CN107656484B - 一种硬件看门狗安全置位电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硬件看门狗安全置位电路，包括依次连接的带通滤波器，延迟比较器和逻辑置位电路，其中带通滤波器的输入端连接MCU的频率输出端口，带通滤波器的输出端连接延迟比较器，延迟比较器的输出端连接逻辑置位电路的一个输入端，逻辑置位电路的另一个输入端连接MCU的控制信号输出端口。本发明相比现有技术具有以下优点：一旦检测到处理器MCU失效，可以强制将敏感的需要保护的IO口状态设置为安全状态。相比于只有在硬件系统正常工作状态下，进行复位操作的系统，其安全性能大大提高。同时，相比于软件看门狗，硬件看门狗安全置位电路的安全性能更高，稳定性更好。

Description

一种硬件看门狗安全置位电路

技术领域

本发明涉及一种具有保护电路的控制电路，具体是指一种基于逻辑门保护电路。

背景技术

现有的控制系统绝大部分由MCU、DSP、FPGA等芯片控制，芯片作为电子产品异常时会失效。有些应用场合芯片失效会导致设备不能正常工作，不会危害产品性能或产生人身危害，但有时芯片失效会产生重大安全问题，比如BMS控制输入输出，充电输入控制失效可能导致电池充爆，控制输出失效可能导致电池组过放报废。电梯控制系统失效，就有可能发生人身安全事故。

针对MCU失效问题现在也有很多处理方法，比如增加软件看门狗，防止软件跑飞；增加硬件看门狗，对MCU进行外部复位。这些措施都是基于控制系统模块硬件还可以工作的情况处理的，复位后控制系统仍可以工作。假设MCU硬件已经不能工作(比如晶振失效)，软件看门狗不再起作用，硬件看门狗复位外部电路也无效了，此时处理器的IO口处于不确定状态，被控制量也就处于不确定状态，某些状态可能导致危险产生。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供了一种硬件看门狗安全置位电路，一旦检测到MCU失效，强制将敏感的需要保护的IO口输出的控制信号设置为安全状态。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种硬件看门狗安全置位电路，包括依次连接的带通滤波器，延迟比较器和逻辑置位电路，其中带通滤波器的输入端连接MCU的频率输出端口，带通滤波器的输出端连接延迟比较器，延迟比较器的输出端连接逻辑置位电路的一个输入端，逻辑置位电路的另一个输入端连接MCU的控制信号输出端口。

作为优化的技术方案，带通滤波器：来抓取MCU固定翻转的波形，将信号频率转变成对应的信号电压；延迟比较器：将带通滤波器输出的电压信号转换成对应高低电平指示MCU工作状态；逻辑置位电路：根据MCU工作状态判断是需要正常输出IO电平还是需要置位安全电平。

作为优化的技术方案，所述带通滤波器包括电阻R1、电容C1、C2、二极管D1、D2、电容C3、电阻R2、R3，其中电阻R1的一端连接MCU的频率输出端口，作为带通滤波器的输入端口，电阻R1的另一端记为A点，分别连接电容C1和C2的第一端，电容C1的另一端接地，电容C2的另一端记为B点，分别连接二极管D1的阴极和二极管D2的阳极，二极管D1的阳极接地，二极管D2的阴极记为C点，分别连接电容C3的一端和电阻R2的一端，电容C3的另一端接地，电阻R2的另一端和电阻R3连接，连接点记为D点，电阻R3的另一端接地，D点连接到延迟比较电路。

作为优化的技术方案，电阻R1、电容C1构成低通滤波器，设其截止频率为F3，电容C2、二极管D1构成一个高通滤波器，设其截止频率为F4，其中频率关系为F3>F4，二极管D2、电容C3、电阻R2、R3构成一个整流平波电路。

作为优化的技术方案，所述延迟比较器包括电阻R4、R5、比较器U1B，所述带通滤波器的输出端连接到比较器U1B的反向输入端，比较器U1B的同向输入端通过电阻R4连接参考电压VREF，比较器U1B的同向输入端和输出端之间通过电阻R5连接，比较器U1B的输出端连接到逻辑置位电路。

