基于CPLD的系統(tǒng)硬件看門(mén)狗設(shè)計(jì)

　　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

　?、傥构贩绞剑嚎煞譃殡娖轿构泛瓦呇匚构?，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。

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

　?、圯敵鱿到y(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。

　?、芟到y(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)。