使用看门狗定时器改进 IoT 系统稳健性

物联网 (IoT) 设计非常重视安全性，却往往忽视了另一方面的重要性，即开发足够稳健的系统，无需人工干预系统也能从故障自动恢复。 为确保这种稳健性，设计人员应该仔细研究普通的看门狗定时器 (WDT)，目前这种设备各种各样，从简易型，到集成智能型，不一而足。

本文首先回顾内外部 WDT 的基本原理，然后介绍部分最新款的 WDT 设备，以及如何使用它们以确保系统稳健性。

为何看门狗定时器对 IoT 至关重要

在系统现场部署了数十亿个 IoT 设备的情况下，如果发生故障，技术人员不可能及时进行维修。 因此，IoT 系统必须能够自动检测故障并从中恢复，而无需任何人工干预。

看门狗具备多种不同的形状和尺寸，但通常可分为简易定时器、窗口式定时器和智能电子狗三种类型。 看门狗可作为硬件和软件用于微控制器内部，也可作为硬件用于微控制器外部，甚至还能够与硬件和软件元器件集成，用作独立的微控制器。 总而言之，不论是采用哪一种看门狗解决方案，唯一的目的都是监视和恢复系统。 为此，设计人员需要考虑各种看门狗的独特性能和设计挑战，以确保稳健的 IoT 系统设计。

内部看门狗基本原理

内部看门狗定时器属于硬件外设，几乎是所有单片微控制器的一个组成部分，可与板载外设和系统时钟进行交互（图 1）。 默认情况下，内部看门狗定时器设置为禁用。启用看门狗之前，开发人员需要设置预定义周期。 如果软件锁定，或出现影响软件运行的硬件故障，看门狗定时器将超时，并强制微控制器复位。 在此过程中，看门狗定时器将清除错误，并允许微控制器重新初始化系统。

图 1： 看门狗定时器包含在大多数微控制器中，例如 Texas Instrument 的 MSP430G2210，并且可在软件锁定时复位处理器。 （图片： Texas Instruments）

内部看门狗定时器虽然原理简单，但如果要正确执行，却需要花费很多心思。 例如，专为看门狗开发的软件不能简单地将看门狗定时器盲目清零。 该软件应该在清零看门狗之前，对系统执行检查，以确保所有任务和硬件都正常工作。

在开发内部看门狗解决方案时，开发人员应该尝试采纳下列几项建议：

• 切勿出于任何原因禁用看门狗。 事实上，在选择微控制器时，应确保看门狗一旦启用之后，就无法再被禁用。
• 切勿在周期性中断期间，在未进行软件功能检查的情况下对看门狗清零。
• 确保看门狗定时器为独立的看门狗。 独立的看门狗具有单独的时钟，能够检测系统时钟是否已停止。
• 使用具有窗口式看门狗特性的看门狗。 这类看门狗需要等待一段最短时间后才能被清零。 如果在窗口启动前尝试清零，看门狗将进行系统复位。 这样可防止失控软件超驰看门狗计时器。

内部看门狗朝着建立稳健的嵌入式系统迈开了重要的一步，但其本身并未提供一个非常稳固的解决方案。 要真正提高稳健性，开发人员需要考虑外部看门狗。

使用外部看门狗增强稳健性

无论开发人员在内部看门狗实施过程中如何谨慎细致，内部看门狗都无法始终万无一失。 许多实施都存在缺陷，共享系统时钟和设有禁用选项就是其中两个例子。

当系统需要在现场自行工作时，使用外部看门狗可带来诸多优势，例如：

• 执行硬件系统复位，以确保重新启动微控制器电源，进而重新启动内部外设电源。
• 将看门狗与微控制器振荡器电路分离。
• 为监视系统提供一个完全独立的进程。

所有这些优势都有助于实现系统的稳健性，但使用外部 WDT 仍然存在少许不足。 其中包括因增设 IC 引起的硬件成本增加，以及系统复杂性提高。 然而，正如我们所见，综合所有考虑因素时，这些缺陷都显得微不足道。 现在，我们来检验如何设计一个简单稳健的外部看门狗电路（图 2）。

图 2： 示例外部看门狗电路监视微控制器的特性和状态，而微控制器具有自己的内部看门狗定时器。 （使用 Digi-Key Scheme-it® 绘制的示意图）

该电路由一个微控制器和一个外部看门狗电路构成，其中微控制器运行自己的内部看门狗定时器。 在此示例中，看门狗电路是一个具备看门狗功能的 Texas Instruments TPL5010 毫微功耗系统定时器。 外部看门狗具有一个输出复位引脚，直接与微控制器复位引脚连接。 当切换 WAKE 引脚时，TPL5010 会在 DONE 引脚上发出 heartbeat 等待微控制器响应。 如果微控制器无响应，复位线将拉低，以复位微控制器。 看门狗周期通过调节 R2 进行设置。

在设计中增设下列这种简单的低成本电路，是提高系统稳健性的绝佳途径。 开发人员甚至无需等待开发板旋转即可开始检测。 TPL5010 开发套件可轻松与其它开发套件进行搭配来测试看门狗的功能，而不必长时间等待可用的硬件。（图 3）。

