如何實(shí)現(xiàn)模擬看門狗？

作者：逸珺

轉(zhuǎn)自：STM32

對(duì)于看門狗大家或許不陌生，但對(duì)于模擬看門狗有的朋友可能就不甚了解了。本文來(lái)聊聊模擬看門狗，旨在梳理相應(yīng)的概念，理解模擬看門狗原理、與常規(guī)看門狗的異同點(diǎn)以及工程應(yīng)用價(jià)值。

啥是看門狗？

一般來(lái)講，單片機(jī)的看門狗可簡(jiǎn)單看成相對(duì)獨(dú)立的兩部分，即計(jì)時(shí)單元和監(jiān)控單元。計(jì)時(shí)單元實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)與重裝。在計(jì)數(shù)過(guò)程中，軟件可以適時(shí)對(duì)計(jì)數(shù)器的初始值進(jìn)行重裝，以防溢出。監(jiān)控單元監(jiān)視計(jì)時(shí)器的溢出事件，若計(jì)數(shù)器因未被軟件適時(shí)重裝而發(fā)生溢出，看門狗通常會(huì)執(zhí)行復(fù)位動(dòng)作，比如復(fù)位處理器。

以STM32F4系列單片機(jī)獨(dú)立看門狗IWDG（ Independent watchdog）為例，看看其計(jì)時(shí)電路的功能架構(gòu)：

我們?cè)俳Y(jié)合STM32的復(fù)位邏輯模塊，來(lái)大致看看IWDG的復(fù)位控制過(guò)程。

當(dāng)IWDG看門狗模塊監(jiān)測(cè)到計(jì)數(shù)溢出時(shí)，IWDG reset信號(hào)輸出低，經(jīng)過(guò)與邏輯電路觸發(fā)脈沖發(fā)生器，產(chǎn)生一個(gè)正向窄脈沖以控制MOSFET在該脈沖寬度期間導(dǎo)通，并經(jīng)由濾波電路產(chǎn)生系統(tǒng)復(fù)位事件信號(hào)，進(jìn)而觸發(fā)STM32復(fù)位。

上面大致介紹了常見(jiàn)的獨(dú)立看門狗的功能及工作流程。那么STM32芯片的模擬看門狗是又怎么回事呢？跟上面提到的獨(dú)立看門狗有關(guān)系嗎？它是怎么工作的？

請(qǐng)繼續(xù)閱讀。。.。。

模擬看門狗

模擬看門狗跟上面提到的監(jiān)控微處理器是否正常運(yùn)行的獨(dú)立看門狗沒(méi)有關(guān)系，它是基于ADC外設(shè)應(yīng)用的一個(gè)功能模塊。它以類似于獨(dú)立看門狗的方式進(jìn)行工作， 只不過(guò)它監(jiān)視的是模擬通道輸入信號(hào)幅度，當(dāng)監(jiān)測(cè)到輸入異常時(shí)會(huì)觸發(fā)模擬看門狗事件。軟件上基于模擬狗事件再進(jìn)行相應(yīng)的處理。

當(dāng)我們?cè)趯?duì)模擬看門狗做初始化配置時(shí)，需事先設(shè)定看門狗要監(jiān)視的模擬輸入通道的輸入閾值，即上下門限值【被監(jiān)測(cè)模擬信號(hào)幅度對(duì)應(yīng)的ADC值】。當(dāng)模擬看門狗監(jiān)測(cè)到輸入信號(hào)電壓超過(guò)閾值時(shí)，它將產(chǎn)生看門狗事件，并可以觸發(fā)中斷以運(yùn)行相應(yīng)處理代碼。

如果說(shuō)沒(méi)有這個(gè)模擬看門狗，而我們又需要對(duì)模擬輸入信號(hào)幅度做實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，往往會(huì)有兩方面的方案。其一，我們通過(guò)軟件方式，對(duì)ADC采樣值進(jìn)行代碼輪詢。顯然，這會(huì)大大增加CPU的負(fù)荷，而且實(shí)時(shí)性也難以保證。其二，我們可以考慮額外設(shè)計(jì)硬件監(jiān)控電路。比方，將模擬輸入外接兩個(gè)比較器，將模擬信號(hào)與外部產(chǎn)生的上下邊界比較閾值進(jìn)行比較（如下圖），從而產(chǎn)生中斷信號(hào)給單片機(jī)也能實(shí)現(xiàn)類似的實(shí)時(shí)功能需求。

