萊迪思(Lattice)半導體繼2018年推出面向低功耗網(wǎng)絡(luò)邊緣AI的sensAI,，2020年公布面向低功耗嵌入式視覺和面向網(wǎng)絡(luò)保護恢復(fù)可信根的mVision 1.0與Sentry 1.0,，及其后續(xù)升級版本mVision 2.0和Sentry 2.0后,，日前，面向智能工業(yè)系統(tǒng)的Automate解決方案集合也正式面世,。
Automate帶來了什么？
與sensAI,、mVision和Sentry解決方案的架構(gòu)類似,，Automate的底層硬件平臺基于Certus-NX馬達控制開發(fā)板和基于MachXO3D的硬件安全開發(fā)板，在此之上是一系列IP核(Ether-Connect,、CNN處理單元,、PDM數(shù)據(jù)采集器)、軟件工具(RADIANT,、DIAMOND,、Propel、RISC-V+硬件協(xié)處理),、參考設(shè)計與演示和定制設(shè)計服務(wù),，共同構(gòu)成了完整的Automate方案。
作為低功耗通用FPGA,，Certus-NX擁有行業(yè)領(lǐng)先的小尺寸封裝的I/O數(shù)量和高速接口——封裝尺寸小至6x6mm的同時,，每平方毫米的IO密度最高為同類FPGA的兩倍；1.5 Gbps差分I/O比同類FPGA最高快70%,，此外還支持5Gbps PCIe,、1.25Gbps SGMII(GigE)和1066Mbps DDR3存儲器接口。得益于28nm FD-SOI工藝,，與同類FPGA相比,，萊迪思Nexus技術(shù)平臺的功耗可降低多達4倍，軟錯誤率(SER)降低最高100倍,。
在參考設(shè)計與演示層,，Automate包含了多軸馬達控制、預(yù)測性維護,、實時工業(yè)網(wǎng)絡(luò),、硬件安全等多個方面的內(nèi)容，便于快速開發(fā)常見的工業(yè)應(yīng)用：
l 可擴展的馬達控制方案——加速開發(fā)實現(xiàn)靈活的馬達控制系統(tǒng),，包括用于系統(tǒng)監(jiān)控和控制的基于GUI的用戶界面工具,。
l 預(yù)測性維護——通過監(jiān)測系統(tǒng)中的多個馬達，最小化停機時間,。
l 嵌入式實時網(wǎng)絡(luò)——使用萊迪思Nexus FPGA作為中央控制器,，為各種設(shè)備實現(xiàn)可擴展的傳感和控制系統(tǒng)。
l 網(wǎng)絡(luò)保護恢復(fù)——實現(xiàn)硬件可信根,，實時檢測,、保護基于固件的攻擊并從中恢復(fù)。
l 易于使用的軟件設(shè)計方法——Automate支持萊迪思Propel?,，使用嵌入式RISC-V處理器,，通過軟件和硬件協(xié)處理簡化工業(yè)自動化系統(tǒng)的開發(fā),。
軟件方面的更新與之前的方案類似。除了支持易于使用的萊迪思Radiant和Diamond設(shè)計工具,，Automate還通過萊迪思Propel設(shè)計環(huán)境支持RISC-V軟核CPU的使用,。該基于圖形用戶界面(GUI)的最新設(shè)計工具可以使用拖放的方式快速布置和配置基于RISC-V處理器的設(shè)計。最新版本的Propel設(shè)計工具支持Automate所包含的全新工業(yè)IP核(Ether-Connect,、CNN處理單元和PDM數(shù)據(jù)采集器),。
除了可以通過拖拽簡化系統(tǒng)構(gòu)建外，開發(fā)者還可以在萊迪思RISC-V CPU內(nèi)核上掛載所需要的功能IP模塊,，再經(jīng)由可視化連線構(gòu)建系統(tǒng),，并通過C代碼編輯器編輯可執(zhí)行的C代碼，從而簡化了開發(fā)流程,。從而一舉降低了對FPGA專業(yè)背景知識的需求,，開發(fā)者即使沒有相關(guān)專業(yè)背景，也能夠進行方案開發(fā),。
