嵌入式控制和監測應用的趨勢：可重配置 I/O(RIO) 架構

多年來(lái)，嵌入式系統設計人員一直都在使用FPGA（現場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列）配合微處理器(MPU)及微控制器(MCU)進(jìn)行系統開(kāi)發(fā)。FPGA已經(jīng)廣泛應用于擴展MPU I/O的功能，以及作為各種子系統和通信端口的連接接口。隨著(zhù)FPGA容量的增加，嵌入式系統中越來(lái)越多地使用FPGA與MCU和MPU配合，從而大幅提高系統的整體靈活性和性能，遠勝于單獨使用MCU或MPU。在許多高科技工業(yè)領(lǐng)域，MPU和FPGA配合用于嵌入式系統已經(jīng)非常常見(jiàn)，而在未來(lái)，我們將更多地看到這種FPGA與MCU和MPU協(xié)同工作的架構被應用于高級控制和監測系統的設計中。

一直以來(lái),在高級控制和監測系統中，人們總是要求系統有更高的處理能力。目前，我們通常采用專(zhuān)用的DSP來(lái)處理計算強度大的控制算法或信號處理算法，分擔微控制器的工作。 另外一種常見(jiàn)的架構是采用多個(gè)微控制器進(jìn)行分布式處理。在超大型的運動(dòng)控制系統或高通道數的動(dòng)態(tài)監測系統中，每個(gè)軸或每個(gè)通道中就配有一個(gè)微處理器。實(shí)踐證明，目前FPGA已經(jīng)成為理想的減負處理器，相較DSP和分布式微處理器而言，更加靈活。

除了MPU和FPGA以外，高級的控制和監測系統還需要專(zhuān)用的I/O來(lái)作為傳感器、執行器或者是特定應用的通信總線(xiàn)和網(wǎng)絡(luò )的接口。將各種專(zhuān)用的I/O子系統直接連接到FPGA上，可提供最高的靈活性和最佳的系統性能。MPU、FPGA和專(zhuān)用I/O相結合構成了用于高級控制和監測系統的最佳架構——可重配置I/O(RIO)架構。

科學(xué)家和工程師已使用RIO架構（如圖1所示）來(lái)設計各種行業(yè)或應用中需要的嵌入式系統，包括醫學(xué)成像、可再生能源、結構監測、配電系統、工業(yè)機器控制和原子物理研究等。通過(guò)RIO架構，設計團隊可開(kāi)發(fā)具有獨特功能以及超高性能的創(chuàng )新型系統。舉例來(lái)說(shuō)，Kitasato大學(xué)的Kohji Ohbayashi博士和他的團隊設計了世界上的第一套實(shí)時(shí)3D光學(xué)相干斷層(OCT)醫學(xué)成像系統，此系統每秒可進(jìn)行700 000次512點(diǎn)快速傅里葉變換(FFT)。另外，Windlift公司的Matt Bennett也正在使用RIO架構開(kāi)發(fā)12kW 便攜式空中風(fēng)能發(fā)電系統，該系統需要強大的控制功能和極大的靈活性來(lái)滿(mǎn)足該新興技術(shù)中不斷變化的需求。

針對高級控制和監測系統的RIO架構
RIO系統架構中的FPGA為高級控制和監測系統提供了多種優(yōu)勢。首先，FPGA可以在各個(gè)方面提高M(jìn)PU的性能，例如數字信號處理、高級控制算法、自定義接口、定時(shí)、觸發(fā)等。與傳統的專(zhuān)用集成電路(ASIC)及離散數字設計相比，FPGA的這些功能為整個(gè)系統帶來(lái)了更大的靈活性和可維護性。由于所有專(zhuān)用I/O都是通過(guò)FPGA來(lái)進(jìn)行布線(xiàn)的，因此可在任一，或所有I/O通道上執行數字信號處理。嵌入式設計人員可利用可用IP來(lái)執行一些常見(jiàn)的處理功能，例如濾波、平均、抽取、頻譜分析和重采樣，或在FPGA芯片中設計完全自定義的數據處理。由于控制IP可用，且可在FPGA中開(kāi)發(fā)自定義控制算法，因而設計人員也可在FPGA中執行數字控制算法。借助RIO架構，設計人員可在FPGA中完成整個(gè)控制環(huán)路-輸入、控制算法和輸出，實(shí)現高速循環(huán)、高確定性和超低延遲。

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