三大電機控制方案之FPGA篇：Actel Fusion

　　當前電機控制的發(fā)展越來(lái)越趨于多樣化、復雜化，現場(chǎng)也提出越來(lái)越苛刻的性能要求。因此客戶(hù)有可能考慮自己開(kāi)發(fā)專(zhuān)用的控制芯片，FPGA的可編程性正是可以滿(mǎn)足這種需求。上期講解了三大電機控制方案之MCU篇，這期來(lái)看看FPGA。

　　對于電機控制提出的不同要求，FPGA芯片固有的可編程性和并行處理的特點(diǎn)十分適合于中高端的電機控制應用。由于它以純硬件的方式進(jìn)行并行處理，而且不占用CPU的資源，所以可以使系統達到很高的性能。

　　在電機控制的市場(chǎng)上，眾多專(zhuān)注于FPGA技術(shù)的廠(chǎng)商接連推出了各具特色的解決方案，本系列將會(huì )為大家介紹這些廠(chǎng)商以及它們在電機控制領(lǐng)域的代表產(chǎn)品。首先，是身為FPGA三大巨頭之一的Actel 公司。

　　Actel Fusion系列器件

　　Actel Fusion系列器件是業(yè)界首款也是唯一具有模擬功能的Flash架構的FPGA，融合了FPGA數字內核、A/D轉換器、Flash存儲器、模擬的I /0、RTC等數字和模擬器件。Fusion器件內部具有2～8 Mbit不等的用戶(hù)可用Flash存儲器和30通道、最高12位精度、最高600 Ks/s采樣率的A/D轉換器，片內100 MHz的RC振蕩器與PLL(鎖相環(huán))一起共同為FPGA提供時(shí)鐘，以節省外部時(shí)鐘的開(kāi)銷(xiāo)。這些特點(diǎn)極大地提高了該系列FPGA器件的功能，簡(jiǎn)化了系統設計，大幅度減少了電路板面積和系統總成本。當Fusion系列FPGA器件結合8051，CortexMl，ARM7等軟件MCU核時(shí)，還可以實(shí)現真正的 SoC系統。Actel Fusion系列器件的眾多特點(diǎn)，使其在電機控制的領(lǐng)域得到了廣泛的應用，由它延伸出來(lái)的Smartfusion 數?；旌闲酒?，十分適合高復雜度電機控制的應用。

　　產(chǎn)品一覽

　　Actel Fusion的特點(diǎn)

　　單芯片

　　以 Flash 為基礎的 FPGA 將配置信息儲存在片上 Flash 單元中，一旦完成編程后，配置數據就會(huì )成為 FPGA 結構的固有部分，在系統上電時(shí)并無(wú)需載入外部配置數據。以 Flash 為基礎的 Fusion 融合 FPGA 無(wú)需額外的系統元件，如傳統 SRAM FPGA 配置用的串行非揮發(fā)性?xún)却?(EEPROM) 或以 Flash 為基礎的微控制器，它們都是用來(lái)在每次上電時(shí)對傳統 SRAM FPGA 加載程序的。增加的融合功能可在電路板上省去多個(gè)附加元件，如 Flash 內存、分立模擬 IC 、時(shí)鐘源、EEPROM ，以及實(shí)時(shí)時(shí)鐘等，從而減低系統成本和電路板空間需求。

　　低功率

　　Fusion 器件具有類(lèi)似于 ASIC 的功率特性，因而適用于電池供電產(chǎn)品和其它對功耗敏感的應用。使用Fusion 器件時(shí)，并不會(huì )出現加電浪涌電流和大電流轉換，而這是許多 SRAM FPGA 器件所面對的問(wèn)題。Fusion 器件還具有低靜態(tài)和動(dòng)態(tài)功耗，能實(shí)現最多的功率節省。這些器件支持睡眠和待機模式運作，可大幅降低功耗。Fusion 器件的另一個(gè)獨特性能是在非活動(dòng)期間于正常時(shí)鐘速度和低時(shí)鐘運作速度之間進(jìn)行動(dòng)態(tài)轉換，并在需要時(shí)轉為全速運作。

