Altera Cyclone V SoC FPGA：深耕工業(yè)應(yīng)用

隨著應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜度提升，在工業(yè)垂直細(xì)分領(lǐng)域，新技術(shù)的引入以及對(duì)人身安全有更高標(biāo)準(zhǔn)，使得設(shè)備廠商對(duì)制造商在產(chǎn)品定制化、面市周期以及總體成本方面提出更高需求，這些因素推動(dòng)制造商提供更高性能、更突顯功能安全以及更具成本優(yōu)勢(shì)的方案。因應(yīng)這些復(fù)雜需求，FPGA方案開(kāi)始逐漸進(jìn)入傳統(tǒng)MCU和DSP占主要份額的領(lǐng)域。
Altera亞太區(qū)工業(yè)市場(chǎng)開(kāi)發(fā)經(jīng)理江允貴介紹：“現(xiàn)在的制造商面臨諸多挑戰(zhàn)，需要專業(yè)應(yīng)用軟件和IP及靈活、成熟可靠的解決方案來(lái)幫助他們提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。與其它方案相比，F(xiàn)PGA能提供高性能和軟硬件可編程能力，配置非常靈活。因此，為深耕工業(yè)應(yīng)用，Altera推出電機(jī)控制、以太網(wǎng) IP以及功能安全三大組合方案。”
Altera亞太區(qū)工業(yè)市場(chǎng)開(kāi)發(fā)經(jīng)理江允貴
基于Altera FPGA開(kāi)發(fā)平臺(tái)的電機(jī)控制參考設(shè)計(jì)
工業(yè)電機(jī)是這些需求的關(guān)鍵推動(dòng)力量，每年工業(yè)領(lǐng)域64%的電能消耗來(lái)自于電機(jī)，優(yōu)秀的電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案能幫助節(jié)省40%的能耗。
結(jié)合Altera的應(yīng)用實(shí)例，江允貴認(rèn)為目前FPGA適合應(yīng)用于交流永磁電機(jī)控制，“因?yàn)榻涣饔来烹姍C(jī)目前應(yīng)用廣泛，采用三相交流，控制難度相對(duì)較大，電機(jī)控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是電流環(huán)的控制，如果廠商在電流采集環(huán)節(jié)需要精進(jìn)，傳統(tǒng)方法已經(jīng)很難辦到，必須借助FPGA，因此FPGA在這方面優(yōu)勢(shì)明顯，另外，在直流電機(jī)市場(chǎng)，其控制相對(duì)簡(jiǎn)單，功耗低，傳統(tǒng)方案已經(jīng)成熟，F(xiàn)PGA在直流領(lǐng)域則優(yōu)勢(shì)不明顯。”
Altera推出的電機(jī)控制平臺(tái)采用Cyclone V SoC FPGA的硬件處理器子系統(tǒng)(HPS)，嵌入雙核ARM Cortex-A9 MPCore處理器，江允貴表示：“該平臺(tái)充分發(fā)揮了Altera Cyclone IV和Cyclone V FPGA中數(shù)字信號(hào)處理(DSP)硬件和軟核嵌入式CPU的功能，可靈活的對(duì)硬件和軟件進(jìn)行最佳功能劃分，幫助設(shè)計(jì)人員滿足其特殊的最終應(yīng)用性能需求。”
此平臺(tái)采用單芯片方案，在FPGA中集成了加速低延時(shí)控制環(huán)，支持設(shè)計(jì)人員使用高級(jí)軟件算法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)管理和高級(jí)控制功能，能夠開(kāi)發(fā)需要大量DSP的電機(jī)控制環(huán)，例如，現(xiàn)場(chǎng)定位控制所使用的控制環(huán)。
關(guān)于采用ARM Cortex-A9通用平臺(tái)進(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，江允貴表示：“通用平臺(tái)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和替代方面操作簡(jiǎn)便，可幫助建立強(qiáng)大的生態(tài)系統(tǒng)。” 關(guān)于這一點(diǎn)，他舉例使用專有架構(gòu)經(jīng)歷日本海嘯缺貨的廠商體會(huì)最明顯。另外他表示，客戶根據(jù)設(shè)計(jì)選擇單芯片方案或者外圍搭載MCU等器件。
