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如何实现模拟看门狗?

2020-10-23 14:51 次阅读

作者:逸珺

转自:STM32

对于看门狗大家或许不陌生,但对于模拟看门狗有的朋友可能就不甚了解了。本文来聊聊模拟看门狗,旨在梳理相应的概念,理解模拟看门狗原理、与常规看门狗的异同点以及工程应用价值。

啥是看门狗?

一般来讲,单片机的看门狗可简单看成相对独立的两部分,即计时单元和监控单元。计时单元实现计数与重装。在计数过程中,软件可以适时对计数器的初始值进行重装,以防溢出。监控单元监视计时器的溢出事件,若计数器因未被软件适时重装而发生溢出,看门狗通常会执行复位动作,比如复位处理器。

以STM32F4系列单片机独立看门狗IWDG( Independent watchdog)为例,看看其计时电路的功能架构:

我们再结合STM32的复位逻辑模块,来大致看看IWDG的复位控制过程。

当IWDG看门狗模块监测到计数溢出时,IWDG reset信号输出低,经过与逻辑电路触发脉冲发生器,产生一个正向窄脉冲以控制MOSFET在该脉冲宽度期间导通,并经由滤波电路产生系统复位事件信号,进而触发STM32复位。

上面大致介绍了常见的独立看门狗的功能及工作流程。那么STM32芯片的模拟看门狗是又怎么回事呢?跟上面提到的独立看门狗有关系吗?它是怎么工作的?

请继续阅读。。.。。

模拟看门狗

模拟看门狗跟上面提到的监控微处理器是否正常运行的独立看门狗没有关系,它是基于ADC外设应用的一个功能模块。它以类似于独立看门狗的方式进行工作, 只不过它监视的是模拟通道输入信号幅度,当监测到输入异常时会触发模拟看门狗事件。软件上基于模拟狗事件再进行相应的处理。

当我们在对模拟看门狗做初始化配置时,需事先设定看门狗要监视的模拟输入通道的输入阈值,即上下门限值【被监测模拟信号幅度对应的ADC值】。当模拟看门狗监测到输入信号电压超过阈值时,它将产生看门狗事件,并可以触发中断以运行相应处理代码。

如果说没有这个模拟看门狗,而我们又需要对模拟输入信号幅度做实时监测,往往会有两方面的方案。其一,我们通过软件方式,对ADC采样值进行代码轮询。显然,这会大大增加CPU的负荷,而且实时性也难以保证。其二,我们可以考虑额外设计硬件监控电路。比方,将模拟输入外接两个比较器,将模拟信号与外部产生的上下边界比较阈值进行比较(如下图),从而产生中断信号给单片机也能实现类似的实时功能需求。

那么,此时需要更多的外围器件并占用单片机额外的中断请求引脚。

不难看出,对于模拟输入信号幅度的监测,借助于STM32片内模拟看门狗可轻松实现硬件监测,既无须外扩硬件电路也无须软件轮询信号的合法性或安全性。同时,又大大减轻了CPU的负荷,并保证了对输入异常的实时响应。

模拟看门狗在哪里?

既然模拟看门狗是ADC模块的一部分功能单元,我们不妨以看看STM32F4系列的ADC框图。对于如何使用一个外设模块,首先浏览其功能框图无疑是个不错举措。我们可以从ADC模块的功能框图中找到模拟看门狗功能单元之所在。

有啥工程应用价值?

到此,我们知道模看门狗可监控模拟信号是否超界,据此我们可以想到这样一些应用场合:

供电电源超界检测。在产品开发中,常常需要实现较为智能的电源诊断。在一个产品的关键功能链中,电源是否异常往往需要格外关注。通常需要相应的诊断检测电路,以检测设备电源电压是否超出限定值,如超出限定值需做出诊断报警。这在工业产品、汽车电子、医疗器械中都有明确强制要求。

实现控制环路fail-safe模式。比如一个控制系统根据采集到的传感器信号来控制阀门的开度,以实现流量控制。或者一个速度控制系统,如果传感器信号异常,需要马上将设备置于功能安全状态,以避免造成经济损失或者带来人身伤害。还比如一个电机转速控制系统,如果电流传感器值超限,需要马上让电机停机等。

其实,需要做模拟监测的场合还很多,这里不多做列举。

代码怎么写呢?

