智能驅(qū)動(dòng)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(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)器只是大規(guī)模工藝的一個(gè)組件,，因此互操作性也是一項(xiàng)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)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?yàn)樗鼈冇脕順?biāo)準(zhǔn)化驅(qū)動(dòng)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(shí)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(jì)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(jī)控制平臺原型來解決這些問題。賽靈思設(shè)計(jì)服務(wù)部的工作是設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)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(dòng)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(jì)平臺以及第三方 IP 核，提供先進(jìn)的電機(jī)控制算法和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)支持,，實(shí)現(xiàn)了一款高效,、可擴(kuò)展的設(shè)計(jì)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(kuò)展平臺,?；赟partan-6 FPGA 的智能驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)在單芯片上集成了所有必要的可擴(kuò)展性、邏輯和計(jì)算功能,，在降低成本的同時(shí)還能避免過時(shí),。該平臺可以進(jìn)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(jī)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(gè)基礎(chǔ)電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)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(jì)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(jì)新手來說,，是一個(gè)理想的起點(diǎn),。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(jì)在更大程度上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,。這些目標(biāo)參考設(shè)計(jì)演示了真實(shí)世界 FPGA 實(shí)現(xiàn)的構(gòu)想,，讓客戶集成精力進(jìn)行最終產(chǎn)品差異化特性的設(shè)計(jì)與開發(fā)，從而縮短學(xué)習(xí)時(shí)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(jìn)行原型開發(fā)，從而讓客戶以最低的成本驗(yàn)證該新平臺的可行性,。為了進(jìn)一步加快產(chǎn)品上市進(jìn)程,，減少初次 FPGA 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)，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(dòng)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(jì)服務(wù)部精選的最佳實(shí)踐方式的基礎(chǔ)上，更快地掌握了基于 FPGA 的設(shè)計(jì),，而管理人員則縮短了產(chǎn)品交付時(shí)間,，并降低了業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)。

　　智能驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)原型

　　賽靈思設(shè)計(jì)服務(wù)部的產(chǎn)品組合覆蓋了整個(gè) FPGA 設(shè)計(jì)開發(fā)周期,，從規(guī)范創(chuàng)建到編碼,、驗(yàn)證、時(shí)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(jì)經(jīng)驗(yàn)之大成,，加上集成第三方 IP 核的能力、優(yōu)秀的項(xiàng)目管理實(shí)踐和全面認(rèn)證的 ISO9001 開發(fā)流程,，賽靈思設(shè)計(jì)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(dòng)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(jì)平臺能夠讓客戶的工程師熟知 FPGA 設(shè)計(jì)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(dòng)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(yùn)行智能驅(qū)動(dòng)器，實(shí)時(shí)連接至工業(yè)網(wǎng)絡(luò),。為實(shí)現(xiàn)該原型,，我們使用兩個(gè)基于 PC 的 PLC 來處理該系統(tǒng)支持的兩個(gè)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(dòng)和停止）,，通過分析收到的響應(yīng)（當(dāng)前速度,、溫度、電壓等）驗(yàn)證電機(jī)的運(yùn)行是否正常,。

　　根據(jù) PLC 的組合以及智能驅(qū)動(dòng)器的類型（CAN 或 EtherCAT）,，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)或?yàn)榇锌偩€，或?yàn)闃?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(jī)之間均使用直接連接，或?yàn)橛糜?CAN 的雙線串行接口,，或?yàn)橛糜?EtherCAT 的標(biāo)準(zhǔn) RJ45 100Base-TX 以太網(wǎng)連接,。

　　電機(jī)控制 PCB 板一般是智能驅(qū)動(dòng)器中眾多 PCB 板之一，專門用于根據(jù)來自 PLC 的命令對電機(jī)進(jìn)行控制,。該電機(jī)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(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn)多塊 ASIC 板才能實(shí)現(xiàn)的功能,。同時(shí)，它還提供了可以根據(jù)最新標(biāo)準(zhǔn)更新 IP核的機(jī)制,，實(shí)現(xiàn)面向未來的智能驅(qū)動(dòng)器,。

　　該電機(jī)控制板的設(shè)計(jì)無需從頭開始，賽靈思設(shè)計(jì)服務(wù)部采用目標(biāo)設(shè)計(jì)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(jī)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(yàn)證原型,。圖 2 顯示了如何把各個(gè)組件結(jié)合在一起，實(shí)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(jì)進(jìn)行重新工程設(shè)計(jì)，就能夠探求最佳的設(shè)計(jì)選擇,。

