基于CPLD的系統(tǒng)硬件看門(mén)狗設(shè)計(jì)

摘要：基于以DSP芯片TMS320F2812為核心的數(shù)字伺服控制器，以國(guó)微電子公司的SM1032國(guó)產(chǎn)CPLD(兼容Lattice公司的ispLSI 1032)為載體，設(shè)計(jì)了專用的系統(tǒng)硬件看門(mén)狗模塊，具備識(shí)別DSP軟件初始化時(shí)序、自由定制看門(mén)狗時(shí)序等功能。通過(guò)對(duì)伺服控制器上電及工作運(yùn)行時(shí)序的分析、仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，確定了硬件看門(mén)狗功能模塊的設(shè)計(jì)方案，并給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
關(guān)鍵詞：看門(mén)狗；CPLD；狀態(tài)機(jī)；仿真

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(mén)狗是不可缺少的一部分，特別是在對(duì)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(cè)試環(huán)境復(fù)雜多變，會(huì)產(chǎn)生諸多干擾和輻射。它們的沖擊會(huì)使CPU在執(zhí)行指令時(shí)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(shí)間內(nèi)重新正常工作，一種有效的措施是采用硬件看門(mén)狗技術(shù)。
    本設(shè)計(jì)的最初思路來(lái)源：實(shí)現(xiàn)高可靠性數(shù)字伺服控制器軟、硬件看門(mén)狗的雙冗余設(shè)計(jì)要求，目前缺少軍品級(jí)國(guó)產(chǎn)化硬件看門(mén)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(mén)狗技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式
    看門(mén)狗實(shí)現(xiàn)方式可分為以下兩種：
    硬件看門(mén)狗——采用一個(gè)獨(dú)立于CPU的定時(shí)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(shí)“喂狗”(在復(fù)位脈沖發(fā)出前對(duì)此定時(shí)器進(jìn)行清零處理)，否則看門(mén)狗發(fā)揮作用，復(fù)位脈沖會(huì)使CPU重啟。
    軟件看門(mén)狗——利用CPU內(nèi)部的定時(shí)器中斷替代看門(mén)狗定時(shí)器電路，存中斷程序中復(fù)位CPU，這同樣發(fā)揮了看門(mén)狗的作用。但由于CPU中斷存在優(yōu)先級(jí)、屏蔽以及中斷自身故障等原因，郁可能導(dǎo)致軟件看門(mén)狗工作異常。軟件看門(mén)狗往往采用一些其他軟件設(shè)計(jì)措施提高其可靠性。

2 基于CPLD的硬件看門(mén)狗設(shè)計(jì)
2．1 硬件平臺(tái)
    此設(shè)計(jì)基丁箭上數(shù)字伺服控制器，以TI公司的TMS320F2812(下面簡(jiǎn)稱為DSP)為控制核心，SM1032則用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)A／D、D／A和1553B總線的片選信號(hào)和邏輯控制信號(hào)譯碼，并在此基礎(chǔ)上增加了硬件看門(mén)狗功能。與其相關(guān)的電路連接如圖1所示，其中看門(mén)狗使能信號(hào)EN與DSP_JTAG電路相連，在DSP下載程序或在線仿真時(shí)可通過(guò)專用的JTAG 工裝電纜禁止看門(mén)狗功能，防止看門(mén)狗的誤操作。

    本設(shè)計(jì)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的剩余資源沒(méi)計(jì)看門(mén)狗模塊，相當(dāng)于硬件看門(mén)狗的一種，其基本功能和特點(diǎn)有：當(dāng)軟件跑飛且主控芯片內(nèi)部看門(mén)狗工作異常時(shí)，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(mén)狗，優(yōu)化軟件代碼；可節(jié)省專用的看門(mén)狗芯片，且在不同時(shí)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(hào)。
2．2 DSP上電過(guò)程及復(fù)位時(shí)序分析
    DSP上電初始化時(shí)序如圖2所示。WDT是喂狗信號(hào)輸出，在定時(shí)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(hào)。Trst是上電復(fù)位信號(hào)的脈寬，約為100 ms；Twork是從上電時(shí)到首次進(jìn)入定時(shí)器中斷程序的時(shí)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(shí)間A為DSP復(fù)位后自身的各項(xiàng)配置所占用的時(shí)間。在定時(shí)器中每次取反WDT信號(hào)，則到WDT第一次變?yōu)楦唠娖降臅r(shí)間B為各軟件模塊及中斷初始化所占用的時(shí)間。A+B為系統(tǒng)初始化所用的時(shí)間，約為30ms。

