近工業(yè)市場的發(fā)展促進了對高集成度、高性能和低功耗的FPGA器件的需求。與點對點通信相比，設(shè)計師更喜歡網(wǎng)絡(luò)通信，這意味著通信可能需要額外的控制器，這間接增加了物料清單成本、電路板尺寸和相關(guān)的NRE(一次性工程成本)成本。

總擁有成本用于分析和估算采購的生命周期成本，它是與設(shè)計相關(guān)的所有直接和間接成本的擴展集，包括工程成本、安裝和維護成本、BOM成本和NRE(研發(fā))成本等。通過考慮系統(tǒng)級因素，可以將總擁有成本降至低，從而帶來可持續(xù)的長期盈利能力。

Microsemi為SmartFusion2 SoC FPGA器件提供了核心的ARM Cortex-M3微控制器和IP集成，采用成本優(yōu)化的封裝，具有降低BOM和電路板尺寸的特點。這些設(shè)備功耗低，溫度范圍寬，無需冷卻風扇即可在極端條件下可靠運行。智能融合2片上系統(tǒng)FPGA架構(gòu)將核心的ARM Cortex-M3 IP與FPGA架構(gòu)相集成，可以實現(xiàn)更大的設(shè)計靈活性和更快的上市時間。Mega-Semir為電機控制算法開發(fā)提供了具有多種多軸電機控制參考設(shè)計和IP的生態(tài)系統(tǒng)，使得從多處理器解決方案向單器件解決方案(即SoC FPGA)的轉(zhuǎn)變更加容易。

影響TCO的因素

以下是影響系統(tǒng)總體擁有成本的一些因素。

(1)生命周期長。FPGA可以在現(xiàn)場部署后重新編程，延長了產(chǎn)品的生命周期，從而使設(shè)計師能夠?qū)Ｗ⒂谛庐a(chǎn)品開發(fā)，實現(xiàn)更快的上市時間。

(2)BOM。Macquarie基于flash技術(shù)的FPGA，開機時不需要啟動PROM或flash MCU加載FPGA。它們是零級非易失性/即時啟動設(shè)備。與基于靜態(tài)隨機存取存儲器的現(xiàn)場可編程門陣列器件不同，麥格里基于閃存的現(xiàn)場可編程門陣列不需要額外的上電監(jiān)控器，因為閃存開關(guān)不會隨電壓而變化。

(3)上市時間。原始設(shè)備制造商之間的激烈競爭迫切需要更多的產(chǎn)品差異化和更快的上市時間。經(jīng)過驗證的IP模塊可以大大減少設(shè)計時間。目前可以提供很多搭建工業(yè)解決方案所需的IP模塊，正在開發(fā)更多的模塊。SoC的另一個獨特優(yōu)勢是可以用來調(diào)試FPGA設(shè)計。為了調(diào)試FPGA設(shè)計，可以利用微控制器子系統(tǒng)通過高速接口從FPGA中提取信息進行調(diào)試。

(4)工程工具費用。與FPGA開發(fā)工具昂貴的概念相反，麥格理為FPGA開發(fā)提供了免費的Libero SoC IDE，只需要在開發(fā)高端設(shè)備時付費即可。

工業(yè)驅(qū)動系統(tǒng)

工業(yè)驅(qū)動系統(tǒng)由電機控制裝置和通信裝置組成。電機控制裝置包含用于驅(qū)動逆變器的邏輯和保護邏輯，而通信裝置使監(jiān)控控制能夠初始化和修改運行時間參數(shù)。

圖1:典型的工業(yè)驅(qū)動系統(tǒng)。

在典型的驅(qū)動系統(tǒng)(圖1)中，可以使用多個控制器設(shè)備來實現(xiàn)驅(qū)動邏輯。一個設(shè)備可以執(zhí)行與電機控制算法相關(guān)的計算，第二設(shè)備可以執(zhí)行與通信相關(guān)的任務(wù)，第三設(shè)備可以執(zhí)行與安全相關(guān)的任務(wù)。

多軸電機控制

傳統(tǒng)上，工業(yè)電機控制應(yīng)用使用微控制器或數(shù)字信號處理器來運行電機控制所需的復雜算法。在大多數(shù)傳統(tǒng)的工業(yè)驅(qū)動中，F(xiàn)PGA與微控制器或DSp一起用于數(shù)據(jù)采集和快速保護。除了數(shù)據(jù)采集、PWM產(chǎn)生和保護邏輯之外，F(xiàn)PGA在實現(xiàn)電機控制算法方面?zhèn)鹘y(tǒng)上并沒有起到主要作用。