　　圖 2：基于 Spartan-6 FPGA 的電機(jī)控制板原型

　　圖2 中文字：

　　SP605 基礎(chǔ)目標(biāo)設(shè)計(jì)平臺是一種通用 FPGA 平臺,，在業(yè)經(jīng)驗(yàn)證的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中集成了一個(gè) Spartan-6 LX45T 和許多常用外設(shè)，比如 DDR3 RAM,、程序/比特流存儲(chǔ)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(gè)關(guān)鍵元件是 FPGA 夾層卡 (FMC) 接插件,，它可以讓設(shè)計(jì)人員使用定制的功能和接口擴(kuò)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(kuò)展這個(gè)基本平臺。QDeSys NetMot FMC 具有電機(jī)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(jī)直接與圖 2 所示的輸入/輸出端相連,。NetMot FMC 還通過添加兩個(gè) CAN 接口和兩個(gè)以太網(wǎng)物理層接口，擴(kuò)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(jī)一方面用作 PLC 軟件的主機(jī),，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(jī)上用賽靈思 ISE®12.1 設(shè)計(jì)套件為 SP605的 LX45T PFGA 開發(fā) MicroBlazeTM 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(jī)進(jìn)行控制。

　　圖 2 所示的 MicroBlaze 軟件應(yīng)用,、網(wǎng)絡(luò)和電機(jī)控制 IP 模塊代表隨接口（EtherCAT 或 CATopne）和選擇的電機(jī)類型會(huì)發(fā)生變化的設(shè)計(jì)模塊,。賽靈思設(shè)計(jì)服務(wù)部面臨的主要挑戰(zhàn)之一是要確保這些選項(xiàng)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(jìn)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)類型以及新型電機(jī)中,。

　　實(shí)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(gè)組成部分,。如圖 3 所示,，我們使用的電機(jī)控制 IP 模塊——賽靈思電機(jī)控制庫 (XMCLIB) 在兩個(gè)設(shè)計(jì)版本中是完全相同的,。這個(gè)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(jī)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(xiàng)目的嵌入式設(shè)計(jì)中,，并對其進(jìn)行配置，使之適用于通過 FMC 接插件連接到 FPGA 的電機(jī),。XMCLIB 軟件驅(qū)動(dòng)程序是一套底層功能,，使電機(jī)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)

　　另一方面，網(wǎng)絡(luò) IP 核也是兩個(gè)系統(tǒng)版本的不同之處,。對于 CAN 版設(shè)計(jì),，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(jì)套件提供,，并由博世公司許可,。對于 EtherCAT 版設(shè)計(jì)，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 (www.beckhoff.com),。兩種 IP 核在 XPS 工具的 IP 目錄標(biāo)簽上都有提供,，使設(shè)計(jì)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(dòng)程序來提供對網(wǎng)絡(luò) IP 核的訪問,，我們使用了Port 公司 (www.port.de) 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(shí)施方案,。

　　最終,，我們設(shè)計(jì)出了一種定制嵌入式軟件應(yīng)用，可以在運(yùn)行于 MicroBlaze 處理器系統(tǒng)的 Micrium（www.micrium.com）μC/OS-II 上運(yùn)行,。μC/OS-II 是一種嵌入式操作系統(tǒng),，可增強(qiáng)原型系統(tǒng)的實(shí)時(shí)功能，并提供多任務(wù),、消息隊(duì)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(jì)了一個(gè)接口抽象層，可以讓我們封裝通信和軟件的電機(jī)控制組件,。

　　在這個(gè)接口的一側(cè)（圖 4）,，我們實(shí)現(xiàn)了一個(gè)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(jìn)行轉(zhuǎn)譯并以諸如啟動(dòng)/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(jī)控制應(yīng)用,。

　　圖 4：接口抽象層

　　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(dòng)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(dòng)器的通用表達(dá),，并計(jì)劃提供這種通用表達(dá)與現(xiàn)有驅(qū)動(dòng)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(jìn)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(jī)控制應(yīng)用兼容,。

　　展望未來

　　這款智能驅(qū)動(dòng)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(jī)控制領(lǐng)域的發(fā)展?jié)摿Αｋm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(jì)服務(wù)部已為客戶量身定制了一款目標(biāo)設(shè)計(jì)平臺,，并通過性能增強(qiáng)，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(xiǎn)的定制解決方案,。下一步賽靈思設(shè)計(jì)服務(wù)部將考慮擴(kuò)展該目標(biāo)設(shè)計(jì)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(jì)服務(wù)部采用的模塊方案和設(shè)計(jì)實(shí)踐的效果,。