Automate應(yīng)用實例
市場調(diào)研機構(gòu)Fortune Business Insights的數(shù)據(jù)顯示,，截至2027年，全球工業(yè)自動化市場規(guī)模預(yù)計將達到3261.4億美元,。而Allied Market Research的報告則指出,，2020-2027年，全球機器人市場規(guī)模將以13.5%的復(fù)合年均增長率快速增加,。因此,，Automate的應(yīng)用重點將集中于馬達控制、可預(yù)測性維護,、實時網(wǎng)絡(luò)互連,、功能安全和網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)保護五大領(lǐng)域，以滿足下一代工業(yè)自動化系統(tǒng)對低功耗,、低延遲,、精確可預(yù)測性、高穩(wěn)定性,、接口靈活等關(guān)鍵特性的需求。
l 可拓展多軸馬達控制方案
工業(yè)場景下通常會部署很多電動馬達,。合適的控制系統(tǒng)能夠顯著提升這些馬達的效率和運行生命周期,，但是這樣的控制系統(tǒng)往往要求對馬達的電壓和電流波形進行高速和精確的采樣處理。FPGA則非常適合這項任務(wù),，與微控制器相比,，它們處理的馬達數(shù)量至少可以翻倍，能提供比微控制器更高的性能,，同時功耗極低,。
在下圖展示的Lattice FPGA可拓展多軸馬達控制方案中,，F(xiàn)PGA負責收集馬達的反饋信息，并通過產(chǎn)生PWM波對馬達進行控制,。由于FPGA器件響應(yīng)速度快,，靈活性高，具備更好的定位,、精度,、效率和精確控制等特點，因此不但可以支持各類型馬達,，還可實現(xiàn)更好的閉環(huán)控制,。相比MCU，Lattice FPGA可控制的馬達數(shù)量是MCU的2倍,，功耗最低可達7mW,，遠小于MCU的100mW。
l 具備AI功能的可預(yù)測性維護
在維護馬達之類的設(shè)備時,，傳統(tǒng)的方法有被動或主動維護,。被動維護一般是機器持續(xù)運行直至出現(xiàn)故障，然后派遣人員診斷并解決問題,；主動維護本質(zhì)上是在機器損壞之前進行修復(fù),，這固然值得稱贊，但也很耗時且價格昂貴,。相比之下,，預(yù)測性維使用人工智能和機器學習來監(jiān)視機器的運行情況，從而掌握機器動態(tài)趨勢和異常狀況,，并在機器停止工作之前為維護團隊提供 “警示”,。有趣的是，僅通過監(jiān)測馬達的電壓和電流值即可實現(xiàn)預(yù)測性維護,，無需任何其他傳感器(熱,、振動、音頻傳感器等),。
因此,，結(jié)合sensAI方案，Automate中也引入了具備AI功能的可預(yù)測性維護,。簡單而言,，就是通過波形好/壞、信號穩(wěn)定性高/低等信息,，用以判斷馬達是否處于穩(wěn)定,、亞穩(wěn)或是不穩(wěn)定的狀態(tài)，有助于對馬達性能的下降做出提前警示,。延續(xù)馬達的使用場景是該方案的另一大特點,。傳統(tǒng)應(yīng)用中,，不可預(yù)測性維護需要固定的時間進行檢測，確認沒有問題后再重新使用,，但通過引入可預(yù)測性的AI功能,，包括人為干預(yù)在內(nèi)的宕機時間將得以大幅縮減。
l 通過Ether-Connect實現(xiàn)嵌入式實時感測和控制
Ether-Connect嵌入式實時感測和控制系統(tǒng)是最新開發(fā)的功能,，通過器件和方案來縮小微秒級以下的器件間同步協(xié)作的差異,，從而更好地控制多個馬達同時運作的同步性。以Ether-Connect IP為例,，它可以利用器件的低功耗來達到實時網(wǎng)絡(luò)互連,，同時用集中式主控制器來管理多個BLDC馬達。具體的支持數(shù)量,，取決于整個系統(tǒng)的最低刷新率,，目前可以實現(xiàn)16個控制板的串聯(lián)，甚至更長,。