下面给出大致参考例程,主要演示实现的基本思路和框架,细节根据项目相应需求完善。 顺便提醒,尽量基于 STM32CubeMx 来着手我们的 STM32 软件开发。

static void ADC_Config(void){ ADC_ChannelConfTypeDef sConfig; ADC_AnalogWDGConfTypeDef AnalogWDGConfig; /* 初始化 */ AdcHandle.Instance = ADCx; AdcHandle.Init.ClockPrescaler = ADC_CLOCK_ASYNC_DIV1; /* 异步时钟模式,时钟不分频 */ AdcHandle.Init.Resolution = ADC_RESOLUTION_12B; /* 12位 */ AdcHandle.Init.DataAlign = ADC_DATAALIGN_RIGHT; /* 右对齐模式 */ 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标志指示转换结束 */ AdcHandle.Init.LowPowerAutoWait = DISABLE; /* 自动延迟转换功能禁用 */ AdcHandle.Init.ContinuousConvMode = DISABLE; /* 禁用连续模式,单次模式 */ AdcHandle.Init.NbrOfConversion = 1; AdcHandle.Init.DiscontinuousConvMode = DISABLE; AdcHandle.Init.NbrOfDiscConversion = 1; AdcHandle.Init.ExternalTrigConv = ADC_EXTERNALTRIG_T3_TRGO; /* Timer 3 触发 */ AdcHandle.Init.ExternalTrigConvEdge = ADC_EXTERNALTRIGCONVEDGE_RISING; /* 软件触发 */ AdcHandle.Init.DMAContinuousRequests = ENABLE; /* DMA 循环模式使能 */ AdcHandle.Init.Overrun = ADC_OVR_DATA_OVERWRITTEN; /* 如溢出DR寄存器将被最后的转换结果覆盖 */ AdcHandle.Init.OversamplingMode = DISABLE; /* 禁用过采样 */ if (HAL_ADC_Init(&AdcHandle) != HAL_OK) { /* 初始化错误处理 */ Error_Handler(); } /* 如ADC转换超出所设模拟看门狗窗口,则考虑到IT在每次ADC转换后发生,*/ /* 请选择足够长的采样时间和ADC时钟,以免在IRQHandler中产生开销。*/ sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_5; /* 通道选择 */ sConfig.Rank = ADC_REGULAR_RANK_1; /* Rank 选择 */ sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_6CYCLES_5; /* 采样时间 */ sConfig.SingleDiff = ADC_SINGLE_ENDED; /* 单端输入模式 */ sConfig.OffsetNumber = ADC_OFFSET_NONE; /* 无偏移 */ sConfig.Offset = 0; /* 偏移禁用,该值无用 */ if (HAL_ADC_ConfigChannel(&AdcHandle, &sConfig) != HAL_OK) { /* 通道配置错误处理 */ Error_Handler(); } /* 设置模拟看门狗阈值 */ /* Analog watchdog 1 模拟看门狗配置 */ 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) { /* 配置错误处理 */ Error_Handler(); } } void HAL_ADC_LevelOutOfWindowCallback(ADC_HandleTypeDef* hadc) { /* 看门狗错误处理,这里可以实现fail-safe需求*/ /* 1.比如关闭关键电路 */ /* 2.设置报警标志 */ /* 3.代码尽可能运行短 */ 。。.。。 ubAnalogWatchdogStatus = SET; } #define ADCCONVERTEDVALUES_BUFFER_SIZE 256 /* 数组aADCxConvertedValues[]大小 */ /* ADC转换结果 */ static __IO uint16_t aADCxConvertedValues[ADCCONVERTEDVALUES_BUFFER_SIZE]; static void start_adc(void){ /* 启动ADC以DMA模式运行 */ if (HAL_ADC_Start_DMA(&AdcHandle, (uint32_t *)aADCxConvertedValues, ADCCONVERTEDVALUES_BUFFER_SIZE ) != HAL_OK) { /* 启动错误处理 */ Error_Handler(); } }

总结

这里针对STM32芯片模拟看门狗的概念及原理做了较为清晰的介绍,它也算是STM32一个具有特色的功能模块。对于产品开发中需要进行模拟输入幅值监控的场合,使用它会非常便利。

责任编辑:haq

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2N3906 小信号PNP双极晶体管,TO-92

7B35 带24 V隔离环路电源的隔离过程电流输入信号调理模块

信息优势和特点 接受发送器输入(0-20mA或4-20mA) 提供发送器环路电源 100 Hz带宽 1-5V或0-10V输出Additional 7B Resources: Accessories and Backplanes Sales and Service: North America (SCS Embedded Tech), Rest of World电路图、引脚图和封装图
发表于 04-18 19:49 102次 阅读
7B35 带24 V隔离环路电源的隔离过程电流输入信号调理模块

3B47 隔离线性热电偶输入信号调理模块

信息优势和特点 接受所有常见TC输入(J, K, T, E, R, S, B) 内部CJC和开路TC检测 与传感器温度成比例的线性输出 0至+10 V输出Additional 3B Resources: Accessories, Backplanes and Power SuppliesSales and Service: North America (SCS Embedded Tech), Rest of WorldDownload a PDF copy of this user manual电路图、引脚图和封装图
发表于 04-18 19:45 76次 阅读
3B47 隔离线性热电偶输入信号调理模块

