基于FPGA的多任務(wù)硬看門(mén)狗容錯(cuò)技術(shù)

包明磊，姚艷松

（國(guó)電南京自動(dòng)化股份有限公司，南京 210061）

引 言

電力系統(tǒng)微機(jī)繼電保護(hù)裝置作為保證電力系統(tǒng)設(shè)備安全運(yùn)行的自動(dòng)裝置，對(duì)于嵌入式系統(tǒng)自身的可靠性有著很高的要求。多年來(lái)，圍繞著保護(hù)裝置嵌入式系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)，以及其受干擾后的自我恢復(fù)，在硬件和軟件等方面積累了多種方法。這些方法相互結(jié)合，配合使用，有效地提高了系統(tǒng)的可靠性與抗干擾能力[1－2]。

看門(mén)狗技術(shù)是最常見(jiàn)的抗干擾技術(shù)?？撮T(mén)狗分為硬看門(mén)狗和軟看門(mén)狗；硬看門(mén)狗采用“看門(mén)狗”電路，即通過(guò)定時(shí)器對(duì)任務(wù)在運(yùn)行時(shí)間上加以約束；軟看門(mén)狗采用處理器內(nèi)部定時(shí)器，把任務(wù)的最大理論運(yùn)行時(shí)間作為時(shí)間約束[2－4]。

以往，在多任務(wù)系統(tǒng)中一般設(shè)置一個(gè)優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)作為監(jiān)視器，對(duì)系統(tǒng)中運(yùn)行的所有任務(wù)進(jìn)行監(jiān)控，只要有一個(gè)任務(wù)出現(xiàn)故障，該監(jiān)視任務(wù)就延遲喂狗，使硬看門(mén)狗溢出，重啟系統(tǒng)。使用這種方法需要額外消耗嵌入式系統(tǒng)的信號(hào)量資源和任務(wù)運(yùn)行時(shí)間，減少保護(hù)算法的運(yùn)行時(shí)間，且對(duì)監(jiān)視任務(wù)要求較高。當(dāng)中斷運(yùn)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，無(wú)法及時(shí)恢復(fù)[3]。

本文介紹一種多任務(wù)硬看門(mén)狗容錯(cuò)技術(shù)，通過(guò)這種技術(shù)，保護(hù)裝置嵌入式軟件的所有任務(wù)（包括中斷）都可以互相無(wú)干擾地對(duì)硬看門(mén)狗喂狗，可以在確保嵌入式系統(tǒng)運(yùn)行效率的基礎(chǔ)上，保證系統(tǒng)的安全可靠。

1 多任務(wù)硬看門(mén)狗容錯(cuò)技術(shù)設(shè)計(jì)

多任務(wù)硬看門(mén)狗容錯(cuò)技術(shù)是以硬看門(mén)狗芯片為基礎(chǔ)，以FPGA為核心，以外圍電路為輔助，充分考慮保護(hù)裝置的需求，共同構(gòu)成一個(gè)可實(shí)現(xiàn)監(jiān)視、告警、自恢復(fù)等功能的抗干擾系統(tǒng)，具體原理如圖1所示。保護(hù)裝置一般需要運(yùn)行7～10個(gè)任務(wù)和2～3個(gè)定時(shí)中斷，每個(gè)任務(wù)和中斷均需要確保硬看門(mén)狗喂狗可靠，F(xiàn)PGA中的“多任務(wù)喂狗監(jiān)視系統(tǒng)”監(jiān)視這些任務(wù)的喂狗信號(hào)，實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)每個(gè)喂狗信號(hào)的狀態(tài)，只有當(dāng)所有喂狗信號(hào)均有效時(shí)，該系統(tǒng)才對(duì)硬看門(mén)狗發(fā)出實(shí)際的喂狗信號(hào)。若某個(gè)任務(wù)或者中斷出現(xiàn)故障，該系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)停止對(duì)硬看門(mén)狗的喂狗；如果硬看門(mén)狗在設(shè)定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有被喂狗，則發(fā)出RESET信號(hào)重啟嵌入式系統(tǒng)。此外，本技術(shù)包含一個(gè)計(jì)數(shù)器系統(tǒng)，負(fù)責(zé)統(tǒng)計(jì)復(fù)位信號(hào)的次數(shù)，當(dāng)連續(xù)多次出現(xiàn)復(fù)位信號(hào)，則說(shuō)明嵌入式軟件發(fā)生嚴(yán)重故障，該系統(tǒng)發(fā)出告警信號(hào)通知維修和更換，確保保護(hù)裝置的可靠性。