作为优化的技术方案，将延迟比较器参考电压对应的输入信号频率设为F0，F4<F0<F3。

作为优化的技术方案，逻辑置位电路为安全置低电路。

作为优化的技术方案，所述安全置低电路包括一个非门和多个与门，非门的输入端连接延迟比较器的输出端，非门的输出端分别连接到各与门的其中一个输入端，各与门的另一个输入端连接MCU的控制信号输出端口，各与门的输出端为安全置低电路的输出端口。

作为优化的技术方案，逻辑置位电路为安全置高电路。

作为优化的技术方案，所述安全置高电路包括多个或门，各或门的一个输入端连接延迟比较器的输出端，或门的另一个输入端连接MCU的控制信号输出端口，或门的输出端为安全置高电路的输出端口。

本发明相比现有技术具有以下优点：一旦检测到处理器MCU失效，可以强制将敏感的需要保护的IO口状态设置为安全状态。相比于只有在硬件系统正常工作状态下，进行复位操作的系统，其安全性能大大提高。同时，相比于软件看门狗，硬件看门狗安全置位电路的安全性能更高，稳定性更好。并且该硬件看门狗安全置位电路结构简单，制作及使用方便，耗能低。

本发明的方案能够更准确的监测MCU是否正常工作。本发明不直接监测MCU输出电压而监测MCU的翻转频率来确定控制系统MCU工作状态是否正常，因为在MCU正常输出电压时，也有可能处于异常状态，比如晶振坏掉或晶振不工作了，MCU电压还是正常的，但没有节拍了，但MCU并不能正常工作，因此监测不准确。

附图说明

图1是本发明实施例硬件看门狗安全置位电路的工作原理框图；

图2是带通滤波器及比较器电路的电路图；

图3是安全置低电路的电路图；

图4是安全置高电路的电路图；

图5是带通滤波器输送信号频率与输出电压VD关系曲线图；

图6是带通滤波器输送信号频率与比较器输出信号关系曲线图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例硬件看门狗安全置位电路包括依次连接的带通滤波器，延迟比较器和逻辑置位电路。其中带通滤波器的输入端连接MCU的频率输出端口，带通滤波器的输出端连接延迟比较器，延迟比较器的输出端连接逻辑置位电路的一个输入端，逻辑置位电路的另一个输入端连接MCU的控制信号输出端口。

带通滤波器：来抓取MCU固定翻转的波形，将信号频率转变成对应的信号电压。

延迟比较器：将带通滤波器输出的电压信号转换成对应高低电平指示MCU工作状态。

逻辑置位电路：根据MCU工作状态判断是需要正常输出IO电平还是需要置位安全电平。

其中MCU的频率输出端口输出的IO信号看作硬件看门狗安全置位电路的喂狗的翻转IO信号，MCU的控制信号输出端口输出的信号看作需要保护的IO信号。

硬件看门狗安全置位电路通过检测MCU输出信号频率，实现MCU的IO安全电平输出。首先利用带通滤波器将MCU频率输出端口输出的翻转IO信号频率转换为信号电压，判定MCU工作状态为正常还是异常，然后经过延迟比较器输出指示MCU工作状态的高低电平，最后通过逻辑置位电路强制将控制信号输出端口输出的敏感的需要保护的控制信号设置为安全状态。该硬件看门狗安全置位电路保护敏感控制信号首先需要确认MCU是否处于正常状态，本方案是通过检测MCU的IO翻转信号频率来检测MCU是否正常工作。

MCU的IO翻转出来的波形是一个0V到控制系统芯片电压占空比50％的矩形波型号。这里，如MCU是常规的控制系统芯片，输出电压常见为3.3V或5.0V。又因为控制系统芯片是固定时间翻转电平的，所以MCU输出的矩形波频率也是固定的。那么只需要检测到特定频率的矩形波则说明MCU工作正常。考虑到实际控制系统的鲁棒性要求，本方案中将表征MCU正常工作的信号设定为一个窄带信号，窄带信号的中心频率为MCU输出信号的固有翻转频率。

通过检测MCU的IO翻转信号频率来检测MCU是否正常工作的过程如下：比如MCU的IO每1ms翻转一下，这样硬件看门狗相当于检测一个500HZ的信号，该500HZ频率信号是喂狗信号；当MCU失效，该控制信号输出端口输出的控制信号的电平则处于高电平，低电平，或高阻状态，硬件看门狗安全置位电路则检测不到需要的翻转信号，此时硬件看门狗安全置位电路立刻将需要保护的控制信号设置为安全的设定电平状态。同时，考虑到电子元器件的精度特性和电路监控系统的鲁棒性，待监测的MCU在一定频率范围内则系统正常，超出设定的频率范围，则判定MCU处于异常状态。

