基于CPLD的系統(tǒng)硬件看門狗設(shè)計

　　引言

　　在以單片機(jī)、DSP等處理器為核心的數(shù)字系統(tǒng)中，看門狗是不可缺少的一部分，特別是在對可靠性要求極高的系統(tǒng)中，如箭上伺服控制器，由于箭體內(nèi)強(qiáng)弱電交叉使用，或者地面測試環(huán)境復(fù)雜多變，會產(chǎn)生諸多干擾和輻射。它們的沖擊會使CPU在執(zhí)行指令時的地址碼或操作碼發(fā)生變化，甚至將操作數(shù)作為操作碼執(zhí)行，導(dǎo)致程序跑飛。為使系統(tǒng)在規(guī)定時間內(nèi)重新正常工作，一種有效的措施是采用硬件看門狗技術(shù)。

　　本設(shè)計的最初思路來源：實現(xiàn)高可靠性數(shù)字伺服控制器軟、硬件看門狗的雙冗余設(shè)計要求，目前缺少軍品級國產(chǎn)化硬件看門狗器件，在滿足系統(tǒng)要求的情況下減少元器件的種類。

　　1　看門狗技術(shù)的實現(xiàn)方式

　　看門狗實現(xiàn)方式可分為以下兩種：

　　硬件看門狗——采用一個獨立于CPU的定時器電路或芯片，如MAX706或TPS3823等，周期性地產(chǎn)生復(fù)位脈沖，而CPU必須及時“喂狗”(在復(fù)位脈沖發(fā)出前對此定時器進(jìn)行清零處理)，否則看門狗發(fā)揮作用，復(fù)位脈沖會使CPU重啟。

　　軟件看門狗——利用CPU內(nèi)部的定時器中斷替代看門狗定時器電路，在中斷程序中復(fù)位CPU,這同樣發(fā)揮了看門狗的作用。但由于CPU中斷存在優(yōu)先級、屏蔽以及中斷自身故障等原因，都可能導(dǎo)致軟件看門狗工作異常。軟件看門狗往往采用一些其他軟件設(shè)計措施提高其可靠性。

　　2　基于CPLD的硬件看門狗設(shè)計

　　2.1　硬件平臺

　　此設(shè)計基于箭上數(shù)字伺服控制器，以TI公司的TMS320F2812(下面簡稱為DSP)為控制核心，SM1032則用來實現(xiàn)對A/D、D/A和1553B總線的片選信號和邏輯控制信號譯碼，并在此基礎(chǔ)上增加了硬件看門狗功能。與其相關(guān)的電路連接如圖1所示，其中看門狗使能信號EN與DSP_JTAG電路相連，在DSP下載程序或在線仿真時可通過專用的JTAG工裝電纜禁止看門狗功能，防止看門狗的誤操作。

　　圖1　TMS3320F2812電路連接圖

　　本設(shè)計適用于以微控制器與FPGA或CPLD聯(lián)合使用的數(shù)字控制系統(tǒng)中。利用FPGA或CPLD的剩余資源設(shè)計看門狗模塊，相當(dāng)于硬件看門狗的一種，其基本功能和特點有：當(dāng)軟件跑飛且主控芯片內(nèi)部看門狗工作異常時，可為系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位操作;可關(guān)閉主控芯片內(nèi)部的軟件看門狗，優(yōu)化軟件代碼;可節(jié)省專用的看門狗芯片，且在不同時序要求上靈活修改;可根據(jù)系統(tǒng)要求增加與主控芯片的握手信號。

　　2.2DSP上電過程及復(fù)位時序分析

　　DSP上電初始化時序如圖2所示。WDT是喂狗信號輸出，在定時器中斷或主循環(huán)中使其電平周期性取反;RST是上電復(fù)位信號。Trst是上電復(fù)位信號的脈寬，約為100 ms;Twork是從上電時到首次進(jìn)入定時器中斷程序的時間，約為130 ms。在主程序中首先使WDT輸出低電平，則從上電復(fù)位完成到WDT變?yōu)榈碗娖降臅r間A為DSP復(fù)位后自身的各項配置所占用的時間。在定時器中每次取反WDT信號，則到WDT第一次變?yōu)楦唠娖降臅r間B為各軟件模塊及中斷初始化所占用的時間。A+B為系統(tǒng)初始化所用的時間，約為30 ms。