用微控制器或DSP實現(xiàn)電機控制算法的方法不容易推廣到多臺電機獨立轉(zhuǎn)速運行(多軸電機控制)，MGM SmartFusion2 SoC FPGA可以用單個器件實現(xiàn)集成完整的多軸電機驅(qū)動控制(圖2)。

圖2: Macquarie SmartFusion2 SoC FPGA采用單個器件實現(xiàn)完整的多軸電機驅(qū)動控制。

控制方面可以分為兩部分。一部分用于運行FOC算法、速度控制、電流控制、速度估計、位置估計和脈寬調(diào)制生成。另一部分包括速度曲線、負荷特性、過程控制和保護(故障和報警)。FOC算法的執(zhí)行是時間關(guān)鍵的，并且需要以非常高的采樣率(微秒范圍內(nèi))執(zhí)行，特別是對于具有低定子電感的高速電機。這使得在FPGA中實現(xiàn)FOC算法更好。過程控制、速度曲線和其他保護不需要快速更新，因此可以以較低的采樣率更新

執(zhí)行（在毫秒范圍），并且能夠在內(nèi)置Cortex-M3子系統(tǒng)中進行編程。

　　晶體管開關(guān)周期在驅(qū)動中發(fā)揮著重要的作用，如果FOC回路執(zhí)行時間比開關(guān)周期短得多，硬件模塊可以重用于計算第二個電機的電壓。這意味著器件可以在相同的成本下提供更高的性能。

　　圖3：永磁同步電機的磁場定向控制（FOC）框圖。

　　（1）電機控制IP模塊。圖3為無傳感器磁場定向控制算法，這一部分將會討論這些模塊，它們作為IP核提供。

　　● PI控制器。比例積分（PI）控制器是用于控制系統(tǒng)參數(shù)的反饋機制，它具有兩個用于控制控制器動態(tài)響應(yīng)的可調(diào)增益參數(shù)-比例和積分增益常數(shù)。PI控制器的比例分量是比例增益常數(shù)和誤差輸入的乘積，而積分分量是累積誤差和積分增益常數(shù)的乘積。這兩個分量被加在了一起。PI控制器的積分階段可能在系統(tǒng)中引起不穩(wěn)定，因為數(shù)據(jù)值不受控制地增加。這種不受控制的數(shù)據(jù)上升稱作積分飽卷，所有的PI控制器實現(xiàn)方案都包括一個抗飽卷機制，用于確保控制器輸出是有限的。美高森美的PI控制器IP模塊使用hold-on-saturaTIon（保持飽和）算法用于抗飽卷。這個模塊還提供附加特性以設(shè)置初的輸出值。

　　● 磁場定向控制（FOC）。FOC是通過獨立地確定和控制轉(zhuǎn)矩和磁化電流分量來為電機提供優(yōu)電流的算法。在永磁同步電機（PMSM）中，轉(zhuǎn)子已經(jīng)磁化。因此，為電機提供的電流只用于轉(zhuǎn)矩。FOC是計算密集型算法，但是美高森美電機控制參考設(shè)計已經(jīng)針對器件資源的優(yōu)使用而構(gòu)建。FOC算法包括Clarke、Park、逆Clarke和逆Park變換。

　　● 角度估計。FOC的一個輸入是轉(zhuǎn)子角度。精確確定轉(zhuǎn)子角度對于確保低功耗是必不可少的。增添確定位置和速度的物理傳感器會增加系統(tǒng)的成本并降低可靠性。無傳感器算法有助于消除傳感器，但是增加了計算復雜性。美高森美針對無傳感器控制提供了兩個角度計算算法IP模塊-一個基于Luenberger觀測器，另一個基于直接反電動勢計算。該公司還提供基于霍爾傳感器和編碼器的單獨參考設(shè)計。

　　● PLL.PLL用于同步信號，在多個應(yīng)用中有用，例如逆變器的角度估計和電網(wǎng)同步。

　　● 速率限制器。速率限制器模塊可以實現(xiàn)系統(tǒng)變量或輸入的平滑改變。例如，在電機控制系統(tǒng)中，如果電機所需的速度突然改變，系統(tǒng)可能變得不穩(wěn)定。為了避免此類情形，速率限制器模塊用于從初始速度轉(zhuǎn)變到所需的速度。速率限制器模塊可以進行配置以控制改變的速率。

