硬件急停回路与软件看门狗双冗余设计

贺公子之数据科学与艺术

发布于 2026-01-20 14:22:06

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硬件急停回路与软件看门狗双冗余设计

硬件急停回路和软件看门狗双冗余设计是工业控制系统中常用的安全机制，用于确保系统在异常情况下能够快速、可靠地停止运行。以下是一个案例分析与代码实现的详细说明。

硬件急停回路设计

硬件急停回路通常由物理按钮、继电器和PLC组成，用于在紧急情况下切断电源或停止设备运行。设计要点包括：

使用常闭触点（NC）的急停按钮，确保回路在按钮未被按下时保持通电状态。
急停信号直接连接到PLC的输入模块，同时通过硬件继电器切断主电源。
急停回路应独立于其他控制回路，避免干扰。

软件看门狗设计

软件看门狗是一种定时器机制，用于监控主程序的运行状态。如果主程序未能按时喂狗，看门狗将触发系统复位或进入安全状态。设计要点包括：

使用独立的定时器模块或硬件看门狗芯片。
主程序需定期重置看门狗计数器。
看门狗超时时间应根据主程序的运行周期合理设置。

案例分析

在一个自动化生产线中，硬件急停回路和软件看门狗被同时使用。硬件急停按钮直接切断电机电源，同时向PLC发送急停信号。软件看门狗监控PLC主程序的运行，如果程序卡死或跑飞，看门狗将触发PLC进入安全状态。

代码实现

以下是一个基于STM32的硬件急停与软件看门狗双冗余设计的示例代码：

#include "stm32f4xx.h"

// 硬件急停引脚配置
#define ESTOP_PIN GPIO_PIN_0
#define ESTOP_PORT GPIOA

// 看门狗超时时间（毫秒）
#define WATCHDOG_TIMEOUT 1000

// 初始化硬件急停检测
void ESTOP_Init(void) {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
    GPIO_InitStruct.Pin = ESTOP_PIN;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;
    HAL_GPIO_Init(ESTOP_PORT, &GPIO_InitStruct);
}

// 初始化独立看门狗
void Watchdog_Init(void) {
    IWDG_HandleTypeDef hiwdg;
    hiwdg.Instance = IWDG;
    hiwdg.Init.Prescaler = IWDG_PRESCALER_32;
    hiwdg.Init.Reload = WATCHDOG_TIMEOUT;
    hiwdg.Init.Window = WATCHDOG_TIMEOUT;
    HAL_IWDG_Init(&hiwdg);
}

// 主程序循环
int main(void) {
    HAL_Init();
    ESTOP_Init();
    Watchdog_Init();

    while (1) {
        // 检测急停信号
        if (HAL_GPIO_ReadPin(ESTOP_PORT, ESTOP_PIN) == GPIO_PIN_RESET) {
            Emergency_Stop(); // 执行急停处理
        }

        // 主程序任务
        Main_Task();

        // 喂狗
        HAL_IWDG_Refresh(&hiwdg);
    }
}

// 急停处理函数
void Emergency_Stop(void) {
    // 切断电机电源
    // 记录急停事件
    // 进入安全状态
}

// 主程序任务
void Main_Task(void) {
    // 正常控制逻辑
}