图 3： Texas Instruments TPL5010 开发板的成本低于 30 美元，提供的针座不仅能够连接微控制器进行测试，还可用于配置 TPL5010 及测量其电流消耗。 （图片： Texas Instruments）

在选择外部看门狗时，开发人员需要考虑若干因素，例如：

• 最小和最大超时周期
• 支持窗口式看门狗
• 电流消耗
• 最大程度减少引脚数
• 潜在故障模式（如有）

设计智能看门狗解决方案

适用于 IoT 设备的最佳看门狗是智能看门狗。 智能看门狗是一种监控型微控制器，除了能够执行基本的 heartbeat 监测，还可监视系统通信（图 4）。 有时，微控制器停止响应互联网，但仍然能够成功清零外部看门狗。 在这种情况下，互联网会发送微控制器的复位指令。 智能看门狗可监视通信线路，例如 UART 发送和接收线路，以发现要求其重启系统的特殊指令。

在此示例中，通信模块同时连接微控制器和智能看门狗。 请注意，智能看门狗也配有外部 TPL5010。 原因在于，智能看门狗是运行软件的微控制器，为了确保稳健性，必须具备自己的外部看门狗。

图 4： 智能看门狗系统架构示例。 （使用 Digi-Key Scheme-it 绘制的示意图）

在设计智能看门狗，开发人员需要考虑几个重要因素，例如：

• Heartbeat 特性
• 输入/输出利用率
• 成本
• 可用闪存
• 能量消耗
• 故障模式
• 最大程度降低物理基底面

目前市场上已推出几款可作为优异智能看门狗使用的微控制器。 第一款是 Texas Instruments MSP430G2xx，具有 2 kB 闪存和 4 条 I/O 线路。 这款微控制器具备恰到好处的足够编码空间和引脚数，可开发为极其简单的智能看门狗。

对于需要通信监视功能的应用来说，增加 I/O 线路和提供额外存储器的方法非常实用。 在这些情况下，MSP430G2231IPW14R 或 MSP430G2553IPW20R 将会是理想选择。

虽然如此，但真正实现看门狗“智能性”的是智能看门狗软件，这对开发人员来说，既是需要关注的重点，也是编写一行行代码的切入点。 需要注意的是，代码不需要很复杂，事实上，越简单越好。 成熟简单的小型软件最适合看门狗。 以下所示为 MSP430 的简单代码示例（代码列表），源自 TPL5010 评估模块文档：

static volatile bool Reset = true;

void main(void)

{

WDTCTL = WDTPW | WDTHOLD; // Stop watchdog timer

P1OUT |= BIT0; // Set P1.0 to high

P1DIR |= BIT0; // Set P1.0 to output direction

P1DIR &= ~BIT1; // Set P1.1 to input direction

P2IES &= ~BIT0; // P2.0 Lo/Hi edge

P2IFG &= ~BIT0; // P2.0 IFG Cleared

P2IE |= BIT0; // P2.0 Interrupt Enabled

while(1)

{

   __delay_cycles(500000); // Set Delay

   // If true then the heartbeat was not received

   if(Reset == true)

   {

      // The heartbeat was not received. Reset the processor

      P1OUT &=~ BIT0;

      __delay_cycles(100); // Set Delay

      P1OUT |= BIT0;

      Reset = false;

   }

   else

   {

      Reset = true;

   }

}

}

// Port 2 interrupt service routine

#pragma vector=PORT2_VECTOR

__interrupt void Port_2(void)

{

   P2IFG &= ~BIT0; // P2.0 IFG Cleared

   P2IE |= BIT0; // P2.0 Interrupt Enabled

   Reset = false;

}

代码列表： 监视微控制器 heartbeat 的 MSP430 软件示例。 如果未在预期时间内接收到 heartbeat，微控制器将复位。 （来源： 源自 Texas Instruments 的 SNAU173 应用说明）。

示例代码显示智能看门狗首先进行初始化，然后等待一段特定的时间，最后进行检查以确定是否应该重启微控制器。 智能看门狗假设微控制器已出现故障，将复位变量设置为 true。 微控制器负责发送 heartbeat 脉冲来触发中断，从而将复位变量重新设置为 false。 示例代码中还可以加入许多功能，例如：

• 窗口式看门狗
• 进入低功耗状态
• 清零正在监视智能看门狗的 TPL5010
• 监视通信线路
• 跟踪复位次数

这些可能性所受的限制，仅仅在于确保稳健性设计真正需要的因素。

结论

IoT 的安全性固然重要，但开发人员也不应该忽视系统的稳健性。 为做到这一点，看门狗将在 IoT 中发挥至关重要的作用，不仅因为设备的部署现场让人类鞭长莫及，而且因为人们期望设备能够几乎全天候无故障地工作。 内部看门狗几乎没有为开发者提供恢复机会，而外部看门狗以及配备一些额外软件的智能看门狗，则可为现场提供稳健的可恢复设计。