工業(yè)驅動(dòng)控制SoC與MCU+FPGA架構淺析

作者/ Brian Fortman TI公司

摘要：本文分析了將一個(gè)FPGA引入到驅動(dòng)架構時(shí)所面臨的挑戰，以及這些架構的發(fā)展歷史和工業(yè)驅動(dòng)控制SoC(COTS MCU)的新功能如何改變在工業(yè)驅動(dòng)中使用FPGA的成本效益模式。

　　很多工業(yè)用逆變器和伺服驅動(dòng)器廠(chǎng)商一直依賴(lài)現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)或ASIC技術(shù)來(lái)實(shí)現例如32位微控制器(MCU)等商用及現存(COTS)產(chǎn)品無(wú)法支持的功能。然而，為了支持位置傳感器反饋或Σ-Δ濾波，將FPGA和ASIC添加到軟件可編程控制器中往往會(huì )增加系統的成本和復雜度。因此，我們不禁會(huì )問(wèn)：被放置在FPGA中的功能真的能夠為驅動(dòng)產(chǎn)品帶來(lái)差異性嗎?用戶(hù)是否有必要為FPGA中的功能支付額外的費用，以及包含這些功能是否已經(jīng)成為每個(gè)驅動(dòng)廠(chǎng)商的標準常規?換句話(huà)說(shuō)，它們是否僅僅是工業(yè)驅動(dòng)行業(yè)中的一個(gè)籌碼?

FPGA存在的弊端

　　雖然FPGA支持可重新編程，并且被認為有可能提供系統適應性和更佳的系統性能，但是相對于目前MCU為工業(yè)驅動(dòng)應用帶來(lái)的新機遇，FPGA也有一些弊端。開(kāi)發(fā)人員應該在所需專(zhuān)業(yè)工程技能、總體項目工作量以及系統總成本的影響之間做出權衡。

　　很多驅動(dòng)系統在開(kāi)發(fā)中都保留了一個(gè)COTS可編程微控制器或配備FPGA的微處理器。這個(gè)處理器的C語(yǔ)言代碼生成和調試開(kāi)發(fā)環(huán)境是眾所周知且必須的。目前，將一個(gè)FPGA引入到系統中需要一個(gè)額外的開(kāi)發(fā)流程和一整套工具。盡管這些工具在易用性方面取得了一些進(jìn)步，通常情況下，開(kāi)發(fā)MCU C語(yǔ)言代碼以及FPGA VHDL代碼的并不是同一名工程技術(shù)人員。VHDL編碼風(fēng)格和開(kāi)發(fā)流程與MCU軟件開(kāi)發(fā)大相徑庭，并且需要專(zhuān)門(mén)的工程設計資源。此外，FPGA開(kāi)發(fā)人員還必須成為針對他們所執行硬件IP的低級和系統級專(zhuān)家。例如，他們不但需要知道如何為一個(gè)BiSS主控實(shí)現VHDL，還需要掌握BiSS協(xié)議，這是因為他們需要驗證設計的FPGA實(shí)現方式符合BiSS傳感器的要求。這個(gè)專(zhuān)業(yè)化的工程設計技能組合也許并不是每一個(gè)運動(dòng)控制或逆變器廠(chǎng)商都能夠為其員工提供的，而且它也必然會(huì )為實(shí)現運動(dòng)和電機控制性能等差別化特性帶來(lái)額外的工作量。那么，只使用一個(gè)本身就支持BiSS編碼器的微控制器是不是相對更簡(jiǎn)單一些呢?

　　從開(kāi)發(fā)角度來(lái)看，產(chǎn)品經(jīng)理實(shí)際上需要將FPGA的生成視為一個(gè)定制開(kāi)發(fā)。對于通過(guò)FPGA為市場(chǎng)提供的產(chǎn)品特性，他們的開(kāi)發(fā)團隊擁有額外的所有權，同時(shí)要承擔更大的責任。如果VHDL的編碼不正確，他們不能求助于FPGA供應商，只能自己查找問(wèn)題的根源，同時(shí)尋求補救所需的資源。當把這種情況與使用COTS MCU的模式相比較時(shí)，與FPGA開(kāi)發(fā)相關(guān)的定制責任遠遠超過(guò)了在FPGA設計的邏輯門(mén)。印刷電路板 (PCB)、MCU邏輯門(mén)級接口和寄存器接口、軟件抽象與總體系統集成工作全都是非標準的，也就是說(shuō)，全都不是現成可用的解決方案(如圖1)。除了開(kāi)發(fā)，這個(gè)模式會(huì )隨著(zhù)全新對接組件的推出或修改而在用戶(hù)支持、產(chǎn)品維護更新和長(cháng)期合規方面增加額外的工程設計復雜性。所以，使用一個(gè)具有這些特性的標準MCU，并且讓供應商對整個(gè)產(chǎn)品解決方案的硬件、軟件、工具與設計負責，使問(wèn)題變得更簡(jiǎn)單。

