5s，I/O口P1.0输出复位信号。
溢出中断服务程序清单（c语言）如下：
void int_T1() interrupt 3 using 3 //定时器1溢出中断服务程序
{
num++; //每溢出一次标志加1
if (num==100) //当标志等于100时，即计时5s
{
P1=~(0x01); //P1.0输出1
}
}

1.5喂狗代码：
喂狗代码主要功能为暂时关定时器1，定时器1寄存器清零，看门狗标志num清零和重新开启定时器1.
喂狗代码程序清单（c语言）如下：
TR1=0; //喂狗代码，关定时器1
TL1=0xB0; //重新设置定时器初值
TH1=0x3C;
TF1=0; //定时器1溢出中断标志清零
TR1=1; //开定时器1

1.6完整测试程序清单
完整测设程序分为两部分，以一个正向运行一次的流水灯程序和逆向无限循环流水灯程序组成。在正向进行一次流水灯程序时，看门狗代码不会复位单片机；逆向无限循环流水灯程序时，延时5s，看门狗复位单片机。完整测试程序清单（c语言）如下：
#include "reg51.h"
#include "stdio.h"

unsigned int i,num; //设置变量
unsigned char temp;

void delay(unsigned int t); //声明delay函数

int main()
{
num=0; //看门狗复位标志
P1=~(0x00); //将P1口赋值为0
TMOD=0x10; //设置TMOD寄存器，定时器1设为方式1
TL1=0xB0; //设置定时器初值低8位
TH1=0x3C; //设置定时器初值高8位，设置为计时50ms
ET1=1; //开定时器1溢出中断
EA=1; //开总中断控制
TF1=0; //定时器1溢出中断标志清零
TR1=1; //开定时器1

temp=0x01; //流水灯状态标志
for(i=0;i<8;i++) //流水灯程序（1）
{
P0=~temp; //点亮P0口对应的LED
delay(100);
temp<<=1; //点亮的LED灯前移一位
}

TR1=0; //喂狗代码，关定时器1
TL1=0xB0; //重新设置定时器初值
TH1=0x3C;
TF1=0; //定时器1溢出中断标志清零
TR1=1; //开定时器1

while(1) //流水灯程序（2）
{ //倒序，无限循环
temp=0x80;
for(i=0;i<8;i++)
{
P0=~temp;
delay(100);
temp>>=1;
}
}
TR1=0; //喂狗代码
TL1=0xB0;
TH1=0x3C;
TF1=0;
TR1=1;
num=0;

return 0;
}

void delay(unsigned int t) //延时子程序
{
register unsigned int bt;
for(;t;t--)
for(bt=0;bt<255;bt++);
}

void int_T1() interrupt 3 using 3
//定时器1溢出中断服务程序
{
num++; //每溢出一次标志加1
if (num==100) //当标志等于100时，即计时5s
{
P1=~(0x01); //P1.0输出1
}
}
完整测试程序清单（c语言反汇编版）如下：
Q0000: LJMP Q00AB
Q0003: PUSH ACC
INC 0AH
MOV A,0AH
JNZ Q000D
INC 09H
Q000D: XRL A,#64H
ORL A,09H
JNZ Q0016
MOV P1,#0FEH
Q0016: POP ACC
RETI
NOP
NOP
LJMP Q0003
Q001E: CLR A
MOV 09H,A
MOV 0AH,A
MOV P1,#0FFH
MOV TMOD,#10H
MOV TL1,#0B0H
MOV TH1,#3CH
SETB ET1
SETB EA
CLR TF1
SETB TR1
MOV 08H,#01H
MOV 0BH,A
MOV 0CH,A
Q003E: LCALL Q0089
MOV A,08H
ADD A,ACC
MOV 08H,A
INC 0CH
MOV A,0CH
JNZ Q004F
INC 0BH
Q004F: CLR C
SUBB A,#08H
MOV A,0BH
SUBB A,#00H
JC Q003E
CLR TR1
MOV TL1,#0B0H
MOV TH1,#3CH
CLR TF1
SETB TR1
Q0064: MOV 08H,#80H
CLR A
MOV 0BH,A
MOV 0CH,A
Q006C: LCALL Q0089
MOV A,08H
CLR C
RRC A
MOV 08H,A
INC 0CH
MOV A,0CH
JNZ Q007D
INC 0BH
Q007D: CLR C
SUBB A,#08H
MOV A,0BH
SUBB A,#00H
JC Q006C
SJMP Q0064
RET
Q0089: MOV A,08H
CPL A
MOV P0,A
MOV R7,#64H
MOV R6,#00H
Q0092: MOV A,R7
ORL A,R6
JZ Q00AA
CLR A
MOV R5,A
MOV R4,A
Q0099: INC R5
CJNE R5,#00H,Q009E
INC R4
Q009E: MOV A,R5
CPL A
ORL A,R4
JNZ Q0099
MOV A,R7
DEC R7
JNZ Q0092
DEC R6
SJMP Q0092
Q00AA: RET
Q00AB: MOV R0,#7FH
CLR A
Q00AE: MOV @R0,A
DJNZ R0,Q00AE
MOV SP,#0CH
LJMP Q001E
（2） 硬件部分设计原理
因C51单片机复位端RST接收到一正脉冲时，单片机复位，所以P1.0引脚的复位信号（输出由低电平变为高电平）应通过一电容与电阻组成的微分电路，将方波转化为脉冲波。整个复位电路包括上电复位、手动复位和看门狗复位三部分，如图：