除了支持EtherConnect私有協(xié)議外,，該方案還支持EtherCAT等其他工業(yè)標準協(xié)議，萊迪思聯(lián)合瑞薩電子及中電港推出的高性能EtherCAT伺服驅(qū)動解決方案最具代表性,。此方案采用Renesas MPU+Lattice FPGA雙芯片架構(gòu),，支持EtherCAT總線技術(shù)和多軸應(yīng)用，具備以下三方面的核心優(yōu)勢：
優(yōu)勢一：FPGA控制電流環(huán),，高性能,，高精度
在傳統(tǒng)方案中，由于位置環(huán)和速度控制環(huán)的算法復(fù)雜,，計算緩慢且電流環(huán)控制需要實時快速更新,，很難在單個處理器芯片里兼顧這兩類不同的算法。而Renesas MPU+Lattice FPGA采用的雙芯片架構(gòu),，能將電流環(huán)控制放在FPGA里進行硬件加速,，大幅降低延時，讓電流環(huán)更快速,，提高精確度,。不僅如此，F(xiàn)PGA還可分擔處理器的工作,，進而提升整體性能,。
采用FPGA硬件電流環(huán)以及EtherCAT總線架構(gòu)的多軸伺服系統(tǒng)，實現(xiàn)真正意義上的多軸實時同步
優(yōu)勢二：以更優(yōu)成本實現(xiàn)單/多軸應(yīng)用
與市面常見的SoC和DSP方案相比,，F(xiàn)PGA在實現(xiàn)多軸同步控制、電流環(huán)控制,、PWM控制和輸出等方面更具優(yōu)勢,，能夠以最優(yōu)成本實現(xiàn)多軸控制,。例如DSP通常只支持單軸電機系統(tǒng)，如果要實現(xiàn)雙/多軸電機系統(tǒng),，需要外加芯片,；SoC可以實現(xiàn)1-6軸，但成本較高,。Lattice FPGA可靈活搭配不同型號,，可實現(xiàn)1-6軸電機控制，成本上更具優(yōu)勢,；
伺服方案對比：RZ/T1+Lattice FPGA vs SoC vs DSP
優(yōu)勢三：靈活搭配不同配置
Renesas RZ/T1系列芯片兼容全系列管腳,，可根據(jù)不同功能/主頻靈活選擇不同型號。
l 硬件安全參考設(shè)計
Automate主要是利用XO3D的芯片特性實現(xiàn)硬件級別的保護,，從而在啟動前,、啟動期間和正常運動時進行固件保護。同時,，還能夠?qū)碳M行驗證,、監(jiān)測和保護，一旦發(fā)現(xiàn)固件受到攻擊,，可迅速恢復(fù)至初始狀態(tài),。
MachXO3D是可實現(xiàn)硬件可信根的安全FPGA，使用硬件可信根和雙引導特性強化安全控制應(yīng)用,，新增的不可更改的嵌入式安全模塊可提供硬件可信根和預(yù)驗證加密功能,，例如ECDSA、ECIES,、AES,、SHA、HMAC,、TRNG,、唯一安全ID和公鑰/私鑰生成，強化了控制功能,。同時,，Lattice將用戶閃存升級到了2700kbit，且提供商業(yè)級,、工業(yè)級及符合AEC-Q100的汽車級產(chǎn)品,。
結(jié)語：
Automate解決方案集合貫徹了Lattice持續(xù)打造“基于應(yīng)用的解決方案棧(solution stack)”的產(chǎn)品布局思路，囊括了嵌入式系統(tǒng)設(shè)計人員加速開發(fā)工業(yè)自動化應(yīng)用所需的全部資源,，核心目標是通過軟件工具,、工業(yè)IP核、模塊化硬件開發(fā)板和軟件可編程參考設(shè)計和演示，為工業(yè)自動化系統(tǒng)的設(shè)計人員提供評估,、開發(fā)和部署基于FPGA的可編程工業(yè)自動化應(yīng)用所需的各種工具,，加速工廠自動化產(chǎn)品開發(fā)進程。
實際上值得注意的是,，萊迪思Automate解決方案集合并不局限于傳統(tǒng)的工廠應(yīng)用,，它還廣泛適用于各種部署環(huán)境和任務(wù)，包括倉庫自動化和智能建筑監(jiān)測,、管理和控制,。