    由此可見(jiàn)，如果系統(tǒng)程序跑飛，則每次復(fù)位都要經(jīng)過(guò)A、B兩個(gè)過(guò)程，約30 ms的時(shí)間；那么在CPLD軟件的看門(mén)狗模塊中，每次在給出復(fù)位信號(hào)后都要等待DSP的初始化完成(約30 ms)后再開(kāi)始對(duì)喂狗信號(hào)監(jiān)測(cè)并計(jì)時(shí)。
    選擇看門(mén)狗定時(shí)器溢出上限以5ms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(hào)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(shí)間擺動(dòng)的角度是0．2°和0．4°，該角度是其控制姿態(tài)的最小步長(zhǎng)，因此35 ms以內(nèi)的熱復(fù)位時(shí)間最多丟失兩條指令，伺服機(jī)構(gòu)在可控范同之內(nèi)。此外，軟件代碼還有一定的優(yōu)化余量，初始化時(shí)間和看門(mén)狗定時(shí)器溢出上限還可進(jìn)一步減少。
2．3 看門(mén)狗設(shè)計(jì)要考慮的幾點(diǎn)問(wèn)題
    ①喂狗方式：可分為電平喂狗和邊沿喂狗，本設(shè)計(jì)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(jì)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(jiǎn)化軟件代碼。
    ②定時(shí)器溢出上限：根據(jù)具體需要靈活設(shè)定，這里暫定5 ms。
    ③輸出系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)脈寬：這里只要超過(guò)DSP所需的512個(gè)時(shí)鐘周期即可，以30 MHz品振為例，時(shí)長(zhǎng)約為171μs。
    ④系統(tǒng)上電初始化時(shí)間：系統(tǒng)上電復(fù)位后DSP需要一斷時(shí)間初始化，而這段時(shí)間內(nèi)不能喂狗，所以CPLD不能檢測(cè)是否有喂狗信號(hào)，否則會(huì)造成連續(xù)的錯(cuò)誤復(fù)位，使DSP無(wú)法正常工作，因此在CPLD代碼設(shè)計(jì)時(shí)需要越過(guò)初始化階段再去檢測(cè)喂狗信號(hào)。
    ⑤與主控芯片的摒手信號(hào)：根據(jù)系統(tǒng)任務(wù)需求，可增加與主控芯片的握手信號(hào)。例如，當(dāng)主控芯片需要實(shí)現(xiàn)總線寫(xiě)程序功能時(shí)，對(duì)DSP片內(nèi)的Flash進(jìn)行寫(xiě)操作，此時(shí)不能對(duì)DSP進(jìn)行復(fù)位，DSP也無(wú)法輸出喂狗信號(hào)，這就需要在總線寫(xiě)程序之前通過(guò)總線與CPLD實(shí)現(xiàn)握手與應(yīng)答，關(guān)閉看門(mén)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(jiǎn)化功能描述，本設(shè)計(jì)術(shù)加入握手設(shè)計(jì)。
2．4 看門(mén)狗狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)
    此設(shè)計(jì)采用Mealy型狀態(tài)機(jī)，使用Verilog HDL語(yǔ)言編寫(xiě)代碼，信號(hào)、寄存器說(shuō)明如下所示：Count，時(shí)間計(jì)數(shù)器；NUM1，定時(shí)器溢出上限(5 ms)；NUM2，輸出復(fù)位脈沖寬度(大丁171μs)；NUM3，上電復(fù)位后等待DSP初始化的時(shí)間(30 ms)；WDT_fiag，3位寬移位寄存器，接收喂狗信號(hào)，比較首未位是否相等來(lái)判斷是否有喂狗信號(hào)；SYS_RST，看門(mén)狗輸出的系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)；WAIT、IDLE、ADDING、ERROR、KEEPING，狀態(tài)機(jī)的5個(gè)狀態(tài)；EN，看門(mén)狗功能使能信號(hào)，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(shí)如果EN使能信號(hào)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(shí)間使DSP完成初始化；進(jìn)入IDLE狀態(tài)，如使能看門(mén)狗功能；進(jìn)入ADDING狀態(tài)累加計(jì)時(shí)，如果在限定時(shí)間NUM1內(nèi)監(jiān)測(cè)到喂狗信號(hào)，表明程序運(yùn)行正常，返回IDLE狀態(tài)等待下一次喂狗信號(hào)，如果超過(guò)NUM1未收到喂狗信號(hào)，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(hào)并清零計(jì)數(shù)器；進(jìn)入KEEPING狀態(tài)，使低電平保持一段時(shí)間NUM2，這段時(shí)間超過(guò)DSP所需的復(fù)位時(shí)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)。