圖1 多任務(wù)硬看門(mén)狗容錯(cuò)技術(shù)原理框圖

在實(shí)際應(yīng)用中，主CPU和FPGA之間可以通過(guò)總線相連，各任務(wù)和中斷的喂狗信號(hào)可以以命令的形式對(duì)“多任務(wù)喂狗監(jiān)視系統(tǒng)”進(jìn)行喂狗。在整個(gè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)中，計(jì)數(shù)器告警電路是個(gè)難點(diǎn)，本文給出了具體的硬件原理圖，如圖2所示。

圖2 計(jì)數(shù)器告警電路原理圖

硬看門(mén)狗MAX823S是Maxim公司推出的小體積、低功耗的看門(mén)狗芯片。該芯片若在1.6s內(nèi)沒(méi)有被觸發(fā)WDI，則引 腳 發(fā) 出 200ms的 低 電 平 信 號(hào)[4]。SN74HC393DT為計(jì)數(shù)器，SN74HC32D為或門(mén)。MAX823S的WDI引腳接收“多任務(wù)喂狗監(jiān)視系統(tǒng)”的喂狗信號(hào)引腳產(chǎn)生的復(fù)位信號(hào)不僅重啟系統(tǒng)，同時(shí)接入SN74HC32D的輸入端。SN74HC32D的輸出接計(jì)數(shù)器SN74HC393DT的CLK引腳，SN74HC393DT的Q2引腳可以發(fā)出告警信號(hào)，同時(shí)接入SN74HC32D的輸入端作為閉鎖信號(hào)。SN74HC393DT的MR引腳可以接入CPU的PIO引腳，由CPU對(duì)其定時(shí)初始化。

當(dāng)嵌入式系統(tǒng)正常工作的時(shí)候，CPU可以不停地發(fā)送計(jì)數(shù)器清零信號(hào)、復(fù)位告警信號(hào)；當(dāng)嵌入式系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，硬看門(mén)狗在設(shè)定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到“多任務(wù)喂狗監(jiān)視系統(tǒng)”的喂狗信號(hào) WDI，發(fā)出的復(fù)位信號(hào)產(chǎn)生脈沖，計(jì)數(shù)器對(duì)這個(gè)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)；當(dāng)嵌入式系統(tǒng)連續(xù)發(fā)生故障無(wú)法恢復(fù)時(shí)，一方面無(wú)法發(fā)出清零信號(hào)對(duì)計(jì)數(shù)器清零，另一方面硬看門(mén)狗持續(xù)發(fā)出復(fù)位信號(hào)，當(dāng)復(fù)位信號(hào)的次數(shù)超過(guò)4次時(shí)計(jì)數(shù)器SN74HC393DT的Q2引腳有效，發(fā)出告警信號(hào)，同時(shí)該信號(hào)將閉鎖CLK的輸入信號(hào)，防止計(jì)數(shù)器溢出。

2 多任務(wù)喂狗監(jiān)視系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

多任務(wù)喂狗監(jiān)視系統(tǒng)是整個(gè)容錯(cuò)技術(shù)的核心，考慮到保護(hù)裝置的需求，要求該系統(tǒng)運(yùn)算速度快、延時(shí)小、支持多任務(wù)并行處理。由于FPGA兼容了PLD和通用門(mén)陣列的優(yōu)點(diǎn)，除了具有體系結(jié)構(gòu)和邏輯單元靈活、集成度高，以及電壓適用范圍寬等特點(diǎn)外，還具有設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)周期短、設(shè)計(jì)制造成本低、移植方便等優(yōu)點(diǎn)。為了保證監(jiān)視系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可移植性，本設(shè)計(jì)選用FPGA實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)[5]。

在對(duì)FPGA芯片進(jìn)行開(kāi)發(fā)編程時(shí)，由于Verilog HDL語(yǔ)言且具有設(shè)計(jì)技術(shù)齊全、方法靈活、支持廣泛、硬件描述能力強(qiáng)、易于共享和復(fù)用等優(yōu)點(diǎn)，因此多任務(wù)喂狗監(jiān)視系統(tǒng)使用Verilog HDL語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)[6]。

根據(jù)容錯(cuò)技術(shù)的設(shè)計(jì)思路，考慮到實(shí)用性、可靠性和拓展性，監(jiān)視系統(tǒng)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)解決以下問(wèn)題：