那么，此時(shí)需要更多的外圍器件并占用單片機(jī)額外的中斷請(qǐng)求引腳。

不難看出，對(duì)于模擬輸入信號(hào)幅度的監(jiān)測(cè)，借助于STM32片內(nèi)模擬看門狗可輕松實(shí)現(xiàn)硬件監(jiān)測(cè)，既無(wú)須外擴(kuò)硬件電路也無(wú)須軟件輪詢信號(hào)的合法性或安全性。同時(shí)，又大大減輕了CPU的負(fù)荷，并保證了對(duì)輸入異常的實(shí)時(shí)響應(yīng)。

模擬看門狗在哪里？

既然模擬看門狗是ADC模塊的一部分功能單元，我們不妨以看看STM32F4系列的ADC框圖。對(duì)于如何使用一個(gè)外設(shè)模塊，首先瀏覽其功能框圖無(wú)疑是個(gè)不錯(cuò)舉措。我們可以從ADC模塊的功能框圖中找到模擬看門狗功能單元之所在。

有啥工程應(yīng)用價(jià)值？

到此，我們知道?？撮T狗可監(jiān)控模擬信號(hào)是否超界，據(jù)此我們可以想到這樣一些應(yīng)用場(chǎng)合：

供電電源超界檢測(cè)。在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中，常常需要實(shí)現(xiàn)較為智能的電源診斷。在一個(gè)產(chǎn)品的關(guān)鍵功能鏈中，電源是否異常往往需要格外關(guān)注。通常需要相應(yīng)的診斷檢測(cè)電路，以檢測(cè)設(shè)備電源電壓是否超出限定值，如超出限定值需做出診斷報(bào)警。這在工業(yè)產(chǎn)品、汽車電子、醫(yī)療器械中都有明確強(qiáng)制要求。

實(shí)現(xiàn)控制環(huán)路fail-safe模式。比如一個(gè)控制系統(tǒng)根據(jù)采集到的傳感器信號(hào)來(lái)控制閥門的開(kāi)度，以實(shí)現(xiàn)流量控制?；蛘咭粋€(gè)速度控制系統(tǒng)，如果傳感器信號(hào)異常，需要馬上將設(shè)備置于功能安全狀態(tài)，以避免造成經(jīng)濟(jì)損失或者帶來(lái)人身傷害。還比如一個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，如果電流傳感器值超限，需要馬上讓電機(jī)停機(jī)等。

其實(shí)，需要做模擬監(jiān)測(cè)的場(chǎng)合還很多，這里不多做列舉。

代碼怎么寫呢？

下面給出大致參考例程，主要演示實(shí)現(xiàn)的基本思路和框架，細(xì)節(jié)根據(jù)項(xiàng)目相應(yīng)需求完善。 順便提醒，盡量基于 STM32CubeMx 來(lái)著手我們的 STM32 軟件開(kāi)發(fā)。