3 基于CPLD的硬件看門(mén)狗的仿真與驗(yàn)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(hào)和WDT(喂狗信號(hào))的變化對(duì)SYS_RST輸出的影響。編寫(xiě)測(cè)試文件對(duì)EN使能、禁止，WDT信號(hào)喂狗間隔小于、大于定時(shí)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(shí)間內(nèi)有邊沿變化時(shí)，對(duì)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(huì)輸出復(fù)位信號(hào)；存SYS_RST第二個(gè)低電平處，對(duì)應(yīng)的WDT超過(guò)了限定時(shí)間沒(méi)有變化，故輸出復(fù)位信號(hào)。

    仿真波形2如圖5所示。由仿真波形可看出，在EN高電平時(shí)，不會(huì)輸出喂狗信號(hào)，使能信號(hào)測(cè)試通過(guò)，喂狗信號(hào)存EN使能時(shí)如不能存限定時(shí)間內(nèi)喂狗，則輸出系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)。由仿真波形看出功能得到實(shí)現(xiàn)。
3．2 硬件平臺(tái)驗(yàn)證
    在伺服控制器上對(duì)基丁CPLD的硬件看門(mén)狗功能進(jìn)行驗(yàn)證。DSP上電初始化完成后，先止常輸出喂狗信號(hào)一段時(shí)間，然后停止輸出喂狗信號(hào)，通過(guò)示波器捕獲CPLD輸出的系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)，波形如圖6所示，光標(biāo)1是系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)SYS_RST波形，光標(biāo)2是DSP輸出的喂狗信號(hào)WDT波形。從波形圖前半段可以看出，WDT正常喂狗時(shí)，SYS_RST保持高電平，當(dāng)WDT保持高電平一段時(shí)間后SYS_RST輸出低電平，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)位。復(fù)位后經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的初始化過(guò)程后，WDT開(kāi)始正常喂狗。

    通過(guò)以上軟件的功能仿真和硬件平臺(tái)上的驗(yàn)證，可以看出，基于FPGA／CPLD的系統(tǒng)外部硬件看門(mén)狗的功能得到實(shí)現(xiàn)，與預(yù)期目標(biāo)吻合。

結(jié)語(yǔ)
    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(jì)硬件看門(mén)狗模塊，既可以滿足系統(tǒng)對(duì)硬件看門(mén)狗功能的需求，又可以節(jié)省專用的看門(mén)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(duì)不同的系統(tǒng)上電、復(fù)位等時(shí)序要求靈活配置時(shí)間參數(shù)。經(jīng)驗(yàn)證，沒(méi)計(jì)達(dá)到了看門(mén)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(tái)。