请参阅图2所示，所述带通滤波器包括电阻R1、电容C1、C2、二极管D1、D2、电容C3、电阻R2、R3，其中电阻R1的一端连接MCU的频率输出端口，作为带通滤波器的输入端口，电阻R1的另一端记为A点，分别连接电容C1和C2的第一端，电容C1的另一端接地，电容C2的另一端记为B点，分别连接二极管D1的阴极和二极管D2的阳极，二极管D1的阳极接地，二极管D2的阴极记为C点，分别连接电容C3的一端和电阻R2的一端，电容C3的另一端接地，电阻R2的另一端和电阻R3连接，连接点记为D点，电阻R3的另一端接地。D点连接到延迟比较电路。

其中电阻R1、电容C1构成低通滤波器，设其截止频率为F3。电容C2、二极管D1构成一个高通滤波器，设其截止频率为F4，其中频率关系为F3>F4。二极管D2、电容C3、电阻R2、R3构成一个整流平波电路。样整体电路具有了带通特性，高低频截止频率分别为F3和F4。

所述延迟比较器包括电阻R4、R5、比较器U1B，所述带通滤波器的输出端连接到比较器U1B的反向输入端，比较器U1B的同向输入端通过电阻R4连接参考电压VREF，比较器U1B的同向输入端和输出端之间通过电阻R5连接，比较器U1B的输出端连接到逻辑置位电路，输出IO_SET信号。

当带通滤波器的输入端IN为固定电平时，A点也是相同固定电平。当IN输入矩形波频率远超电阻R1、电容C1构成低通滤波器的滤波频率F3时，A点为直流电压。当IN低于电阻R1、电容C1构成低通滤波器的滤波频率F3时，A点波形为一个矩形波到锯齿波过度的波形。

当IN输入矩形波频率远超电阻R1、电容C1构成低通滤波器的滤波频率F3时，A点是个固定电平，稳态时直流不能通过电容C2，C点电平为0。

当IN低于电阻R1、电容C1构成低通滤波器的C滤波频率F3时，A点波形为一个锯齿波，电平上升时通过电容C2向电容C3充电，C点电平升高，当A点电平下降时电容C2通过二极管D1放电，以便下一个循环给电容C3充电。A点频率越高，峰峰值越大，给电容C3充的电量越多。

二极管D2单向导通整流，电容C3和电阻R2、R3构成放电电路，当不再给电容C3充电时C点电压会很快下降。

综上所述：MCU输出信号频率太高时，经过电阻R1、电容C1滤波后输出信号基本为直流分量，波形接近直线，不能再通过电容C2，所以C点电压接近零。频率很低时，A点波形接近方波，但由于频率低每次通过电容C2给C3充电的能量很少，完全不够电阻R2、R3放电消耗，所以C点电压还是很低。也就是说，带通滤波器输入信号频率过高或过低时，C点电压幅度都很低，接近零。只有当频率合适时C点才能获得一个合适的电压。带通滤波电路将频率转换成一个跟电压相关的电路，电路成带通特性，输入信号在特定频率范围内，C点电压较高，频率过高或者过低都会造成C点电压过低。

D点电压和C点是成比例的，因为通过电阻分压获取。

MCU输出信号频率作为带通滤波器的输入，D点电压作为带通滤波器的输出，这样就实现了频率到电压的转换。MCU正常工作时，IO输出信号具有特定的频率，该状态下D点输出电压最大。

为了方便说明本发明实施过程，将延迟比较器参考电压对应的输入信号频率设为F0，F4<F0<F3。

要想获取MCU正常工作的频率范围只需要获取特定的参考电压即可。以F0为中心，设输入信号可以允许的频率波动范围为F2到F1，其中F2<F1，且F0-F2＝F1-F0，输入信号在频率F2和频率F1时，带通滤波器输出D点具有同样的输出电压，该电压值为后端延迟比较器的参考电压VREF。

若带通滤波器输入信号频率大于F2且小于F1，带通滤波器输出D点电压高于参考电压VREF，否则当带通滤波器输入信号频率小于F2或大于F1时，带通滤波器输出D点电压低于参考电压VREF。