　　圖2　DSP上電初始化時序

　　由此可見，如果系統(tǒng)程序跑飛，則每次復(fù)位都要經(jīng)過A、B兩個過程，約30 ms的時間;那么在CPLD軟件的看門狗模塊中，每次在給出復(fù)位信號后都要等待DSP的初始化完成(約30 ms)后再開始對喂狗信號監(jiān)測并計時。

　　選擇看門狗定時器溢出上限以5 ms為例，從程序跑飛到重新正常運(yùn)行大約35 ms。設(shè)定控制系統(tǒng)給伺服發(fā)送控制指令信號的周期是20 ms，伺服機(jī)構(gòu)常態(tài)速度10°/s，最大速度是20°/s，20 ms的時間擺動的角度是0.2°和0.4°，該角度是其控制姿態(tài)的最小步長，因此35 ms以內(nèi)的熱復(fù)位時間最多丟失兩條指令，伺服機(jī)構(gòu)在可控范圍之內(nèi)。此外，軟件代碼還有一定的優(yōu)化余量，初始化時間和看門狗定時器溢出上限還可進(jìn)一步減少。

　　2.3　看門狗設(shè)計要考慮的幾點問題

　?、?喂狗方式：可分為電平喂狗和邊沿喂狗，本設(shè)計采用后者。與電平喂狗相比較，邊沿喂狗在狀態(tài)機(jī)的設(shè)計中可以減少狀態(tài)數(shù)量，從而節(jié)省CPLD資源，且DSP的喂狗也很容易，只要取反WDT電平，就可被認(rèn)為已喂狗，簡化軟件代碼。

　?、?定時器溢出上限：根據(jù)具體需要靈活設(shè)定，這里暫定5 ms。

　?、?輸出系統(tǒng)復(fù)位信號脈寬：這里只要超過DSP所需的512個時鐘周期即可，以30 MHz晶振為例，時長約為171 μs。

　　④ 系統(tǒng)上電初始化時間：系統(tǒng)上電復(fù)位后DSP需要一斷時間初始化，而這段時間內(nèi)不能喂狗，所以CPLD不能檢測是否有喂狗信號，否則會造成連續(xù)的錯誤復(fù)位，使DSP無法正常工作，因此在CPLD代碼設(shè)計時需要越過初始化階段再去檢測喂狗信號。

　?、?與主控芯片的握手信號：根據(jù)系統(tǒng)任務(wù)需求，可增加與主控芯片的握手信號。例如，當(dāng)主控芯片需要實現(xiàn)總線寫程序功能時，對DSP片內(nèi)的Flash進(jìn)行寫操作，此時不能對DSP進(jìn)行復(fù)位，DSP也無法輸出喂狗信號，這就需要在總線寫程序之前通過總線與CPLD實現(xiàn)握手與應(yīng)答，關(guān)閉看門狗功能，程序?qū)懭胪瓿珊笙到y(tǒng)重新加電即可正常工作。為了簡化功能描述，本設(shè)計未加入握手設(shè)計。

　　2.4　看門狗狀態(tài)機(jī)的設(shè)計

　　此設(shè)計采用Mealy型狀態(tài)機(jī)，使用Verilog HDL語言編寫代碼，信號、寄存器說明如下所示：Count，時間計數(shù)器;NUM1，定時器溢出上限(5 ms);NUM2，輸出復(fù)位脈沖寬度(大于171 μs);NUM3，上電復(fù)位后等待DSP初始化的時間(30 ms);WDT_flag，3位寬移位寄存器，接收喂狗信號，比較首末位是否相等來判斷是否有喂狗信號;SYS_RST，看門狗輸出的系統(tǒng)復(fù)位信號;WAIT、IDLE、ADDING、ERROR、KEEPING，狀態(tài)機(jī)的5個狀態(tài);EN，看門狗功能使能信號，高電平禁止，低電平使能。