3B42 隔离交流正弦波输入;0至1 V rms信号调理模块

信息优势和特点 接受交流输入 20mV至1V输入 交流电流检测应用 3 Hz带宽 电压(± 10V)和电流输出(0-20mA或4-20mA)Additional 3B Resources: Accessories, Backplanes and Power SuppliesSales and Service: North America (SCS Embedded Tech), Rest of WorldDownload a PDF copy of this user manual电路图、引脚图和封装图
发表于 04-18 19:43 65次 阅读
3B42 隔离交流正弦波输入;0至1 V rms信号调理模块

3B20 非隔离交流应变或扭矩输入信号调理模块

信息优势和特点 接受交流应变计或扭矩传感器输入 完善的应变计调理 1kHz至10KHz交流激励 10KHz带宽 电压(± 10V)和电流输出(0-20mA或4-20mA)Additional 3B Resources: Accessories, Backplanes and Power SuppliesSales and Service: North America (SCS Embedded Tech), Rest of WorldDownload a PDF copy of this user manual电路图、引脚图和封装图
发表于 04-18 19:39 74次 阅读
3B20 非隔离交流应变或扭矩输入信号调理模块

3B16 非隔离应变计输入;3 Hz带宽信号调理模块

信息优势和特点 接受应变计输入 提供电桥激励 低噪声 3Hz带宽 电压(± 10V)和电流输出(0-20mA或4-20mA)Additional 3B Resources: Accessories, Backplanes and Power SuppliesSales and Service: North America (SCS Embedded Tech), Rest of WorldDownload a PDF copy of this user manual电路图、引脚图和封装图
发表于 04-18 19:39 94次 阅读
3B16 非隔离应变计输入;3 Hz带宽信号调理模块

3B17 非隔离LVDT或RVDT输入信号调理模块

信息优势和特点 接受LVDT或RVDT输入 完善的LVDT调理 1kHz至10KHz交流激励 100 Hz带宽 电压(± 10V)和电流输出(0-20mA或4-20mA)Additional 3B Resources: Accessories, Backplanes and Power SuppliesSales and Service: North America (SCS Embedded Tech), Rest of WorldDownload a PDF copy of this user manual电路图、引脚图和封装图
发表于 04-18 19:39 95次 阅读
3B17 非隔离LVDT或RVDT输入信号调理模块

6B21 隔离电流输出:信号调节模块

信息优势和特点 Process Current Output (0-20mA or 4-20mA) RS-485 Interface Programmable Slew Rate National Instruments Labview Supported 产品详情The 6B Series of modules and boards provides the hardware needed to implement a flexible, distributed monitoring and control application. By selecting only the modules and interfaces needed and connecting them via RS-485, the data acquisition and control strategy can be designed for optimum location of the I/O as well as minimizing sensor runs. The modularity and configurability of the 6B Series also makes them very cost effective.电路图、引脚图和封装图...
发表于 04-18 19:16 100次 阅读
6B21 隔离电流输出:信号调节模块

6B12 单通道信号调理模块

信息优势和特点 Accepts mV and V Input RS-485 Interface National Instruments Labview Supported 2500V CMV Version Available 6B12-HV Additional 6B Resources: Accessories, Backplanes and Power SuppliesSales and Service: North America (SCS Embedded Tech), Rest of World
发表于 04-18 19:16 290次 阅读
6B12 单通道信号调理模块

6B13 2线,3线,4线RTD输入:信号调理模块

信息优势和特点 Accepts RTD Input RS-485 Interface National Instruments Labview Supported 2500V CMV Version Available 6B13-HV Additional 6B Resources: Accessories, Backplanes and Power SuppliesSales and Service: North America (SCS Embedded Tech), Rest of World电路图、引脚图和封装图
发表于 04-18 19:16 223次 阅读
6B13 2线,3线,4线RTD输入:信号调理模块

6B11 热电偶输入:mV / Volt输入:电流输入:信号调节模块

信息优势和特点 2500V CMV Version Available 6B11-HV Accepts mV, V, I, and Common TC Inputs (J, K, T, E, R, S, B) National Instruments Labview Supported RS-485 接口Additional 6B Resources: Accessories, Backplanes and Power SuppliesSales and Service: North America (SCS Embedded Tech), Rest of World电路图、引脚图和封装图
发表于 04-18 19:16 108次 阅读
6B11 热电偶输入:mV / Volt输入:电流输入:信号调节模块

BAS16SL 小信号二极管

信息小信号二极管 低正向压降 快速开关 非常小的薄型 最大剖面高度为0.43mm 尺寸为1.0 x 0.6mm
发表于 04-18 19:14 95次 阅读
BAS16SL 小信号二极管