当D点电压高于参考电平VREF，延迟比较器输出“0”，当D点电压低于参考电平VREF，延迟比较器输出“1”。

也就是，当带通滤波器输入信号频率大于F2且小于F1，延迟比较器输出“0”；当带通滤波器输入信号频率小于F2或大于F1时，延迟比较器输出“1”。

带通滤波器输入信号频率允许的波动范围为大于F2且小于F1，MCU的IO输出信号频率在此范围时，说明MCU正常工作，此时延迟比较器输出“0”，否则，延迟比较器输出“1”。

延迟比较器即可将带通滤波器输入的频率信号转换成延迟比较器输出的高低电平。技术难点在于，D点信号不是严格直流成分有波纹，这样当D电电压接近参考电压时，比较器输出端有震荡现象。本技术方案中，在带通滤波器输出信号后端连接个延迟比较器，可以很好的去除纹波造成的震荡。

逻辑置位电路可以为安全置高电路或者安全置低电路。同时具有多路安全保护功能，只需要添加对应的逻辑门数即可。安全置高指MCU输出控制信号强制为高电平，安全置低指MCU输出控制信号强制为低电平。具体采用安全置高电路或者安全置低电路，根据需要的安全电平是高电平还是低电平而定，如果安全电平为高电平，需要安全置高电路，如果安全电平为低电平，那么需要安全置低电路。

如图3所示，为安全置低电路，所述安全置低电路包括一个非门U10和多个与门U2、U3、U4、U5，与门数量与需要保护的MCU输出的控制信号一致。非门U10的输入端连接延迟比较器的输出端，接收延迟比较器的输出IO_SET信号，非门U10的输出端分别连接到各与门U2、U3、U4、U5的其中一个输入端，各与门U2、U3、U4、U5的另一个输入端连接MCU的控制信号输出端口，各与门U2、U3、U4、U5的输出端为安全置低电路的输出端口，图中IO_LIN1～IO_LIN4为MCU输出需要保护的IO信号，IO_LOUT1～IO_LOUT4为逻辑置位电路保护后输出的IO信号。

当MCU正常工作时，IO_SET为低电平，经过U10非门以后变成高电平输入与门。根据与门真值表得出，当一端输入为H时，输出则等于另一端输入。得出此时，保护后输出信号等于输入信号。

当MCU工作异常时，IO_SET变为高电平，经过U10非门以后变成低电平输入与门，根据与门真值表得出，当一端输入为L时，另一端不管输入什么信号，输出都为L。得出，不管此时MCU的IO信号为什么电平，保护后输出信号始终为低电平。

请参阅图4所示，为安全置高电路，所述安全置高电路包括多个或门，或门数量与需要保护的IO信号一致。图4的或门U11、U12、U13、U14的一个输入端连接延迟比较器的输出端，接收延迟比较器的输出IO_SET信号，或门U11、U12、U13、U14的另一个输入端连接MCU的控制信号输出端口，或门U11、U12、U13、U14的输出端为安全置高电路的输出端口，图4中，IO_HIN1～IO_HIN4为MCU输出需要保护的IO信号，IO_HOUT1～IO_HOUT4为保护后输出的IO信号。

MCU正常工作时，IO_SET为低电平。根据或门真值表可得：当一端为低电平输入时，输出等于另一端输入。得出此时，保护后输出信号等于输入信号。

当MCU工作异常时：IO_SET为高电平。根据或门真值表可得：当一端为高电平输入时，不管另一端输入什么信号电平，输出始终为高电平。得出此时，不管此时MCU的IO信号为何种电平，保护后输出信号始终为高电平。

图5是带通滤波器输送信号频率与输出电压VD关系曲线图；图6是带通滤波器输送信号频率与比较器输出信号关系曲线图。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种硬件看门狗安全置位电路，其特征在于，包括依次连接的带通滤波器，延迟比较器和逻辑置位电路，其中带通滤波器的输入端连接MCU的频率输出端口，带通滤波器的输出端连接延迟比较器，延迟比较器的输出端连接逻辑置位电路的一个输入端，逻辑置位电路的另一个输入端连接MCU的控制信号输出端口；