　　上電即行

　　以 Flash 為基礎的Fusion 器件具有上電即行 (LAPU) 特性，一旦施加正常運作規格內的系統功率，Fusion 器件即可工作。這種上電即行特性能夠大幅簡(jiǎn)化整體系統設計，并往往可以省去系統中復雜的可編程邏輯器件 (CPLD) 。

　　安全性

　　Fusion 器件包含了 Microsemi FlashLock? 功能，提供可重編程性和設計安全性的獨特組合，且無(wú)外部元件費用。這些優(yōu)點(diǎn)只有通過(guò)帶非揮發(fā)性 Flash 內存的 FPGA 才能實(shí)現。Fusion 器件具有基于 Flash 的 128 位安全保護機制和業(yè)界領(lǐng)先的片上 AES 解碼內核，用于保護經(jīng)編程的 IP 和配置數據。 128 位 AES 是政府機構認可速度更快、安全性更高的加密算法，可以替代 DES 。目前，Fusion 器件具有最完備的可編程邏輯安全解決方案。以 AES 加密技術(shù)為基礎的Fusion 器件可讓設計人員安全地完成系統設計和 Flash 內容的遠程更新 (通過(guò)公共網(wǎng)絡(luò )如互聯(lián)網(wǎng)等)，確保具價(jià)值的 IP 不會(huì )遭受系統過(guò)建、復制和 IP 盜竊等問(wèn)題所侵害。雖然編寫(xiě)在Fusion 器件中的 FPGA 設計不能讀回，但可對其進(jìn)行安全的設計驗證操作。Fusion 器件采用了許多器件設計和布局工藝技術(shù)，使到入侵攻擊難以得逞。例如，Fusion 器件的 Flash 單元都位于 7 層金屬層之下，因而極難實(shí)現反向工程。

　　固件錯誤

　　固件錯誤是高層大氣中產(chǎn)生的高能中子撞擊 SRAM FPGA 配置數據存儲單元所導致的錯誤。撞擊產(chǎn)生的能量會(huì )改變 SRAM FPGA 配置數據存儲單元的狀態(tài)，從而改變其邏輯、路由或 I/O ，而這種改變是無(wú)法預測和控制的。這類(lèi)錯誤在 SRAM FPGA 中不可能避免，因而導致其時(shí)間延續故障 (FIT) 率值達數千。這類(lèi)錯誤可能導致整個(gè)系統失效，引起重大的技術(shù)支持和產(chǎn)品可靠性問(wèn)題。融合 FPGA 的配置元素 (即 Flash 存儲單元) 便不會(huì )被高能中子改變，因此具有中子引發(fā)的固件錯誤免疫力。

　　融合技術(shù)及其優(yōu)勢

　　單芯片提供所有功能

　　直至融合技術(shù)問(wèn)世前，系統設計人員被迫采用成本高、占位空間多的分立模擬組件和可編程邏輯或混合信號 ASIC 方案來(lái)執行一般的系統。固定的架構及其它技術(shù)障礙都阻止各個(gè)組件集成到一個(gè)低成本的單芯片中，以滿(mǎn)足所有設計需求。

　　外部高電壓接口

　　Fusion 器件具有真正的外部高電壓接口;擁有多達 30 個(gè)耐高壓模擬輸入，可與 -12V 到 +12V 的信號直接連接，因此無(wú)需信號預調節電路?；谌诤霞夹g(shù)的模數轉換器 ADC 可以配置，并支持高達 12 位的信號采樣率，采樣速度達 600 ksps 。Fusion 器件還具備額外的功能，包括多個(gè)差分輸入電流監控功能塊，每個(gè)均內置放大器，能增加靈敏度和效率。Fusion 器件還集成了溫度監控電路，只需外接二極管便可遠程監控多項溫度。Fusion 器件具有多達 10 個(gè)大電流驅動(dòng)輸出，最適用于 MOSFET 控制和/或脈沖寬度調制 (PWM) 功能，如直接風(fēng)扇控制。