基于CPLD的系統硬件看門狗設計

王首浩，劉俊琴

（北京精密機電控制設備研究所 燃氣液壓事業部公司，北京 100076）

引 言

在以單片機、DSP等處理器為核心的數字系統中，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中，如箭上伺服控制器，由于箭體內強弱電交叉使用，或者地面測試環境復雜多變，會產生諸多干擾和輻射。它們的沖擊會使CPU在執行指令時的地址碼或操作碼發生變化，甚至將操作數作為操作碼執行，導致程序跑飛。為使系統在規定時間內重新正常工作，一種有效的措施是采用硬件看門狗技術。

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

1 看門狗技術的實現方式

看門狗實現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，周期性地產生復位脈沖，而CPU必須及時“喂狗”（在復位脈沖發出前對此定時器進行清零處理），否則看門狗發揮作用，復位脈沖會使CPU重啟。

軟件看門狗——利用CPU內部的定時器中斷替代看門狗定時器電路，在中斷程序中復位CPU，這同樣發揮了看門狗的作用。但由于CPU中斷存在優先級、屏蔽以及中斷自身故障等原因，都可能導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計措施提高其可靠性。

2 基于CPLD的硬件看門狗設計

2.1 硬件平臺

此設計基于箭上數字伺服控制器，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，并在此基礎上增加了硬件看門狗功能。與其相關的電路連接如圖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

本設計適用于以微控制器與FPGA或CPLD聯合使用的數字控制系統中。利用FPGA或CPLD的剩余資源設計看門狗模塊，相當于硬件看門狗的一種，其基本功能和特點有：當軟件跑飛且主控芯片內部看門狗工作異常時，可為系統進行復位操作；可關閉主控芯片內部的軟件看門狗，優化軟件代碼；可節省專用的看門狗芯片，且在不同時序要求上靈活修改；可根據系統要求增加與主控芯片的握手信號。

2.2 DSP上電過程及復位時序分析

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中使其電平周期性取反；RST是上電復位信號。Trst是上電復位信號的脈寬，約為100ms；Twork是從上電時到首次進入定時器中斷程序的時間，約為130ms。在主程序中首先使WDT輸出低電平，則從上電復位完成到WDT變為低電平的時間A為DSP復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第一次變為高電平的時間B為各軟件模塊及中斷初始化所占用的時間。A＋B為系統初始化所用的時間，約為30ms。

圖2 DSP上電初始化時序

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

選擇看門狗定時器溢出上限以5ms為例，從程序跑飛到重新正常運行大約35ms。設定控制系統給伺服發送控制指令信號的周期是20ms，伺服機構常態速度10°／s，最大速度是20°／s，20ms的時間擺動的角度是0.2°和0.4°，該角度是其控制姿態的最小步長，因此35ms以內的熱復位時間最多丟失兩條指令，伺服機構在可控范圍之內。此外，軟件代碼還有一定的優化余量，初始化時間和看門狗定時器溢出上限還可進一步減少。

2.3 看門狗設計要考慮的幾點問題

①喂狗方式：可分為電平喂狗和邊沿喂狗，本設計采用后者。與電平喂狗相比較，邊沿喂狗在狀態機的設計中可以減少狀態數量，從而節省CPLD資源，且DSP的喂狗也很容易，只要取反WDT電平，就可被認為已喂狗，簡化軟件代碼。

②定時器溢出上限：根據具體需要靈活設定，這里暫定5ms。

③輸出系統復位信號脈寬：這里只要超過DSP所需的512個時鐘周期即可，以30MHz晶振為例，時長約為171μs。

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

⑤與主控芯片的握手信號：根據系統任務需求，可增加與主控芯片的握手信號。例如，當主控芯片需要實現總線寫程序功能時，對DSP片內的Flash進行寫操作，此時不能對DSP進行復位，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實現握手與應答，關閉看門狗功能，程序寫入完成后系統重新加電即可正常工作。為了簡化功能描述，本設計未加入握手設計。

2.4 看門狗狀態機的設計

此設計采用Mealy型狀態機，使用Verilog HDL語言編寫代碼，信號、寄存器說明如下所示：Count，時間計數器；NUM1，定時器溢出上限（5ms）；NUM2，輸出復位脈沖寬度（大于171μs）；NUM3，上電復位后等待DSP初始化的時間（30ms）；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，看門狗輸出的系統復位信號；WAIT、IDLE、ADDING、ERROR、KEEPING，狀態機的5個狀態；EN，看門狗功能使能信號，高電平禁止，低電平使能。

圖3 狀態轉移圖

圖4 仿真波形1

圖3為狀態轉移圖。在任意狀態時如果EN使能信號被禁止，則狀態機進入IDLE狀態。在圖上不一一標出EN的條件轉移曲線。系統上電復位后進入WAIT狀態，等待NUM3時間使DSP完成初始化；進入IDLE狀態，如使能看門狗功能；進入ADDING狀態累加計時，如果在限定時間NUM1內監測到喂狗信號，表明程序運行正常，返回IDLE狀態等待下一次喂狗信號，如果超過NUM1未收到喂狗信號，認為程序已經跑飛，進入EEROR狀態；EEROR狀態中輸出復位信號并清零計數器；進入KEEPING狀態，使低電平保持一段時間NUM2，這段時間超過DSP所需的復位時間即可；進入WAIT狀態，復位后重新等待DSP完成初始化，循環往復。

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行仿真。

仿真波形1如圖4所示。EN處于使能狀態，WDT在限定時間內有邊沿變化時，對應的移位寄存器也發生變化，使 WDT＿flag［2］！＝WDT＿flag［0］，喂狗成功，不會輸出復位信號；在SYS＿RST第二個低電平處，對應的WDT超過了限定時間沒有變化，故輸出復位信號。

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喂狗，則輸出系統復位信號。由仿真波形看出功能得到實現。

3.2 硬件平臺驗證

在伺服控制器上對基于CPLD的硬件看門狗功能進行驗證。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輸出的系統復位信號，波形如圖6所示，光標1是系統復位信號SYS＿RST波形，光標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WDT保持高電平一段時間后SYS＿RST輸出低電平，實現系統復位。復位后經過一段時間的初始化過程后，WDT開始正常喂狗。

圖5 仿真波形2

圖6 看門狗實現復位的波形圖

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的系統外部硬件看門狗的功能得到實現，與預期目標吻合。

結 語

在數字伺服控制系統中，利用其中已包含的CPLD或FPGA電路設計硬件看門狗模塊，既可以滿足系統對硬件看門狗功能的需求，又可以節省專用的看門狗芯片，節省電路板的空間，提高了系統的可靠性，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上電、復位等時序要求靈活配置時間參數。經驗證，設計達到了看門狗電路的功能要求，能夠有效保證軟件的可靠性，亦可應用于其他數字控制系統平臺。

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