智能驅(qū)動器以及許多汽車和ISM廠商正面臨著滿足新的市場需求和不斷發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)要求所帶來的重重挑戰(zhàn)。在現(xiàn)代工業(yè)和汽車應(yīng)用中，電機必須具有高效、低噪聲、速度范圍寬、可靠性高、成本合理等特性。在當(dāng)今工廠里，電機驅(qū)動型設(shè)備占總耗電量的三分之二，因此開發(fā)能效更高的系統(tǒng)勢在必行。由于在許多情況下驅(qū)動器只是大規(guī)模工藝的一個組件，因此互操作性也是一項關(guān)鍵的設(shè)計要求。而影響這種要求的關(guān)鍵因素是工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的寬度（即現(xiàn)場總線）和相關(guān)器件特性，因為它們用來標(biāo)準(zhǔn)化驅(qū)動器在網(wǎng)絡(luò)中的表達(dá)?，F(xiàn)場總線（比如CAN和 Profibus）自身千差萬別，雖然都屬于現(xiàn)場總線，但是實際上并不具有互換性。為了降低成本和改善工業(yè)控制器之間的通信，現(xiàn)場總線提供商已經(jīng)開發(fā)出了基于以太網(wǎng)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)解決方案和數(shù)種新的協(xié)議，比如EtherCAT和Profinet等。除此之外，EtherNET I/P也在近年來開始大行其道。不過，這些都是自成體系的技術(shù)，迫使制造商不得不支持所有的提供商。
賽靈思設(shè)計服務(wù)部(XDS)已經(jīng)為ISM領(lǐng)域的一家主要廠商開發(fā)出了一款基于FPGA、支持CANopen和EtherCAT接口的電機控制平臺原型來解決這些問題。賽靈思設(shè)計服務(wù)部的工作是設(shè)計并實現(xiàn)一個功能齊備的模塊化系統(tǒng)，以便在客戶的新一代智能驅(qū)動器中重用。通過在模塊化系統(tǒng)架構(gòu)中集成賽靈思Spartan-6 FPGA SP605評估套件基礎(chǔ)目標(biāo)設(shè)計平臺以及第三方IP核，提供先進的電機控制算法和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)支持，實現(xiàn)了一款高效、可擴展的設(shè)計方案。
選擇FPGA的原因
客戶現(xiàn)有的基于微控制器的解決方案不能提供客戶最迫切需要的：一種可擴展平臺?；赟partan-6 FPGA的智能驅(qū)動控制系統(tǒng)在單芯片上集成了所有必要的可擴展性、邏輯和計算功能，在降低成本的同時還能避免過時。該平臺可以進行多年的升級，以滿足最新工業(yè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的要求并使用最高效的電機控制算法。此外，由于FPGA的可重編程特性，因此可以根據(jù)客戶的特定要求對單個基礎(chǔ)電機控制系統(tǒng)進行定制，從而輕松地與現(xiàn)有工業(yè)網(wǎng)絡(luò)集成。簡言之，Spartan-6 FPGA能夠滿足工業(yè)領(lǐng)域所有的嚴(yán)格要求。
賽靈思目標(biāo)設(shè)計平臺提供了一套開箱即用的高健碩性、高集成度、業(yè)經(jīng)測試的元件，對就像我們的客戶這樣的FPGA系統(tǒng)設(shè)計新手來說，是一個理想的起點。您可以通過向基礎(chǔ)平臺添加領(lǐng)域?qū)Ｓ煤褪袌鰧Ｓ闷脚_解決方案，讓最終設(shè)計在更大程度上實現(xiàn)自動化。這些目標(biāo)參考設(shè)計演示了真實世界FPGA實現(xiàn)的構(gòu)想，讓客戶集成精力進行最終產(chǎn)品差異化特性的設(shè)計與開發(fā)，從而縮短學(xué)習(xí)時間。
