TM4C129X MCU如何有效應對晶振失效

作者：Brian Wang

TM4C129x系列是TI 推出的通用MCU 產品，該產品具有120Mhz Cortex M4F核，最大1MB的Flash 空間以及靈活多樣的通信接口。同時該產品的內置Ethernet PHY，可支持高集成度、低成本的以太網通信。片上豐富的資源使其非常適合作為儲能等新能源應用的House Keeping MCU 來使用，配合TI 的BMS采樣AFE及實時控制芯片C2000共同完成儲能系統所需要的采集、監控、控制等一些列功能。

近年來，隨著儲能等新能源應用的飛速發展，各類行業標準不斷發展和健全，對儲能系統的安全性也提出了越來越高的要求。而作為儲能系統的控制中樞，對于MCU 在故障狀態下的安全也提出了新的要求。例如IEC60730最先對家儲產品提出當MCU 晶振失效，系統需要能夠安全地斷電， 這就需要MCU 必須具有一種可靠地檢測、診斷和處理MCU 晶振失效的措施。本文就將以儲能系統的這一需求為例，介紹如何在TM4C129X中應對系統晶振失效的問題。

1. TM4C129X晶振失效檢測功能

TM4C129X 系列MCU中本身提供了主時鐘診斷功能，該功能將主時鐘（MOSC）頻率與內部晶振頻率對比，一旦發現主時鐘頻率異常則觸發以下異常中的一種， 并自動切換到內部晶振 （PIOSC）來繼續為MCU的后續運行提供是時鐘源。

圖-1 主晶振失效動作選擇配置

針對本文中所討論的安全下電需求，我們可以配置MOSCCTL.MOSCIM=0從而實現晶振異常時觸發MOSC Fail 中斷，并在中斷中進行相關的安全下電操作，具體的配置實現代碼如下：

    ui32MOSCCTL = HWREG(SYSCTL_MOSCCTL);

    // Enable MOSC verification enable MOSC fail interrupt

    SysCtlMOSCConfigSet(ui32MOSCCTL | SYSCTL_MOSC_VALIDATE | SYSCTL_MOSC_INTERRUPT);

    // Enable MOSC interrupt at SYS level

    HWREG(SYSCTL_IMC) = 0x08;

    // Enable SYS interrupt at NVIC level

    IntEnable(INT_SYSCTL);

void  SystemtHandler(void)

{

  // Add error handling code here

 該方法可以在不增加額外外圍電路的情況下實現晶振失效狀態下MCU的安全狀態處理，但需要注意的時在TM4C129X系列的Errata中有注明該系列芯片的MOSC verification 電路存在一定的無法準確檢測晶振失效的風險。因此該方法僅能用作一種輔助手段，或應用在對于診斷率要求 不高的應用當中。我們必須增加其他解決問題的措施。

圖-2 TM4C129X 晶振檢測功能勘誤

2. 使用硬件方式應對晶振失效

在儲能系統中，為了應對TMC129X內置時鐘診斷可能存在的風險，我們可以增加額外的硬件電路來實現更加可靠的錯誤處理。對于此類問題，常見的解決方案的是使用一顆額外的看門狗（Watchdog）芯片。

對于TM4C129X系列芯片，通過其數據手冊可以芯片最小復位脈沖寬度在0.25~100us，絕大多數的TI 看門系列產品均可滿足此時間要求:

圖-3 TM4C1294 復位時序要求

在此選擇TI TPS3820 為例說明看門狗方案：

圖-4 TM4C1294 看門狗方案示意圖

正常工作狀態下，TM4C129X通過PWM 以固定頻率對TPS3820進行喂狗。當晶振失效，若TM4C1294 晶振內部的晶振失效診斷電路生效，按照預先設計好的程序執行斷電保護。若內部電路不失效，則芯片將失去時鐘源停止喂狗，25ms后TPS3820將向TM4C129X發送復位脈沖，通過nRST引腳將芯片復位。

當TM4C129X 復位，則所有GPIO將被復位到高阻狀態（tristate），此時引腳電平將有外部的上拉或下拉電阻決定。因此只需要按照安全狀態在繼電器控制I/O端口的外圍增加相應的上拉或下拉電阻即可保證復位后GPIO處于安全狀態。

圖-5 TM4C1294 GPIO默認狀態

經過對該方案的深入測試，在內部檢測電路不工作的情況下，該硬件復位方案有極高的成功率（如圖6左）。但在小概率下，我們可以抓到如圖6 右側的失敗情況。在該種情況下，晶振下電后芯片沒有發生復位，繼電器控制I/O 也沒有如預想被拉低，芯片似乎“卡死”在了某種狀態里。

圖-6 測試波形

針對此問題對硬件的看門狗方案進行了改進，在原有看門狗的基礎上增加了個一個單穩態觸發器和一個與門，當MCU 晶振失效MCU 停止喂狗，1G123通過與門拉低繼電器控制信號，保證在MCU 無法復位的情況下仍能斷開繼電器。

圖-7 改進的硬件看門狗方案示意圖

3. TM4C晶振失效復位失敗的解決方法

上一節中，我們通過增加片外的復位和I/O口控制電路保證了芯片晶振失效時I/O口能夠處在安全狀態，但并未解決TM4C無法正確復位的問題。

該問題的主要原因是TM4C在接收到nRST 復位脈沖時可以觸發兩種不同的復位模式：

Power on Reset(POR): 該模式又稱為冷復位(code-reset)，此復位模式等同于芯片上電復位，是一種完全徹底的復位方式；

System Reset: 該模式又稱為暖復位（warm-reset），此模式只復位芯片的核心及部分外設，不是完全復位。

經過反復多次測試，TM4C在外部晶振失效的情況下只能可靠的地進行system reset，而無法支持 POR Reset。默認狀態下，nRST均觸發POR Reset，因此會出現上一節類似MCU ‘卡死‘的異常狀態。需要通過Reset Behavior Control寄存器將復位模式改為System reset 即可正常復位。

圖-8 TM4C129X RST腳復位模式選擇

使用如下API 進行配置：

重復上述實驗，無論如何測試，在晶振失效情況下收到TPS3820的復位觸發信號后TPS3820均可正常復位，GPIO按照預設置高。

           圖-9更改復位模式后的測試波形

4. 總結

本文以儲能系統為例，介紹了如何在TM4C129x系列芯片的使用過程中應對晶振失效故障。針對芯片本身功能存在的不足，本文通過增加外圍電路解決增加了“雙保險”，大大提高了TM4C129X芯片在晶振失效情況下的可靠性。

參考文獻

[1] Texas Instruments: Tiva TM4C1294NCPDT Microcontroller DATA SHEET

[2] Texas Instruments: Tiva C Series TM4C129x Microcontrollers Silicon Revisions 1, 2, & 3 Errata (Rev. G)