使用SoC FPGA进行工业设计和电机控制.pdf

随着工业市场的快速发展，对FPGA器件的需求不断提升，特别是在集成度、性能和功耗方面的要求日益增高。SoC FPGA（System on Chip Field-Programmable Gate Array）结合了处理器、存储器、逻辑阵列等不同功能于单一芯片，为工业设计和电机控制提供了新的选择。本文将探讨使用SoC FPGA进行工业设计和电机控制时需要注意的多个关键因素。 选择适合工业系统的FPGA器件需要考虑多方面的因素。这些因素包括器件的性能、工程变更的成本、上市时间、人员的技能水平、现有IP或程序库的重用可能性、现场升级的成本以及低功耗和低成本。由于工业市场的快速发展，对具有高集成度、高性能和低功耗特性的FPGA器件的需求日益增长，这对于设计人员而言是一种趋势。 在工业通信方面，设计人员更倾向于采用网络通信而不是点对点通信。这种趋势意味着在设计中可能需要额外的控制器来进行通信，进而可能会间接增加物料清单（BOM）成本、电路板尺寸和一次性工程费用（NRE）。总体拥有成本（Total Cost of Ownership, TCO）用于分析和评估一个产品整个生命周期的成本。TCO包含直接和间接的成本，例如工程技术成本、安装和维护成本、BOM成本以及NRE成本等。通过综合考虑系统级别的因素，有可能最大限度地减少总体拥有成本，从而实现可持续的长期盈利能力。 美高森美公司（Microsemi）提供的SmartFusion2 SoC FPGA器件，集成了硬核ARM Cortex-M3微控制器和IP集成，并优化了封装和电路板尺寸。这些器件不仅具有低功耗和宽温度范围，还能在无需冷却风扇的极端条件下可靠工作。SmartFusion2的架构将ARM Cortex-M3 IP与FPGA架构相结合，实现了更高的设计灵活性和更快的上市时间。美高森美为电机控制算法开发提供了多轴电机控制的参考设计和生态系统，使得从多处理器解决方案向单一SoC FPGA器件解决方案的转变变得更加容易。 影响总体拥有成本的其他因素包括产品寿命、BOM成本、上市时间和工程工具成本等。例如，基于闪存技术的FPGA能够在上电时立即启动，无需启动PROM或闪存MCU，这降低了BOM成本和NRE成本。另外，具有现场重新编程能力的FPGA延长了产品的使用寿命，同时也加快了新产品的开发过程。在激烈的市场竞争中，更多的产品差异化和更快的上市时间成为迫切需求。 OEM厂商面临的竞争压力促使他们需要更多的产品差异化和更快的上市时间。而经过验证的IP模块能够大幅度缩短设计时间，美高森美提供了多个适用于工业解决方案的IP模块，并且更多模块正在开发之中。SoC FPGA还有一个独特优势是用于调试FPGA设计，即利用高速接口和微控制器子系统从FPGA中提取信息。 至于工程工具的成本，相较于传统昂贵的FPGA开发工具概念，美高森美提供了免费的Libero SoC IDE用于开发FPGA，仅在开发高端器件时才需付费。 工业驱动系统通常由电机控制器件和通信器件组成，其中电机控制器件包含了驱动逆变器的逻辑和保护逻辑，而通信器件使得监控控制能够对运行时间参数进行初始化和修改。在典型的工业驱动系统中，可能需要多个控制器来实现驱动逻辑，例如分别执行与电机控制算法相关的计算、通信任务和安全性相关的任务。 SoC FPGA在工业设计和电机控制方面提供了广泛的可能性和优势，其高度的集成性、优异的性能和低功耗特性使得它成为工业应用中的理想选择。设计人员在选择FPGA器件时，应充分考虑各种因素，以实现最佳的总体拥有成本和系统的可持续盈利。