　　圖3為狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。在任意狀態(tài)時如果EN使能信號被禁止，則狀態(tài)機(jī)進(jìn)入IDLE狀態(tài)。在圖上不一一標(biāo)出EN的條件轉(zhuǎn)移曲線。系統(tǒng)上電復(fù)位后進(jìn)入WAIT狀態(tài)，等待NUM3時間使DSP完成初始化;進(jìn)入IDLE狀態(tài)，如使能看門狗功能;進(jìn)入ADDING狀態(tài)累加計時，如果在限定時間NUM1內(nèi)監(jiān)測到喂狗信號，表明程序運(yùn)行正常，返回IDLE狀態(tài)等待下一次喂狗信號，如果超過NUM1未收到喂狗信號，認(rèn)為程序已經(jīng)跑飛，進(jìn)入EEROR狀態(tài);EEROR狀態(tài)中輸出復(fù)位信號并清零計數(shù)器;進(jìn)入KEEPING狀態(tài)，使低電平保持一段時間NUM2，這段時間超過DSP所需的復(fù)位時間即可;進(jìn)入WAIT狀態(tài)，復(fù)位后重新等待DSP完成初始化，循環(huán)往復(fù)。

　　圖3　狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

　　圖4　仿真波形1

　　3　基于CPLD的硬件看門狗的仿真與驗證

　　3.1　功能仿真

　　使用Modelsim軟件進(jìn)行功能仿真，可以看出EN信號和WDT(喂狗信號)的變化對SYS_RST輸出的影響。編寫測試文件對EN使能、禁止，WDT信號喂狗間隔小于、大于定時器溢出上限，以及不喂狗等情況進(jìn)行仿真。

　　仿真波形1如圖4所示。EN處于使能狀態(tài)，WDT在限定時間內(nèi)有邊沿變化時，對應(yīng)的移位寄存器也發(fā)生變化，使WDT_flag[2]!=WDT_flag[0]，喂狗成功，不會輸出復(fù)位信號;在SYS_RST第二個低電平處，對應(yīng)的WDT超過了限定時間沒有變化，故輸出復(fù)位信號。

　　仿真波形2如圖5所示。由仿真波形可看出，在EN高電平時，不會輸出喂狗信號，使能信號測試通過，喂狗信號在EN使能時如不能在限定時間內(nèi)喂狗，則輸出系統(tǒng)復(fù)位信號。由仿真波形看出功能得到實現(xiàn)。

　　3.2　硬件平臺驗證

　　圖5　仿真波形2

　　在伺服控制器上對基于CPLD的硬件看門狗功能進(jìn)行驗證。DSP上電初始化完成后，先正常輸出喂狗信號一段時間，然后停止輸出喂狗信號，通過示波器捕獲CPLD輸出的系統(tǒng)復(fù)位信號，波形如圖6所示，光標(biāo)1是系統(tǒng)復(fù)位信號SYS_RST波形，光標(biāo)2是DSP輸出的喂狗信號WDT波形。從波形圖前半段可以看出，WDT正常喂狗時，SYS_RST保持高電平，當(dāng)WDT保持高電平一段時間后SYS_RST輸出低電平，實現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)位。復(fù)位后經(jīng)過一段時間的初始化過程后，WDT開始正常喂狗。

　　圖6　看門狗實現(xiàn)復(fù)位的波形圖

　　通過以上軟件的功能仿真和硬件平臺上的驗證，可以看出，基于FPGA/CPLD的系統(tǒng)外部硬件看門狗的功能得到實現(xiàn)，與預(yù)期目標(biāo)吻合。

　　結(jié)語

　　在數(shù)字伺服控制系統(tǒng)中，利用其中已包含的CPLD或FPGA電路設(shè)計硬件看門狗模塊，既可以滿足系統(tǒng)對硬件看門狗功能的需求，又可以節(jié)省專用的看門狗芯片，節(jié)省電路板的空間，提高了系統(tǒng)的可靠性，提高了可編程邏輯器件的資源利用率，并且可以針對不同的系統(tǒng)上電、復(fù)位等時序要求靈活配置時間參數(shù)。經(jīng)驗證，設(shè)計達(dá)到了看門狗電路的功能要求，能夠有效保證軟件的可靠性，亦可應(yīng)用于其他數(shù)字控制系統(tǒng)平臺。