带通滤波器：来抓取MCU固定翻转的波形，将信号频率转变成对应的信号电压；延迟比较器：将带通滤波器输出的电压信号转换成对应高低电平指示MCU工作状态；逻辑置位电路：根据MCU工作状态判断是需要正常输出IO电平还是需要置位安全电平；所述带通滤波器包括电阻R1、电容C1、C2、二极管D1、D2、电容C3、电阻R2、R3，其中电阻R1的一端连接MCU的频率输出端口，作为带通滤波器的输入端口，电阻R1的另一端记为A点，分别连接电容C1和C2的第一端，电容C1的另一端接地，电容C2的另一端记为B点，分别连接二极管D1的阴极和二极管D2的阳极，二极管D1的阳极接地，二极管D2的阴极记为C点，分别连接电容C3的一端和电阻R2的一端，电容C3的另一端接地，电阻R2的另一端和电阻R3连接，连接点记为D点，电阻R3的另一端接地，D点连接到延迟比较电路；

电阻R1、电容C1构成低通滤波器，设其截止频率为F3，电容C2、二极管D1构成一个高通滤波器，设其截止频率为F4，其中频率关系为F3>F4，二极管D2、电容C3、电阻R2、R3构成一个整流平波电路；

所述延迟比较器包括电阻R4、R5、比较器U1B，所述带通滤波器的输出端连接到比较器U1B的反向输入端，比较器U1B的同向输入端通过电阻R4连接参考电压VREF，比较器U1B的同向输入端和输出端之间通过电阻R5连接，比较器U1B的输出端连接到逻辑置位电路；

当带通滤波器的输入端IN为固定电平时，A点也是相同固定电平，当IN输入矩形波频率远超电阻R1、电容C1构成低通滤波器的截止频率F3时，A点为直流电压，当IN低于电阻R1、电容C1构成低通滤波器的截止频率F3时，A点波形为一个矩形波到锯齿波过度的波形；

当IN输入矩形波频率远超电阻R1、电容C1构成低通滤波器的截止频率F3时，A点是个固定电平，稳态时直流不能通过电容C2，C点电平为0；

当IN低于电阻R1、电容C1构成低通滤波器的截止频率F3时，A点波形为一个锯齿波，电平上升时通过电容C2向电容C3充电，C点电平升高，当A点电平下降时电容C2通过二极管D1放电，以便下一个循环给电容C3充电，A点频率越高，峰峰值越大，给电容C3充的电量越多；

二极管D2单向导通整流，电容C3和电阻R2、R3构成放电电路，当不再给电容C3充电时C点电压会很快下降；

将延迟比较器参考电压对应的输入信号频率设为F0，F4<F0<F3；

以F0为中心，设输入信号可以允许的频率波动范围为F2到F1，其中F2<F1，且F0-F2＝F1-F0，输入信号在频率F2和频率F1时，带通滤波器输出D点具有同样的输出电压，该电压值为后端延迟比较器的参考电压VREF；

若带通滤波器输入信号频率大于F2且小于F1，带通滤波器输出D点电压高于参考电压VREF，否则当带通滤波器输入信号频率小于F2或大于F1时，带通滤波器输出D点电压低于参考电压VREF；

当D点电压高于参考电平VREF，延迟比较器输出“0”，当D点电压低于参考电平VREF，延迟比较器输出“1”，也就是，当带通滤波器输入信号频率大于F2且小于F1，延迟比较器输出“0”；当带通滤波器输入信号频率小于F2或大于F1时，延迟比较器输出“1”；

带通滤波器输入信号频率允许的波动范围为大于F2且小于F1，MCU的IO输出信号频率在此范围时，说明MCU正常工作，此时延迟比较器输出“0”，否则，延迟比较器输出“1”。

2.根据权利要求1所述的一种硬件看门狗安全置位电路，其特征在于，逻辑置位电路为安全置低电路。

3.根据权利要求2所述的一种硬件看门狗安全置位电路，其特征在于，所述安全置低电路包括一个非门和多个与门，非门的输入端连接延迟比较器的输出端，非门的输出端分别连接到各与门的其中一个输入端，各与门的另一个输入端连接MCU的控制信号输出端口，各与门的输出端为安全置低电路的输出端口。

4.根据权利要求1所述的一种硬件看门狗安全置位电路，其特征在于，逻辑置位电路为安全置高电路。

5.根据权利要求4所述的一种硬件看门狗安全置位电路，其特征在于，所述安全置高电路包括多个或门，各或门的一个输入端连接延迟比较器的输出端，或门的另一个输入端连接MCU的控制信号输出端口，或门的输出端为安全置高电路的输出端口。