　　● 空間矢量調(diào)制。空間矢量調(diào)制模塊改善了直流總線利用率，并消除了晶體管開關(guān)的短脈沖。因為晶體管開啟/關(guān)斷時間比脈沖持續(xù)時間長，短脈沖會導致不正確的開關(guān)行為。

　　● 三相PWM生成。在所有計算的后，可以得到三相電機電壓。這些電壓用于生成逆變器中晶體管的開關(guān)信號。PWM模塊為六個（三個高側(cè)和三個低側(cè)）晶體管產(chǎn)生開關(guān)信號，并且具有死區(qū)時間和延遲時間插入等先進特性。可編程的死區(qū)時間插入特性有助于避免逆變器引腳上的災(zāi)難性短路情況。可編程的延遲時間插入特性使ADC測量與PWM信號生成能夠同步。該模塊可以配置成與僅由N-MOSFET組成的逆變器或同時包括N-MOSFET和P-MOSFET的逆變器一起工作。

　　（2）在SoC中調(diào)試FPGA設(shè)計。通常，在微控制器上調(diào)試設(shè)計比在FPGA上進行調(diào)試相對簡單一些。在SoC中，可以利用FPGA的高性能，同時保持在微控制器中更快速調(diào)試的優(yōu)勢。美高森美SmartFusion2 SoC FPGA中的微控制器子系統(tǒng)和FPGA架構(gòu)可以通過AMBA APB或AXI總線彼此進行通信。這樣可以把測試數(shù)據(jù)注入FPGA架構(gòu)中，或者從FPGA架構(gòu)中記錄調(diào)試數(shù)據(jù)，從而幫助實現(xiàn)運行時間的內(nèi)部數(shù)據(jù)可視化，用于實時調(diào)試。固件代碼可以單步運行，在代碼中可以設(shè)置斷點來分析FPGA寄存器數(shù)據(jù)。

　　基于SmartFusion2 SoC FPGA的多軸電機控制解決方案通過USB連接至主機PC，并與圖形用戶界面（GUI）通信，進行啟動/停止電機，設(shè)置電機速度值和其他系統(tǒng)參數(shù)，描繪多達四個系統(tǒng)變量，例如電機速度、電機電流和轉(zhuǎn)子角度（圖4）。

　　圖4:GUI的屏幕截圖-繪制內(nèi)部參數(shù)：轉(zhuǎn)子角度（綠色）、Valpha（紅色）、Vbeta（黑色）、電機速度（藍色）。

　　（3）生態(tài)系統(tǒng)。美高森美提供一組豐富的IP庫，包括前面討論過的數(shù)種電機控制功能。這些模塊可以輕易定制，并可以在美高森美器件中移植。使用Libero SoC軟件的Smart Design工具，這些模塊可以采用圖形方式配置和連接在一起。借助于這些IP模塊，設(shè)計人員能夠顯著減少在FPGA中實現(xiàn)電機控制算法所需的時間。

　　這些IP模塊已在以高達30，000r/min轉(zhuǎn)速和200kHz開關(guān)頻率運行的電機上進行了測試。

　　工業(yè)通信協(xié)議

　　工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢是通過使用更快的網(wǎng)絡(luò)通信替代點至點通信。實現(xiàn)此類高速通信需要支持更高的帶寬，這對于同時處理電機控制算法的微控制器或DSP來說并不容易。在大多數(shù)情況下，會使用一個附加的微控制器或FPGA來處理與每個電機控制器的通信。通常使用的基于以太網(wǎng)的協(xié)議有PROFINET、EtherNet/IP和EtherCAT標準，這些標準仍然在演進。其他的協(xié)議包括了CAN和Modbus.在這種情況下使用SoC的優(yōu)勢，是在單一FPGA平臺上支持多種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議標準。

　　根據(jù)終端系統(tǒng)目標，可以通過重用IP和協(xié)議棧（用于通信）來優(yōu)化系統(tǒng)的成本，或者通過仔細地在硬件（FPGA）和軟件（ARMCortex-M3子系統(tǒng)）中劃分功能來優(yōu)化性能。

