STM32F103ZE看门狗定时器与复位电路设计深度剖析


参考资源链接：[STM32F103ZE全面外围电路原理图详解](https://wenku.csdn.net/doc/64783353d12cbe7ec32dd963?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. STM32F103ZE简介与看门狗定时器基础

STM32F103ZE是ST公司生产的一款高性能的ARM Cortex-M3微控制器，广泛应用于工业控制、医疗设备、消费电子等领域。其内部集成了丰富的外设和功能，包括看门狗定时器、ADC、DAC等。看门狗定时器是一种用于检测和恢复微控制器错误的硬件机制，它可以防止程序陷入死循环或其他无法预料的故障，确保系统的稳定运行。

本章将对看门狗定时器的基本概念和功能进行介绍，为后续章节深入探讨看门狗定时器和复位电路的设计、配置和应用奠定基础。

## 1.1 STM32F103ZE概述
STM32F103ZE搭载了64个GPIO引脚和多个通信接口，如USART、I2C、SPI、CAN等。其内部的闪存容量可高达512KB，支持最大144MHz的运行频率，提供了丰富的外设和灵活的电源管理特性。

## 1.2 看门狗定时器的作用
看门狗定时器的主要作用是监视和检测系统运行状态。在正常情况下，程序会定期“喂狗”，即向看门狗定时器发送信号，防止它溢出。如果系统运行异常，如程序陷入死循环，看门狗定时器将无法按时接收到“喂狗”信号，最终溢出并触发系统复位，从而保护系统免受长时间运行错误的影响。

## 1.3 看门狗定时器在STM32F103ZE中的实现
STM32F103ZE中包含两个独立的看门狗定时器：独立看门狗（IWDG）和窗口看门狗（WWDG）。IWDG是由专用的低速时钟驱动，独立于系统时钟，即使主时钟失败，它依然可以工作；而WWDG则由系统时钟驱动，可以作为应用监控器，允许软件在指定的时间窗口内“喂狗”。

接下来的章节将逐步深入探讨看门狗定时器的工作原理、配置与初始化、软件设计策略等，为读者提供全面的看门狗定时器应用知识。

# 2. 看门狗定时器的理论知识

在微控制器的世界里，看门狗定时器是一个重要的安全特性，用于防止程序跑飞或因外部干扰导致的系统不稳定。本章节将深入探讨看门狗定时器的工作原理、配置与初始化以及在软件设计中的策略。

## 2.1 看门狗定时器的工作原理

### 2.1.1 看门狗定时器的功能介绍

看门狗定时器（Watchdog Timer，简称WDT）被设计用来监测和恢复微控制器运行。其基本功能是，在定时器计数到预设的时间后，如果没有被及时重置（通常称为“喂狗”），则会产生一个复位信号，重新启动微控制器，从而避免因软件故障导致的死机。

### 2.1.2 看门狗定时器的工作模式

看门狗定时器一般有两种工作模式：窗口模式和非窗口模式。

- **非窗口模式**：在这种模式下，定时器在计数到预设值后产生复位信号，只要在这段时间内对定时器进行重置（即喂狗），就能防止复位。若在复位发生之前没有进行喂狗，系统会重启。

  flowchart LR
    A[启动看门狗] -->|开始计数| B{计数器溢出?}
    B -- 是 --> C[系统复位]
    B -- 否 --> D{喂狗成功?}
    D -- 是 --> B
    D -- 否 --> C

- **窗口模式**：在这种模式下，存在一个“窗口”周期，在此期间内只能进行一次喂狗操作。窗口结束后，定时器开始重新计数。如果在窗口期结束前喂狗或在计数期结束后喂狗，系统都会复位。

在实际应用中，窗口模式提供了一种更严格的看门狗机制，确保了喂狗操作在规定的时间窗口内完成，降低了提前或过晚喂狗导致系统复位的风险。

## 2.2 看门狗定时器的配置与初始化

### 2.2.1 看门狗定时器的寄存器配置

STM32F103ZE的看门狗定时器（IWDG）配置通常涉及几个寄存器，这些寄存器包括预分频器（Prescaler）和重载寄存器（Reload）。预分频器用于设置定时器的时钟频率，而重载寄存器用于设置看门狗定时器溢出前的计数值。

RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_IWDEG, ENABLE); // 使能IWDG时钟
IWDG_WriteAccessCmd(IWDG_WriteAccess_Enable); // 允许访问IWDG_PR和IWDG_RLR寄存器
IWDG_SetPrescaler(IWDG_Prescaler_32); // 设置预分频器为32
IWDG_SetReload(120); // 设置重载值为120
IWDG_Enable(); // 启用IWDG（计数器开始运行）

### 2.2.2 初始化代码实现

在初始化代码中，首先需要使能看门狗时钟，并允许对预分频器和重载寄存器的访问。然后，根据需要设置适当的预分频器和重载值，最后启动看门狗。上文的代码块中展示了如何通过STM32标准库函数来配置和启动看门狗定时器。

## 2.3 看门狗定时器的软件设计策略

### 2.3.1 看门狗喂狗策略的考量

喂狗策略是指在程序正常运行时，定时喂狗以防止系统复位的机制。喂狗操作必须在定时器溢出之前完成，否则系统将被复位。因此，喂狗操作通常放在主循环中或者系统认为稳定运行的时间点。

void喂狗操作(void) {
    IWDG_ReloadCounter(); // 重载计数器
}

在实际应用中，喂狗操作应谨慎进行，以避免因为喂狗操作的失败导致不必要的系统复位。例如，避免在中断服务程序中进行喂狗操作，因为中断可能会被意外阻塞，造成喂狗失败。

### 2.3.2 应对异常情况的设计方法

在程序遇到异常情况时，例如进入死循环或者程序无法预料到的错误，应该设计一种机制来主动复位看门狗，触发系统复位以恢复正常运行。这通常意味着设计一种策略，在检测到异常时通过喂狗来避免复位，并在确定程序无法继续正常运行时放弃喂狗，促使系统复位。

void处理异常(void) {
    if(检测到异常) {
        // 尝试恢复或重置某些系统参数
    } else {
        // 重载看门狗，防止复位
        喂狗操作();
    }
}

在设计此类策略时，需要根据具体应用场景和异常处理机制进行合理的规划，以确保在出现异常时，系统能够安全地、可预测地进行复位。

在本章节中，我们对看门狗定时器的理论知识进行了深入分析，包括其工作原理、配置与初始化方法以及软件设计策略。看门狗定时器对于确保嵌入式系统的稳定性和可靠性至关重要，正确配置和使用看门狗定时器，可以极大地降低系统因软件故障而瘫痪的风险。在下一章中，我们将深入探讨复位电路的理论与设计，探索如何进一步提升嵌入式系统的健壮性。

# 3. 复位电路的理论与设计

复位电路是微控制器正常工作的关键组成部分，它确保了在上电、掉电或系统出现异常情况时，微控制器能够被可靠地复位到一个已知的初始状态。理解复位电路的设计原理，以及如何优化其性能，对于任何希望创建稳定可靠嵌入式系统的开发者来说，都是至关重要的。

## 3.1 复位电路的工作原理

### 3.1.1 复位信号的来源与功能

复位信号通常由电源供应、专用的复位IC或微控制器内部产生。这个信号的作用是将微控制器的状态重置为初始状态。复位过程涉及到停止当前操作、保存关键寄存器的值、终止访问外部资源，并确保所有内部状态机和逻辑电路返回到预设