FPGA集成多種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)
工業(yè)以太網(wǎng)不但是鏈接工業(yè)電子系統(tǒng)中各個(gè)單元的關(guān)鍵技術(shù)，而且還是高度細(xì)分的技術(shù)，工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)眾多，諸如POWERLINK、 EtherCAT、SERCOS III 、EPA、CC-Link IE等，這些標(biāo)準(zhǔn)基本由工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用中占主導(dǎo)幾大公司所制訂，并都擁有一定市場(chǎng)，這為設(shè)備制造商帶來(lái)麻煩，需要支持拿到不同協(xié)議授權(quán)，產(chǎn)品要支持多個(gè)以太網(wǎng)，無(wú)形中增加了面市時(shí)間和成本預(yù)算。
為此，Altera在基于FPGA的虛擬ASSP中提供多種協(xié)議“開(kāi)箱即用”解決方案，江允貴表示：“該方案在單片F(xiàn)PGA中集成多種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議IP及Softing Gmbh專門(mén)針對(duì)Altera FPGA開(kāi)發(fā)的軟件堆棧，不需要前端許可費(fèi)用和單片版稅報(bào)告，同時(shí)可現(xiàn)場(chǎng)更新以支持今后的協(xié)議。”
“利用FPGA所具有的可編程能力能夠迅速方便的支持不同的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，”江允貴表示：“通過(guò)這種方式，一塊電路板能夠適應(yīng)多種協(xié)議，不需要改動(dòng)硬件。FPGA還能夠用于實(shí)現(xiàn)各種工業(yè)自動(dòng)化功能，例如，傳感器接口、加速器和控制邏輯等。”
工業(yè)應(yīng)用中常見(jiàn)的三類實(shí)時(shí)以太網(wǎng)(來(lái)源 Altera)
功能安全包降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，加速認(rèn)證過(guò)程
功能安全的概念率先由歐洲提出，之前稱為機(jī)器安全，隨著機(jī)器在工業(yè)應(yīng)用中的地位愈加重要，與“失效率”相關(guān)的功能安全逐漸受重視。因此，國(guó)家在功能安全方面也制訂嚴(yán)苛的標(biāo)準(zhǔn)。
Altera 與全球安全和質(zhì)量測(cè)試的獨(dú)立組織TüV Rheinland萊茵集團(tuán)合作，Cyclone IV FPGA通過(guò)了安全完整性等級(jí)3 (SIL3)認(rèn)證。江允貴表示：“通過(guò)國(guó)家工業(yè)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證的周期一般為18-24個(gè)月，采用這一經(jīng)過(guò)預(yù)測(cè)試的包，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員簡(jiǎn)化其認(rèn)證過(guò)程，降低了設(shè)計(jì)總成本，確保他們的產(chǎn)品符合全球IEC61508標(biāo)準(zhǔn)。”
江允貴透露，上海三菱電梯公司最近已經(jīng)采用Altera的功能安全包，用在現(xiàn)代自動(dòng)扶梯和自動(dòng)人行道項(xiàng)目上。今年上半年，在國(guó)內(nèi)各地發(fā)生多起電扶梯事故后，國(guó)家就在電扶梯設(shè)備強(qiáng)制執(zhí)行功能安全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，自動(dòng)扶梯需要符合中國(guó)最近制定的安全認(rèn)證過(guò)程，GB16899標(biāo)準(zhǔn)。江允貴表示，Altera的功能安全包提供可靠的、經(jīng)過(guò)預(yù)認(rèn)證的開(kāi)發(fā)過(guò)程，支持上海三菱公司大幅度縮短開(kāi)發(fā)和認(rèn)證時(shí)間，加速產(chǎn)品面市。