Altera Cyclone V SoC FPGA：深耕工業(yè)應用

隨著應用環(huán)境的復雜度提升，在工業(yè)垂直細分領域，新技術的引入以及對人身安全有更高標準，使得設備廠商對制造商在產(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)勢的方案。因應這些復雜需求，FPGA方案開始逐漸進入傳統(tǒng)MCU和DSP占主要份額的領域。
Altera亞太區(qū)工業(yè)市場開發(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)應用軟件和IP及靈活、成熟可靠的解決方案來幫助他們提升市場競爭力。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)應用，Altera推出電機控制、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)市場開發(fā)經(jīng)理江允貴
基于Altera FPGA開發(fā)平臺的電機控制參考設計
工業(yè)電機是這些需求的關鍵推動力量，每年工業(yè)領域64%的電能消耗來自于電機，優(yōu)秀的電機驅動方案能幫助節(jié)省40%的能耗。
結合Altera的應用實例，江允貴認為目前FPGA適合應用于交流永磁電機控制，“因為交流永磁電機目前應用廣泛，采用三相交流，控制難度相對較大，電機控制的關鍵環(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，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)勢明顯，另外，在直流電機市場，其控制相對簡單，功耗低，傳統(tǒng)方案已經(jīng)成熟，F(xiàn)PGA在直流領域則優(yōu)勢不明顯。”
Altera推出的電機控制平臺采用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：“該平臺充分發(fā)揮了Altera Cyclone IV和Cyclone V FPGA中數(shù)字信號處理(DSP)硬件和軟核嵌入式CPU的功能，可靈活的對硬件和軟件進行最佳功能劃分，幫助設計人員滿足其特殊的最終應用性能需求。”
此平臺采用單芯片方案，在FPGA中集成了加速低延時控制環(huán)，支持設計人員使用高級軟件算法實現(xiàn)系統(tǒng)管理和高級控制功能，能夠開發(fā)需要大量DSP的電機控制環(huán)，例如，現(xiàn)場定位控制所使用的控制環(huán)。
關于采用ARM Cortex-A9通用平臺進行產(chǎn)品開發(fā)，江允貴表示：“通用平臺在產(chǎn)品設計和替代方面操作簡便，可幫助建立強大的生態(tài)系統(tǒng)。” 關于這一點，他舉例使用專有架構經(jīng)歷日本海嘯缺貨的廠商體會最明顯。另外他表示，客戶根據(jù)設計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)議簡化設計
工業(yè)以太網(wǎng)不但是鏈接工業(yè)電子系統(tǒng)中各個單元的關鍵技術，而且還是高度細分的技術，工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議標準眾多，諸如POWERLINK、 EtherCAT、SERCOS III 、EPA、CC-Link IE等，這些標準基本由工業(yè)以太網(wǎng)應用中占主導幾大公司所制訂，并都擁有一定市場，這為設備制造商帶來麻煩，需要支持拿到不同協(xié)議授權，產(chǎn)品要支持多個以太網(wǎng)，無形中增加了面市時間和成本預算。
為此，Altera在基于FPGA的虛擬ASSP中提供多種協(xié)議“開箱即用”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專門針對Altera FPGA開發(fā)的軟件堆棧，不需要前端許可費用和單片版稅報告，同時可現(xiàn)場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)議標準，”江允貴表示：“通過這種方式，一塊電路板能夠適應多種協(xié)議，不需要改動硬件。FPGA還能夠用于實現(xiàn)各種工業(yè)自動化功能，例如，傳感器接口、加速器和控制邏輯等。”
工業(yè)應用中常見的三類實時以太網(wǎng)(來源 Altera)
功能安全包降低設計風險，加速認證過程
功能安全的概念率先由歐洲提出，之前稱為機器安全，隨著機器在工業(yè)應用中的地位愈加重要，與“失效率”相關的功能安全逐漸受重視。因此，國家在功能安全方面也制訂嚴苛的標準。
Altera 與全球安全和質量測試的獨立組織TüV Rheinland萊茵集團合作，Cyclone IV FPGA通過了安全完整性等級3 (SIL3)認證。江允貴表示：“通過國家工業(yè)設備標準認證的周期一般為18-24個月，采用這一經(jīng)過預測試的包，系統(tǒng)設計人員簡化其認證過程，降低了設計總成本，確保他們的產(chǎn)品符合全球IEC61508標準。”
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)代自動扶梯和自動人行道項目上。今年上半年，在國內(nèi)各地發(fā)生多起電扶梯事故后，國家就在電扶梯設備強制執(zhí)行功能安全相關標準，自動扶梯需要符合中國最近制定的安全認證過程，GB16899標準。江允貴表示，Altera的功能安全包提供可靠的、經(jīng)過預認證的開發(fā)過程，支持上海三菱公司大幅度縮短開發(fā)和認證時間，加速產(chǎn)品面市。