我們的解決方案完美組合了Spartan-6 SP605評估套件和第三方解決方案，其中包括QdeSys公司提供的NetMot FMC板，以及德國博世公司 (Bosch)和倍福公司(Beckhoff)提供的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)IP核。這樣不僅目標(biāo)系統(tǒng)所有的基礎(chǔ)構(gòu)建塊一開始就可以到位，而且我們無需定制FPGA開發(fā)板就可以進行原型開發(fā)，從而讓客戶以最低的成本驗證該新平臺的可行性。為了進一步加快產(chǎn)品上市進程，減少初次FPGA系統(tǒng)設(shè)計的風(fēng)險，客戶要求我們不僅要交付原型，還要為在其新一代智能驅(qū)動器中使用FPGA提供支持。
最終，客戶的工程師和管理人員都從該方案受益匪淺。工程師在賽靈思設(shè)計服務(wù)部精選的最佳實踐方式的基礎(chǔ)上，更快地掌握了基于FPGA的設(shè)計，而管理人員則縮短了產(chǎn)品交付時間，并降低了業(yè)務(wù)風(fēng)險。
智能驅(qū)動控制系統(tǒng)原型
賽靈思設(shè)計服務(wù)部的產(chǎn)品組合覆蓋了整個FPGA設(shè)計開發(fā)周期，從規(guī)范創(chuàng)建到編碼、驗證、時序收斂和系統(tǒng)集成。集多年嵌入式處理器系統(tǒng)和軟件應(yīng)用設(shè)計經(jīng)驗之大成，加上集成第三方IP核的能力、優(yōu)秀的項目管理實踐和全面認(rèn)證的ISO9001開發(fā)流程，賽靈思設(shè)計服務(wù)部能夠在客戶的產(chǎn)品開發(fā)周期早期交付智能驅(qū)動控制系統(tǒng)原型。在此基礎(chǔ)上開發(fā)出的定制目標(biāo)設(shè)計平臺能夠讓客戶的工程師熟知FPGA設(shè)計流程，在新一代產(chǎn)品中優(yōu)化該技術(shù)的功能。
該智能驅(qū)動控制系統(tǒng)原型的主要組件的詳細(xì)情況，請參看圖1。
可編程邏輯控制器(PLC)負(fù)責(zé)運行智能驅(qū)動器，實時連接至工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。為實現(xiàn)該原型，我們使用兩個基于PC的PLC來處理該系統(tǒng)支持的兩個工業(yè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)：用于控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的 miControl mPLC和用于EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線系統(tǒng)的 TwinCAT。PLC負(fù)責(zé)生成預(yù)定義的命令信息（例如啟動和停止），通過分析收到的響應(yīng)（當(dāng)前速度、溫度、電壓等）驗證電機的運行是否正常。
根據(jù)PLC 的組合以及智能驅(qū)動器的類型（CAN或EtherCAT），工業(yè)網(wǎng)絡(luò)或為串行總線，或為標(biāo)準(zhǔn)的100Mb以太網(wǎng)接口。對這兩種解決方案，該原型在PLC和電機之間均使用直接連接，或為用于CAN的雙線串行接口，或為用于EtherCAT的標(biāo)準(zhǔn)RJ45 100Base-TX以太網(wǎng)連接。
電機控制PCB板一般是智能驅(qū)動器中眾多PCB板之一，專門用于根據(jù)來自PLC的命令對電機進行控制。該電機控制PCB板可以讓FPGA充分發(fā)揮其靈活性。與常規(guī)ASIC/微處理器方案中采用的單接口、單電機控制算法解決方案不同，Spartan-6 FPGA可以用專用網(wǎng)絡(luò)和電機控制IP模塊和控制軟件重新編程，以滿足客戶的特定需要。采用這種方式，一塊FPGA PCB板就可以實現(xiàn)多塊ASIC板才能實現(xiàn)的功能。同時，它還提供了可以根據(jù)最新標(biāo)準(zhǔn)更新IP核的機制，實現(xiàn)面向未來的智能驅(qū)動器。
