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[導(dǎo)讀]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)的引入以及對人身安全有更高標(biāo)準(zhǔn),使得設(shè)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(dòng)制造商提供更高性能、更突顯功能


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)的引入以及對人身安全有更高標(biāo)準(zhǔn),使得設(shè)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(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)勢的方案。因應(yīng)這些復(fù)雜需求,FPGA方案開始逐漸進(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(yīng)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(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)市場開發(fā)經(jīng)理江允貴
基于Altera FPGA開發(fā)平臺的電機(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)勢明顯,另外,在直流電機(jī)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(lǐng)域則優(yōu)勢不明顯。”
Altera推出的電機(jī)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(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)人員使用高級軟件算法實(shí)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(jī)控制環(huán),例如,現(xiàn)場定位控制所使用的控制環(huán)。
關(guān)于采用ARM Cortex-A9通用平臺進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā),江允貴表示:“通用平臺在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和替代方面操作簡便,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,這為設(shè)備制造商帶來麻煩,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(fèi)用和單片版稅報(bào)告,同時(shí)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(biāo)準(zhǔn),”江允貴表示:“通過這種方式,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)用中常見的三類實(shí)時(shí)以太網(wǎng)(來源 Altera)
功能安全包降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn),加速認(rèn)證過程
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)量測試的獨(dú)立組織TüV Rheinland萊茵集團(tuán)合作,Cyclone IV FPGA通過了安全完整性等級3 (SIL3)認(rèn)證。江允貴表示:“通過國家工業(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)過預(yù)測試的包,系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員簡化其認(rèn)證過程,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,在國內(nèi)各地發(fā)生多起電扶梯事故后,國家就在電扶梯設(shè)備強(qiáng)制執(zhí)行功能安全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),自動(dòng)扶梯需要符合中國最近制定的安全認(rèn)證過程,GB16899標(biāo)準(zhǔn)。江允貴表示,Altera的功能安全包提供可靠的、經(jīng)過預(yù)認(rèn)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(rèn)證時(shí)間,加速產(chǎn)品面市。
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