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)展的標準要求所帶來的重重挑戰(zhàn),。在現(xiàn)代工業(yè)和汽車應用中,，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,。在當今工廠里,，電機驅(qū)動型設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鍵的設計要求。而影響這種要求的關鍵因素是工業(yè)網(wǎng)絡協(xié)議的寬度（即現(xiàn)場總線）和相關器件特性,，因為它們用來標準化驅(qū)動器在網(wǎng)絡中的表達?，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，迫使制造商不得不支持所有的提供商,。
賽靈思設計服務部(XDS)已經(jīng)為ISM領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。賽靈思設計服務部的工作是設計并實現(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評估套件基礎目標設計平臺以及第三方IP核，提供先進的電機控制算法和工業(yè)網(wǎng)絡支持,，實現(xiàn)了一款高效,、可擴展的設計方案。
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)絡標準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)絡集成,。簡言之,，Spartan-6 FPGA能夠滿足工業(yè)領域所有的嚴格要求。
賽靈思目標設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)設計新手來說,，是一個理想的起點,。您可以通過向基礎平臺添加領域?qū)Ｓ煤褪袌鰧Ｓ闷脚_解決方案，讓最終設計在更大程度上實現(xiàn)自動化,。這些目標參考設計演示了真實世界FPGA實現(xiàn)的構(gòu)想,，讓客戶集成精力進行最終產(chǎn)品差異化特性的設計與開發(fā)，從而縮短學習時間,。
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IP核,。這樣不僅目標系統(tǒng)所有的基礎構(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)設計的風險,，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,。工程師在賽靈思設計服務部精選的最佳實踐方式的基礎上，更快地掌握了基于FPGA的設計,，而管理人員則縮短了產(chǎn)品交付時間,，并降低了業(yè)務風險。
智能驅(qū)動控制系統(tǒng)原型
賽靈思設計服務部的產(chǎn)品組合覆蓋了整個FPGA設計開發(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)和軟件應用設計經(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證的ISO9001開發(fā)流程，賽靈思設計服務部能夠在客戶的產(chǎn)品開發(fā)周期早期交付智能驅(qū)動控制系統(tǒng)原型,。在此基礎上開發(fā)出的定制目標設計平臺能夠讓客戶的工程師熟知FPGA設計流程,，在新一代產(chǎn)品中優(yōu)化該技術的功能。
該智能驅(qū)動控制系統(tǒng)原型的主要組件的詳細情況,，請參看圖1,。
可編程邏輯控制器(PLC)負責運行智能驅(qū)動器，實時連接至工業(yè)網(wǎng)絡,。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)絡標準：用于控制器區(qū)域網(wǎng)絡的 miControl mPLC和用于EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線系統(tǒng)的 TwinCAT。PLC負責生成預定義的命令信息（例如啟動和停止）,，通過分析收到的響應（當前速度,、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)絡或為串行總線，或為標準的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的標準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)最新標準更新IP核的機制,，實現(xiàn)面向未來的智能驅(qū)動器,。
該電機控制板的設計無需從頭開始，賽靈思設計服務部采用目標設計平臺概念，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,，無需對最終設計進行重新工程設計，就能夠探求最佳的設計選擇,。
圖2：基于Spartan-6 FPGA的電機控制板原型
圖2中文字：
SP605基礎目標設計平臺是一種通用FPGA平臺,，在業(yè)經(jīng)驗證的設計實現(xiàn)中集成了一個Spartan-6 LX45T和許多常用外設，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)板的另一個關鍵元件是FPGA夾層卡(FMC)接插件,，它可以讓設計人員使用定制的功能和接口擴展基礎開發(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)絡連接功能,。它們通過FMC接插件和PLC,，通過標準接口訪問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)負責處理來自PLC的命令并相應地對電機進行控制,。
圖2所示的MicroBlaze軟件應用,、網(wǎng)絡和電機控制IP模塊代表隨接口（EtherCAT 或 CATopne）和選擇的電機類型會發(fā)生變化的設計模塊。賽靈思設計服務部面臨的主要挑戰(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用于諸如Profinet更先進的工業(yè)網(wǎng)絡類型以及新型電機中,。
實現(xiàn)細則
讓我們來詳細查看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IP核也是兩個系統(tǒng)版本的不同之處,。對于CAN版設計,，我們選擇標準的 LogiCORETM IP XPS控制器區(qū)域網(wǎng)絡，該網(wǎng)絡隨同ISE 12.1設計套件提供,，并由博世公司許可,。對于EtherCAT版設計，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目錄標簽上都有提供,，使設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,，我們設計出了一種定制嵌入式軟件應用，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,、消息隊列和信號量等功能,。
我們還意識到，應該讓應用的結(jié)構(gòu)能夠適用于多種不同的網(wǎng)絡接口,。為此,，我們設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)絡模塊（Port公司的CANopen或EtherCAT），用以管理系統(tǒng)中可用網(wǎng)絡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)絡領域現(xiàn)有的專著,，研讀了IEC 61800-7標準。對現(xiàn)有的現(xiàn)場總線技術,，有幾種用于標準化與驅(qū)動設備通信的方案（比如 CANopen 使用的 CiA-402,、Profinet 使用的 PROFIdrive）。IEC 68000-7標準提出了驅(qū)動器的通用表達,，并計劃提供這種通用表達與現(xiàn)有驅(qū)動器特性之間的一組映射,。
IEC 68000-7標準提出的概念為我們開發(fā)接口抽象層奠定了基礎，使我們能夠?qū)ο到y(tǒng)的網(wǎng)絡組件進行封裝,。我們因此可以更改系統(tǒng)中的網(wǎng)絡接口,，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,、現(xiàn)場總線和電機控制領域的發(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,，但賽靈思設計服務部已為客戶量身定制了一款目標設計平臺,，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)工作量與風險的定制解決方案,。下一步賽靈思設計服務部將考慮擴展該目標設計平臺,，以支持Profinet IP核和協(xié)議棧，向客戶展現(xiàn)賽靈思設計服務部采用的模塊方案和設計實踐的效果,。
作者：Kasper Feurer
賽靈思（愛爾蘭）嵌入式系統(tǒng)工程師
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