該電機控制板的設(shè)計無需從頭開始，賽靈思設(shè)計服務(wù)部采用目標(biāo)設(shè)計平臺概念，通過把賽靈思Spartan-6 SP605評估套件、NetMot FMC板和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)和電機控制IP核結(jié)合在一起，集成了客戶想要的所有元件，這樣在客戶完成新PCB板之前就交付了這款概念驗證原型。圖2顯示了如何把各個組件結(jié)合在一起，實現(xiàn)原型開發(fā)平臺。最終，客戶的集成工作大為簡化，無需對最終設(shè)計進行重新工程設(shè)計，就能夠探求最佳的設(shè)計選擇。
圖2：基于Spartan-6 FPGA的電機控制板原型
圖2中文字：
SP605基礎(chǔ)目標(biāo)設(shè)計平臺是一種通用FPGA平臺，在業(yè)經(jīng)驗證的設(shè)計實現(xiàn)中集成了一個Spartan-6 LX45T和許多常用外設(shè)，比如DDR3 RAM、程序/比特流存儲用閃存、調(diào)試用UART以及 FPGA編程用JTAG。SP605及所有最新賽靈思開發(fā)板的另一個關(guān)鍵元件是FPGA夾層卡(FMC)接插件，它可以讓設(shè)計人員使用定制的功能和接口擴展基礎(chǔ)開發(fā)板。
SP605的這種特性使我們能夠使用 QDeSys NetMot FMC（www.qdesys.com）的功能來擴展這個基本平臺。QDeSys NetMot FMC具有電機控制所需要的電力電子元件，比如電壓逆變器，以及用于采集傳感器數(shù)據(jù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)?？梢园央姍C直接與圖2所示的輸入/輸出端相連。NetMot FMC還通過添加兩個CAN接口和兩個以太網(wǎng)物理層接口，擴展了SP605的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)連接功能。它們通過FMC接插件和PLC，通過標(biāo)準(zhǔn)接口訪問FPGA。
測試用PC機一方面用作PLC軟件的主機，另一方面通過UART和JTAG接口，用作FPGA編程/調(diào)試平臺。此外，我們還在這臺測試用PC機上用賽靈思ISE12.1設(shè)計套件為SP605的LX45T PFGA開發(fā)MicroBlaze嵌入式處理器系統(tǒng)。該嵌入式系統(tǒng)負(fù)責(zé)處理來自PLC的命令并相應(yīng)地對電機進行控制。
圖2所示的MicroBlaze軟件應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)和電機控制IP模塊代表隨接口（EtherCAT 或 CATopne）和選擇的電機類型會發(fā)生變化的設(shè)計模塊。賽靈思設(shè)計服務(wù)部面臨的主要挑戰(zhàn)之一是要確保這些選項之間的切換盡量簡化，從而保證客戶能夠在將來把相同的方法重復(fù)用于諸如Profinet更先進的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)類型以及新型電機中。
實現(xiàn)細(xì)則
讓我們來詳細(xì)查看Spartan-6嵌入式系統(tǒng)的各個組成部分。如圖3所示，我們使用的電機控制IP模塊——賽靈思電機控制庫(XMCLIB)在兩個設(shè)計版本中是完全相同的。這個定制IP核可以直接插在賽靈思嵌入式開發(fā)套件(SDK)上，讓FPGA控制NetMot FMC的電機電力電子系統(tǒng)。這樣我們就可以把IP核添加到Xilinx Platform Studio (XPS)項目的嵌入式設(shè)計中，并對其進行配置，使之適用于通過FMC接插件連接到FPGA的電機。XMCLIB軟件驅(qū)動程序是一套底層功能，使電機控制應(yīng)用能夠訪問XMCLIB寄存器接口。
圖 3：CAN/EtherCAT嵌入式系統(tǒng)
圖3中文字：
另一方面，網(wǎng)絡(luò)IP核也是兩個系統(tǒng)版本的不同之處。對于CAN版設(shè)計，我們選擇標(biāo)準(zhǔn)的 LogiCORETM IP XPS控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)隨同ISE 12.1設(shè)計套件提供，并由博世公司許可。對于EtherCAT版設(shè)計，我們使用倍福公司針對賽靈思FPGA開發(fā)的EtherCAT從控制器IP核 。兩種IP核在XPS工具的IP目錄標(biāo)簽上都有提供，使設(shè)計的集成和配置工作異常簡單明了。在本案例中，我們沒有使用簡單的驅(qū)動程序來提供對網(wǎng)絡(luò)IP核的訪問，我們使用了Port公司提供的CANopen和EtherCAT協(xié)議棧解決方案。該解決方案提供了功能齊全的開箱即用型協(xié)議實施方案。
