硬件看门狗工作原理

硬件看门狗是什么？

硬件看门狗（Hardware Watchdog）是一种用于监控系统运行状态的硬件设备或电路。它的主要功能是检测系统是否正常运行，并在系统出现故障或无响应时自动重启或采取其他恢复措施。

工作原理与引脚

硬件看门狗一般外挂在主控芯片MCU上，看门狗内部有一个定时器，系统正常上电复位后该定时器会被重置；MCU在定时器设定的时间内给看门狗发送一个脉冲信号来进行“喂狗”，看门狗接收到喂狗信号后，将定时器重置开启新一轮计时；MCU发生异常无法完成“喂狗”操作直到看门狗定时器超时，看门狗会触发其故障处理操作，发送信号将MCU进行复位；如下：

• 根据上面的原理，我们来想一下一个最简单的看门狗芯片有哪些引脚：
  供电引脚VCC和接地引脚GND；
  使能引脚EN；
  喂狗引脚即MCU时钟脉冲输入引脚CLK；
  复位信号输出引脚RST；

• 以上就是最简单的看门狗所需的引脚，大部分看门狗还有以下几个引脚：
  看门狗定时器时间以及看门狗复位延迟时间设置引脚CTW；
  （定时器时间：即喂狗时间阈值可以通过在此引脚上外接电容来进行设置；）
  （复位延迟时间：看门狗触发复位输出时输出多长时间的脉冲时间；）
  （二者都可以通过在此引脚上外接电容来进行设置；）
  上电复位时间设置引脚CT；
  （上电复位时间：系统上电时看门狗复位输出脉冲持续的时间；）

设计这两个引脚主要是考虑到以下两点原因：

1. 不同的MCU内部时钟不同，有些功能简单的MCU内部时钟可能很小只有KHz级别，有些功能复杂的MCU内部时钟在MHz级别，看门狗定时器时间需要根据不同的MCU进行配置；
2. 不同MCU对于RST复位的脉冲时间有不同的要求，看门狗复位时间需要根据不同MCU进行配置；
3. 不同MCU对上电时序有一定要求，看门狗上电复位时间需要根据不同MCU进行配置；

看门狗工作时主要引脚电压

上图是看门狗上电后，使能引脚EN（高有效）一直拉高，当时钟输入引脚CLK一直没收到喂狗信号时，各个引脚的电压变化，由上图知道：

1. 上电后，当VDD电压值达到看门狗最小工作电压V_{DET}，看门狗开始上电复位，CT引脚电压开始充电直到CT引脚的电压升高到该引脚阈值V_{CTTH}，这段时间为看门狗的上电复位时间tD；
2. 上电复位完成后，CTW引脚电压开始充电，直到CTW引脚的电压升高到该引脚高边阈值V_{CTWH}，这期间看门狗CLK引脚没有接收到来自MCU的喂狗信号，看门狗触发复位操作，将引脚RST（低有效）拉低；
3. 引脚RST拉低后，CTW电压开始降低，直到CTW引脚的电压升高到该引脚低边阈值V_{CTWL}，这段时间为RST持续输出复位低电平信号给MCU，这段时间为看门狗的复位时间tWL；
4. 复位完成后，看门狗开始重新计时，RST引脚恢复为高电平，CTW引脚电压开始充电，直到CTW引脚的电压升高到该引脚高边阈值V_{CTWH}，这段时间为看门狗的喂狗时间阈值tWH；

相关时间设置与计算

以罗姆的BD87B29FVM看门狗为例，手册中提供了根据外接电容来计算喂狗时间阈值（定时器时间），复位时间以及上电复位时间的方法，如下：

其中tD为上电复位时间，tWH为喂狗时间阈值（定时器时间），tWH为复位时间；

详细计算过程如下：

1. 喂狗时间阈值由CTW引脚外接的电容来决定：
   $$t_{WH}=\frac{\left|V_{CTWH}-V_{CTWL}\right|\times C_{CTW}}{I_{CT{W}_C}}=\frac{\left|0.9V-0.3V\right|\times C_{CTW}}{0.3uA}=2\times C_{CTW}\times 10^{-6}$$
   V_{CTWH}为CTW引脚高边阈值，单位为V；V_{CTWL}为CWT引脚低边阈值，单位为V； I_{CTW_C}为CWT充电电流，单位为A；三者均可以在datasheet中找到对应值；
   C_{CTW} 为CTW引脚外接电容容值，单位为F；
   计算除了的tWH为喂狗时间阈值，单位为S，与datasheet中给出的计算公式一致；

2. 复位时间也由CTW引脚外接的电容来决定：
   $$t_{WL}=\frac{\left|V_{CTWH}-V_{CTWL}\right|\times C_{CTW}}{I_{CT{W}_D}}=\frac{\left|0.9V-0.3V\right|\times C_{CTW}}{0.9uA}\approx 0.67\times C_{CTW}\times 10^{-6}$$
   V_{CTWH}为CWT引脚高边阈值，单位为V；V_{CTWL}为CWT引脚低边阈值，单位为V； I_{CTW_D}为CWT放电电流，单位为A；三者均可以在datasheet中找到对应值；
   C_{CTW} 为CTW引脚外接电容容值，单位为F；
   计算除了的tWL为复位时间，单位为S，与datasheet中给出的计算公式一致；

3. 上电复位时间由CT引脚外接电容来决定：
   $$t_D=\frac{V_{CTTH}\times C_{CT}}{I_{CT}}=\frac{0.9V\times C_{CT}}{1.3uA}\approx 0.69\times C_{CT}\times 10^{-6}$$
   V_{CTTH}为CT引脚阈值电压，单位为VI_{CT} 为CWT充电电流，单位为A；三者均可以在datasheet中找到对应值；
   C_{CT}为CT引脚外接电容容值，单位为F；
   计算除了的tD为上电复位时间，单位为S，与datasheet中给出的计算公式一致；

以上计算都是通过电荷量的基础公式进行计算的：
$$Q=It=CV$$

注意事项

1. 对于这个看门狗来说，喂狗时间阈值由硬件C_{CTW}电容大小来确定，而真正的喂狗周期由软件来设置：软件设置的喂狗周期不能太长，如果喂狗周期很接近喂狗时间阈值，则系统可能会由于电容精度等误差发生异常复位的情况；软件设置的喂狗周期不能太短，喂狗周期太短会导致系统功耗增大，尤其是在休眠情况下，喂狗太频繁会导致休眠电流偏大；
   因此，通常软件喂狗时间设置为喂狗时间阈值的一半比较合适；
2. MCU对RST信号在上电时刻和持续时长有一定要求：一般来说MCU要保证上电一段时间后，才允许RST引脚拉高；复位MCU时也会需要RST信号持续一定时间才能正确复位MCU；
   因此，要先明确MCU的需求，再通过看门狗上电复位时间和复位时间公式来计算出CT与CTW引脚外接电容的容值；