　　美高森美的SmartFusion2 FPGA具有內(nèi)置CAN、高速USB和千兆以太網(wǎng)模塊作為微控制器子系統(tǒng)的一部分。高速SERDES模塊用于實現(xiàn)涉及串行數(shù)據(jù)傳送的協(xié)議。

　　安全性

　　SmartFusion2 SoC FPGA器件具有數(shù)項設(shè)計和數(shù)據(jù)安全特性。DPA認證反篡改保護和加密特性等設(shè)計安全特性能夠幫助保護客戶的知識產(chǎn)權(quán)。SoC FPGA器件還包括數(shù)據(jù)安全特性，例如ECC硬件加速器、AES-128/256和SHA-256服務(wù)。對于數(shù)據(jù)安全性，可以使用EnforcIT IP Suite和CodeSEAL軟件安全構(gòu)件，EnforcIT IP包括一套可定制內(nèi)核（作為網(wǎng)表），有效地將安全層移到硬件中。CodeSEAL將對策注入到固件中，可以獨立地使用，或者用作EnforcIT的提升。

　　實現(xiàn)協(xié)議的靈活性可讓設(shè)計人員使用多個安全層來認證從中央監(jiān)控控制器進入的信息。

　　可靠性

　　在多個市場中安全標準的增長推動了高可靠性的需求，SmartFusion2經(jīng)設(shè)計滿足高可用性、安全關(guān)鍵型和任務(wù)關(guān)鍵型系統(tǒng)的需求，以下是SmartFusion2 SoC FPGA提供的某些可靠性特性。

　　（1）單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）免疫零FIT率配置。高可靠性運作需要SEU免疫零FIT率FPGA配置，SmartFusion2架構(gòu)具有不受α或中子輻射的免疫能力，因為它使用閃存來配置路由矩陣和邏輯模塊中使用的晶體管。基于SRAM的FPGA在海平面上的FIT（時間失效）率可能為1k~4k，在高于海平面5，000英尺的位置會高得多。高可靠性應(yīng)用可接受的FIT率低于20，這使得SmartFusion2適合這些應(yīng)用。

　　（2）EDAC保護。SmartFusion2器件具有錯誤檢測與校正（EDAC）控制器，可防止在微控制器子系統(tǒng)（MSS）存儲器中發(fā)生的單粒子翻轉(zhuǎn)錯誤。

　　（3）無外部配置器件。在具有大量FPGA的復雜系統(tǒng)中，使用外部配置器件會降低可靠性。在上電時，F(xiàn)PGA需花費時間來進行配置，這在使用多個FPGA器件的應(yīng)用中帶來了設(shè)計復雜性。SmartFusion2 SoC FPGA在器件內(nèi)部包含了配置存儲器，它提供了在器件一上電時就開啟的附加優(yōu)勢。

　　（4）軍用溫度級器件。SmartFusion2 SoC FPGA器件針對軍用溫度條件進行了全面測試。軍用級器件具有10k和150k邏輯單元，并具有允許訪問密碼加速器的安全特性和數(shù)據(jù)安全特性。

　　總結(jié)

　　美高森美SmartFusion2 SoC FPGA使用經(jīng)過高度優(yōu)化的電機控制IP模塊和經(jīng)過驗證的參考設(shè)計，提供了數(shù)種降低工業(yè)設(shè)計TCO的特性。從微控制器遷移的客戶將能夠重用某些舊代碼，而FPGA設(shè)計人員將能夠利用FPGA架構(gòu)和ARM Cortex-M3子系統(tǒng)來創(chuàng)建一個高效的架構(gòu)，允許電機控制模塊和通信模塊同時駐留在單一器件中。ARM Cortex-M3微控制器子系統(tǒng)的存在，可以實現(xiàn)靈活的設(shè)計和智能分區(qū)，而針對性能和成本做優(yōu)化。微控制器子系統(tǒng)還可以在運行時間中注入和記錄數(shù)據(jù)，加速調(diào)試FPGA設(shè)計。SmartFusion2平臺還提供了實現(xiàn)工業(yè)通信協(xié)議的廣泛選項。它同時提供用于設(shè)計和數(shù)據(jù)安全的多項安全特性，還提供了滿足高可靠性需求的特性。SmartFusion2系列器件備有強大的生態(tài)系統(tǒng)支持，能夠幫助客戶以低TCO來開發(fā)工業(yè)解決方案。