最終，我們設(shè)計出了一種定制嵌入式軟件應(yīng)用，可以在運行于MicroBlaze處理器系統(tǒng)的 Micrium（www.micrium.com）μC/OS-II上運行。μC/OS-II是一種嵌入式操作系統(tǒng)，可增強原型系統(tǒng)的實時功能，并提供多任務(wù)、消息隊列和信號量等功能。
我們還意識到，應(yīng)該讓應(yīng)用的結(jié)構(gòu)能夠適用于多種不同的網(wǎng)絡(luò)接口。為此，我們設(shè)計了一個接口抽象層，可以讓我們封裝通信和軟件的電機控制組件。
在這個接口的一側(cè)（圖 4），我們實現(xiàn)了一個網(wǎng)絡(luò)模塊（Port公司的CANopen或EtherCAT），用以管理系統(tǒng)中可用網(wǎng)絡(luò)IP核的通信。這些模塊可以無縫地插入我們的接口抽象層上。在這些協(xié)議棧的頂層，我們把通信和控制數(shù)據(jù)（比如 PDO、SDO和NMT狀態(tài)交易）傳輸?shù)匠橄髮又?，然后抽象層將?shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)譯并以諸如啟動/停止、以特定速率旋轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)到特定位置之類的命令提交給電機控制應(yīng)用。
圖4：接口抽象層
圖4中文字：
為了為接口抽象層確定一組通用信息和命令，我們研究了工業(yè)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域現(xiàn)有的專著，研讀了IEC 61800-7標(biāo)準(zhǔn)。對現(xiàn)有的現(xiàn)場總線技術(shù)，有幾種用于標(biāo)準(zhǔn)化與驅(qū)動設(shè)備通信的方案（比如 CANopen 使用的 CiA-402、Profinet 使用的 PROFIdrive）。IEC 68000-7標(biāo)準(zhǔn)提出了驅(qū)動器的通用表達(dá)，并計劃提供這種通用表達(dá)與現(xiàn)有驅(qū)動器特性之間的一組映射。
IEC 68000-7標(biāo)準(zhǔn)提出的概念為我們開發(fā)接口抽象層奠定了基礎(chǔ)，使我們能夠?qū)ο到y(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)組件進行封裝。我們因此可以更改系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)接口，而這只需要對軟件稍加定制修改，就可以讓其與現(xiàn)有的電機控制應(yīng)用兼容。
展望未來
這款智能驅(qū)動控制系統(tǒng)原型的成功交付清晰地展現(xiàn)了FPGA在工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場總線和電機控制領(lǐng)域的發(fā)展?jié)摿?。雖然要開發(fā)出功能齊全的產(chǎn)品還有一些工作要做，但賽靈思設(shè)計服務(wù)部已為客戶量身定制了一款目標(biāo)設(shè)計平臺，并通過性能增強，打造出了一款能夠顯著降低最終工程產(chǎn)品的開發(fā)工作量與風(fēng)險的定制解決方案。下一步賽靈思設(shè)計服務(wù)部將考慮擴展該目標(biāo)設(shè)計平臺，以支持Profinet IP核和協(xié)議棧，向客戶展現(xiàn)賽靈思設(shè)計服務(wù)部采用的模塊方案和設(shè)計實踐的效果。
作者：Kasper Feurer
賽靈思（愛爾蘭）嵌入式系統(tǒng)工程師
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