static void ADC_Config（void）{ ADC_ChannelConfTypeDef sConfig; ADC_AnalogWDGConfTypeDef AnalogWDGConfig; /* 初始化 */ AdcHandle.Instance = ADCx; AdcHandle.Init.ClockPrescaler = ADC_CLOCK_ASYNC_DIV1; /* 異步時(shí)鐘模式，時(shí)鐘不分頻 */ AdcHandle.Init.Resolution = ADC_RESOLUTION_12B; /* 12位 */ AdcHandle.Init.DataAlign = ADC_DATAALIGN_RIGHT; /* 右對(duì)齊模式 */ AdcHandle.Init.ScanConvMode = DISABLE; /* Sequencer disabled （ADC conversion on only 1 channel： channel set on rank 1） */ AdcHandle.Init.EOCSelection = ADC_EOC_SINGLE_CONV; /* EOC標(biāo)志指示轉(zhuǎn)換結(jié)束 */ AdcHandle.Init.LowPowerAutoWait = DISABLE; /* 自動(dòng)延遲轉(zhuǎn)換功能禁用 */ AdcHandle.Init.ContinuousConvMode = DISABLE; /* 禁用連續(xù)模式，單次模式 */ AdcHandle.Init.NbrOfConversion = 1; AdcHandle.Init.DiscontinuousConvMode = DISABLE; AdcHandle.Init.NbrOfDiscConversion = 1; AdcHandle.Init.ExternalTrigConv = ADC_EXTERNALTRIG_T3_TRGO; /* Timer 3 觸發(fā) */ AdcHandle.Init.ExternalTrigConvEdge = ADC_EXTERNALTRIGCONVEDGE_RISING; /* 軟件觸發(fā) */ AdcHandle.Init.DMAContinuousRequests = ENABLE; /* DMA 循環(huán)模式使能 */ AdcHandle.Init.Overrun = ADC_OVR_DATA_OVERWRITTEN; /* 如溢出DR寄存器將被最后的轉(zhuǎn)換結(jié)果覆蓋 */ AdcHandle.Init.OversamplingMode = DISABLE; /* 禁用過(guò)采樣 */ if （HAL_ADC_Init（&AdcHandle） ！= HAL_OK） { /* 初始化錯(cuò)誤處理 */ Error_Handler（）; } /* 如ADC轉(zhuǎn)換超出所設(shè)模擬看門狗窗口，則考慮到IT在每次ADC轉(zhuǎn)換后發(fā)生，*/ /* 請(qǐng)選擇足夠長(zhǎng)的采樣時(shí)間和ADC時(shí)鐘，以免在IRQHandler中產(chǎn)生開(kāi)銷。*/ sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_5; /* 通道選擇 */ sConfig.Rank = ADC_REGULAR_RANK_1; /* Rank 選擇 */ sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_6CYCLES_5; /* 采樣時(shí)間 */ sConfig.SingleDiff = ADC_SINGLE_ENDED; /* 單端輸入模式 */ sConfig.OffsetNumber = ADC_OFFSET_NONE; /* 無(wú)偏移 */ sConfig.Offset = 0; /* 偏移禁用，該值無(wú)用 */ if （HAL_ADC_ConfigChannel（&AdcHandle， &sConfig） ！= HAL_OK） { /* 通道配置錯(cuò)誤處理 */ Error_Handler（）; } /* 設(shè)置模擬看門狗閾值 */ /* Analog watchdog 1 模擬看門狗配置 */ AnalogWDGConfig.WatchdogNumber = ADC_ANALOGWATCHDOG_1; AnalogWDGConfig.WatchdogMode = ADC_ANALOGWATCHDOG_ALL_REG; AnalogWDGConfig.Channel = ADCx_CHANNELa; AnalogWDGConfig.ITMode = ENABLE; AnalogWDGConfig.HighThreshold = （RANGE_12BITS * 5/8）; AnalogWDGConfig.LowThreshold = （RANGE_12BITS * 1/8）; if （HAL_ADC_AnalogWDGConfig（&AdcHandle， &AnalogWDGConfig） ！= HAL_OK） { /* 配置錯(cuò)誤處理 */ Error_Handler（）; } } void HAL_ADC_LevelOutOfWindowCallback（ADC_HandleTypeDef* hadc） { /* 看門狗錯(cuò)誤處理，這里可以實(shí)現(xiàn)fail-safe需求*/ /* 1.比如關(guān)閉關(guān)鍵電路 */ /* 2.設(shè)置報(bào)警標(biāo)志 */ /* 3.代碼盡可能運(yùn)行短 */ 。。.。。 ubAnalogWatchdogStatus = SET; } #define ADCCONVERTEDVALUES_BUFFER_SIZE 256 /* 數(shù)組aADCxConvertedValues［］大小 */ /* ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果 */ static __IO uint16_t aADCxConvertedValues［ADCCONVERTEDVALUES_BUFFER_SIZE］; static void start_adc（void）{ /* 啟動(dòng)ADC以DMA模式運(yùn)行 */ if （HAL_ADC_Start_DMA（&AdcHandle， （uint32_t *）aADCxConvertedValues， ADCCONVERTEDVALUES_BUFFER_SIZE ） ！= HAL_OK） { /* 啟動(dòng)錯(cuò)誤處理 */ Error_Handler（）; } }

總結(jié)

這里針對(duì)STM32芯片模擬看門狗的概念及原理做了較為清晰的介紹，它也算是STM32一個(gè)具有特色的功能模塊。對(duì)于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中需要進(jìn)行模擬輸入幅值監(jiān)控的場(chǎng)合，使用它會(huì)非常便利。

責(zé)任編輯：haq