① 該系統(tǒng)可以靈活設(shè)置需要監(jiān)視的喂狗命令接點(diǎn)（一個(gè)命令接點(diǎn)受一個(gè)任務(wù)或者中斷控制），并確保禁止的喂狗命令接點(diǎn)不會(huì)影響WDI信號(hào)的輸出；

② 該系統(tǒng)要具有自喂狗功能，即在配置不需要監(jiān)視任何喂狗命令接點(diǎn)時(shí)，還能夠自行喂狗，防止系統(tǒng)崩潰；

③ 該系統(tǒng)應(yīng)能夠方便可靠地增減可配置的喂狗命令接點(diǎn)的數(shù)量。

針對(duì)上述問(wèn)題，本設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)的思路，將系統(tǒng)設(shè)計(jì)分成兩個(gè)部分：命令接點(diǎn)監(jiān)視模塊和WDI產(chǎn)生模塊。

2.1 命令接點(diǎn)監(jiān)視模塊

命令接點(diǎn)監(jiān)視模塊可以使能和監(jiān)視指定的喂狗命令接點(diǎn)。它是一個(gè)公共模塊，輸入量為初始化信號(hào)rst、清零信號(hào)clr、喂狗命令接點(diǎn)地址等等，輸出量是使能狀態(tài)enable和喂狗狀態(tài)status。

當(dāng)嵌入式軟件需要使能或者禁止某個(gè)喂狗命令接點(diǎn)時(shí)，該模塊可以通過(guò)命令解析改變使能狀態(tài)enable；當(dāng)嵌入式軟件通過(guò)命令對(duì)某個(gè)喂狗命令接點(diǎn)喂狗時(shí)，該模塊改變喂狗狀態(tài)status；此外該模塊還可以接收clr信號(hào)對(duì)喂狗狀態(tài)進(jìn)行復(fù)位。其核心代碼如下所示：

由最后一條代碼可見(jiàn)，由于喂狗狀態(tài)受使能狀態(tài)的控制，因此當(dāng)禁止某個(gè)喂狗命令接點(diǎn)時(shí)，該命令接點(diǎn)的喂狗狀態(tài)可以保持有效，從而確保禁止的喂狗命令接點(diǎn)不會(huì)影響到WDI信號(hào)的輸出。

2.2 WDI產(chǎn)生模塊

WDI產(chǎn)生模塊負(fù)責(zé)調(diào)用命令接點(diǎn)監(jiān)視模塊，監(jiān)視每一個(gè)喂狗命令接點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)所有喂狗命令接點(diǎn)的喂狗狀態(tài)，并決定是否發(fā)出WDI信號(hào)，軟件流程如圖3所示。

圖3 WDI產(chǎn)生模塊的軟件流程

其中，如何識(shí)別喂狗狀態(tài)并發(fā)出WDI信號(hào)是個(gè)技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)，本系統(tǒng)定義一個(gè)喂狗信號(hào)總狀態(tài)TotalStatus，它是由各個(gè)喂狗命令接點(diǎn)的喂狗狀態(tài)“與”門(mén)組合而成。當(dāng)判斷該狀態(tài)有效時(shí)，則發(fā)出一段時(shí)間的WDI信號(hào)，并清除所有喂狗命令接點(diǎn)的喂狗狀態(tài)，啟動(dòng)下一輪的監(jiān)視；當(dāng)禁止監(jiān)視所有的喂狗命令接點(diǎn)時(shí)，該狀態(tài)恒定有效，一直發(fā)出WDI信號(hào)。

為了實(shí)現(xiàn)上述功能，本系統(tǒng)事先產(chǎn)生一個(gè)固定周期的脈沖波形WDIPulse，并設(shè)計(jì)一個(gè)由TotalStatus觸發(fā)的單穩(wěn)信號(hào) WDIGate，由 WDIGate閉鎖和使能 WDIPulse的輸出達(dá)到控制WDI信號(hào)的目的。具體的核心代碼如下所示：

可見(jiàn)，TotalStatus的上升沿可以觸發(fā)至少8個(gè)clock的單穩(wěn)信號(hào)。在這段時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)可以輸出WDI信號(hào)對(duì)硬看門(mén)狗喂狗，在TotalStatus有效后的第7個(gè)clock時(shí)，模塊清除各個(gè)喂狗命令接點(diǎn)的喂狗狀態(tài)，確保可以監(jiān)視下一輪喂狗信號(hào)。當(dāng)禁止了所有的喂狗命令接點(diǎn)時(shí)，由于TotalStatus不受clr信號(hào)控制，使得 WDIGate一直有效，系統(tǒng)自行喂狗，防止系統(tǒng)崩潰。當(dāng)要增加或者刪減喂狗命令接點(diǎn)數(shù)量（目前為20個(gè)）的時(shí)候，只需要修改程序，增加或者刪減相應(yīng)的寄存器和調(diào)用代碼即可，方便且安全可靠。由于FPGA的并行處理能力，增加監(jiān)視的接點(diǎn)數(shù)量，系統(tǒng)延時(shí)不變。

