TM4C129x系列是TI 推出的通用MCU 產(chǎn)品，該產(chǎn)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(chǎn)品的內(nèi)置Ethernet PHY，可支持高集成度、低成本的以太網(wǎng)通信。片上豐富的資源使其非常適合作為儲能等新能源應(yīng)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(tǒng)所需要的采集、監(jiān)控、控制等一些列功能。

近年來，隨著儲能等新能源應(yīng)用的飛速發(fā)展，各類行業(yè)標準不斷發(fā)展和健全，對儲能系統(tǒng)的安全性也提出了越來越高的要求。而作為儲能系統(tǒng)的控制中樞，對于MCU 在故障狀態(tài)下的安全也提出了新的要求。例如IEC60730最先對家儲產(chǎn)品提出當(dāng)MCU 晶振失效，系統(tǒng)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(tǒng)的這一需求為例，介紹如何在TM4C129X中應(yīng)對系統(tǒng)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(nèi)部晶振頻率對比，一旦發(fā)現(xiàn)主時鐘頻率異常則觸發(fā)以下異常中的一種， 并自動切換到內(nèi)部晶振 (PIOSC)來繼續(xù)為MCU的后續(xù)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(xiàn)晶振異常時觸發(fā)MOSC Fail 中斷，并在中斷中進行相關(guān)的安全下電操作，具體的配置實現(xiàn)代碼如下：

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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(xiàn)晶振失效狀態(tài)下MCU的安全狀態(tài)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(fēng)險。因此該方法僅能用作一種輔助手段，或應(yīng)用在對于診斷率要求 不高的應(yīng)用當(dāng)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(yīng)對晶振失效

在儲能系統(tǒng)中，為了應(yīng)對TMC129X內(nèi)置時鐘診斷可能存在的風(fēng)險，我們可以增加額外的硬件電路來實現(xiàn)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(shù)據(jù)手冊可以芯片最小復(fù)位脈沖寬度在0.25~100us，絕大多數(shù)的TI 看門系列產(chǎn)品均可滿足此時間要求:

圖-3 TM4C1294 復(fù)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(tài)下，TM4C129X通過PWM 以固定頻率對TPS3820進行喂狗。當(dāng)晶振失效，若TM4C1294 晶振內(nèi)部的晶振失效診斷電路生效，按照預(yù)先設(shè)計好的程序執(zhí)行斷電保護。若內(nèi)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(fā)送復(fù)位脈沖，通過nRST引腳將芯片復(fù)位。

當(dāng)TM4C129X 復(fù)位，則所有GPIO將被復(fù)位到高阻狀態(tài)(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(tài)在繼電器控制I/O端口的外圍增加相應(yīng)的上拉或下拉電阻即可保證復(fù)位后GPIO處于安全狀態(tài)。

圖-5 TM4C1294 GPIO默認狀態(tài)

經(jīng)過對該方案的深入測試，在內(nèi)部檢測電路不工作的情況下，該硬件復(fù)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(cè)的失敗情況。在該種情況下，晶振下電后芯片沒有發(fā)生復(fù)位，繼電器控制I/O 也沒有如預(yù)想被拉低，芯片似乎“卡死”在了某種狀態(tài)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(chǔ)上增加了個一個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和一個與門，當(dāng)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(fù)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(fù)位失敗的解決方法

上一節(jié)中，我們通過增加片外的復(fù)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(tài)，但并未解決TM4C無法正確復(fù)位的問題。

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

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

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

經(jīng)過反復(fù)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(tài)下，nRST均觸發(fā)POR Reset，因此會出現(xiàn)上一節(jié)類似MCU ‘卡死‘的異常狀態(tài)。需要通過Reset Behavior Control寄存器將復(fù)位模式改為System reset 即可正常復(fù)位。

圖-8 TM4C129X RST腳復(fù)位模式選擇

使用如下API 進行配置：

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SysCtlResetBehaviorSet (SYSCTL_RESBEHAVCTL_EXTRES_SYSRST);

重復(fù)上述實驗，無論如何測試，在晶振失效情況下收到TPS3820的復(fù)位觸發(fā)信號后TPS3820均可正常復(fù)位，GPIO按照預(yù)設(shè)置高。

圖-9更改復(fù)位模式后的測試波形

4. 總結(jié)

本文以儲能系統(tǒng)為例，介紹了如何在TM4C129x系列芯片的使用過程中應(yīng)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。

20240816_66beb60f586a2__TM4C129X MCU如何有效應(yīng)對晶振失效