2.3 算法仿真及分析

為了驗(yàn)證算法中監(jiān)視和喂狗的效果，我們使用仿真工具對(duì)多任務(wù)喂狗監(jiān)視系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證仿真，其仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 多任務(wù)喂狗監(jiān)視系統(tǒng)的仿真結(jié)果

圖4中，監(jiān)視了4個(gè)喂狗命令接點(diǎn)。其中，WDI0為定時(shí)中斷的喂狗信號(hào)，WDI1～WDI3為普通任務(wù)的喂狗信號(hào)。在這輪監(jiān)視中，WDI0的喂狗狀態(tài)在t1時(shí)有效，WDI1的喂狗狀態(tài)在t2時(shí)有效，則喂狗信號(hào)總狀態(tài)TotalStatus在t2時(shí)有效，并觸發(fā)單穩(wěn)信號(hào)WDIGate。在單穩(wěn)信號(hào)有效期間，WDI輸出；同時(shí)，TotalStatus信號(hào)在t3時(shí)清除了各個(gè)喂狗命令接點(diǎn)的喂狗狀態(tài)，啟動(dòng)下一輪監(jiān)視。

仿真結(jié)果表明，多任務(wù)喂狗監(jiān)視系統(tǒng)可以有效監(jiān)視各任務(wù)發(fā)出的喂狗信號(hào)，并根據(jù)喂狗信號(hào)的狀態(tài)發(fā)出正確的WDI信號(hào)，能夠滿足嵌入式系統(tǒng)對(duì)可靠性的要求。

結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了一種應(yīng)用于電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置內(nèi)的基于FPGA的多任務(wù)硬看門(mén)狗容錯(cuò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)嵌入式系統(tǒng)多任務(wù)的硬看門(mén)狗監(jiān)視。文章在闡述了該技術(shù)的設(shè)計(jì)原理基礎(chǔ)上，給出了具體的軟硬件實(shí)現(xiàn)方案。該技術(shù)與傳統(tǒng)的硬看門(mén)狗和多任務(wù)軟看門(mén)狗技術(shù)相比，有以下優(yōu)點(diǎn)：

① 可直接監(jiān)視定時(shí)中斷和所有任務(wù)，監(jiān)視范圍廣；

② 無(wú)需消耗嵌入式軟件額外的信號(hào)量資源和任務(wù)運(yùn)行時(shí)間，且每個(gè)任務(wù)的最大喂狗間隔時(shí)間相同；

③ 配置靈活，可方便增加監(jiān)視的任務(wù)數(shù)量，理論上無(wú)上限，且系統(tǒng)延時(shí)不變；

④ 對(duì)嚴(yán)重故障的嵌入式軟件，系統(tǒng)可以發(fā)出告警信號(hào)，便于維修和更換；

⑤ 可以自監(jiān)視，可靠性高。

多任務(wù)硬看門(mén)狗容錯(cuò)技術(shù)已被應(yīng)用于最新的繼電保護(hù)裝置中，測(cè)試結(jié)果表明，該技術(shù)可以大大提高保護(hù)裝置嵌入式系統(tǒng)的可靠性，具有較高的應(yīng)用參考價(jià)值。

[1] 何立民.單片機(jī)高級(jí)教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2000.

[2] 易麗華.“看門(mén)狗”技術(shù)的實(shí)現(xiàn)[J].儀表技術(shù)，2011（7）：55－57.

[3] 戴積發(fā)，胡玉霞，李緒勇，等.基于uC／OS－II操作系統(tǒng)的多任務(wù)看門(mén)狗設(shè)計(jì)[J].衡水學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，11（4）：31－33.

[4] 王璐，王楠.軟硬件結(jié)合實(shí)現(xiàn)的“看門(mén)狗”技術(shù)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2002（3）：43－45.

[5] 田耕，徐文波.Xilinx FPGA開(kāi)發(fā)實(shí)用教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.

[6] 夏宇聞.Verilog數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.