　　接下來(lái)，最明顯的一點(diǎn)可能就是額外組件對于物料清單的影響。FPGA成本不僅會(huì )影響單價(jià)，FPGA器件將需要額外的PCB面積以及用于MCU對接和電源的引腳。這些成本在使用FPGA時(shí)是無(wú)法避免的。不過(guò)，當這些功能已經(jīng)存在于驅動(dòng)SoC MCU之上時(shí)，也就不需要這些成本開(kāi)銷(xiāo)了。通過(guò)數個(gè)實(shí)例的比較，我們發(fā)現，與驅動(dòng)SoC器件相比，使用FPGA需要額外且更加復雜的電源電路。此外，執行FPGA會(huì )在系統中引入沒(méi)有必要的邏輯門(mén)，比如連接MCU的寄存器接口以及連接實(shí)現相位電流和電壓感測的外部模數轉換器(ADC)接口。一個(gè)SoC驅動(dòng)包括一個(gè)針對驅動(dòng)應用的高性能ADC，并且不需要這個(gè)額外的邏輯電路。所以，相對于基于FPGA架構的MCU，使用單個(gè)COTS驅動(dòng)SoC可以有更多機會(huì )減少總體系統成本。

COTS MCU解決方案

　　那么，FPGA是如何成為逆變器驅動(dòng)架構中的常見(jiàn)作法的呢?當使用COTS MCU無(wú)法實(shí)現全新的系統功能時(shí)，很多開(kāi)發(fā)人員必須執行他們特定的PWM/IGBT保護機制，比如在MCU以外進(jìn)行處理。另外一些開(kāi)發(fā)人員可能覺(jué)得他們當前的定時(shí)回路太短，無(wú)法由一個(gè)可編程MCU進(jìn)行處理，必須在邏輯門(mén)內完成。一旦在系統中使用了FPGA，它自然而然地就成為了集成對持續發(fā)展市場(chǎng)中全新技術(shù)支持的器件。例如，FPGA集成了順時(shí)針/逆時(shí)針(CW/CCW)和脈沖串輸出(PTO)端口，以實(shí)現與PLC和運動(dòng)控制器的通信。接下來(lái)，FPGA開(kāi)始支持新出現的標準以及諸如EnDat和BiSS等專(zhuān)有位置傳感器。進(jìn)而，針對隔離式Σ-Δ ADC中已調制輸出的濾波電路也被集成在FPGA器件內。此外，有少數幾個(gè)工業(yè)以太網(wǎng)標準的MAC控制器也支持FPGA邏輯門(mén)。

　　雖然某些驅動(dòng)功能的擴展正在變成FPGA的一部分，但也出現了一個(gè)有趣的新情況。一些COTS控制器開(kāi)始在片上提供這些功能，并且能夠為任何驅動(dòng)開(kāi)發(fā)人員創(chuàng )造出現成可用的功能。這里面的差異是很顯著(zhù)的：片上功能可以立即提供給開(kāi)發(fā)人員，換言之，只要購買(mǎi)產(chǎn)品組合中的一個(gè)MCU，就無(wú)需通過(guò)FPGA來(lái)自己構建這些解決方案。正因如此，開(kāi)發(fā)人員現在可以避免以上提及的大多數弊端。

　　具有DesignDRIVE技術(shù)的C2000TM MCU就是一款COTS MCU，能夠提供這個(gè)更高級別的驅動(dòng)系統集成。整個(gè)產(chǎn)品的設計目的在于通過(guò)降低對專(zhuān)門(mén)工程設計人才的需要、節省開(kāi)發(fā)時(shí)間以及簡(jiǎn)化系統成本，幫助驅動(dòng)開(kāi)發(fā)人員從中受益。

　　目前，C2000 DelfinoTM MCU工業(yè)驅動(dòng)片上系統(SoC)能夠處理以下任務(wù)，而這些任務(wù)之前一直在FPGA中完成，例如，快速轉矩環(huán)路計算、Σ-Δ ADC信號過(guò)濾、高性能PWM、PWM保護以及與高性能位置傳感器的對接。Delfino MCU產(chǎn)品組合能夠實(shí)現低于3微秒的浮點(diǎn)轉矩環(huán)路計算，并且包含高度靈活的150ps高分辨率PWM。這個(gè)CLA實(shí)時(shí)協(xié)處理器負責處理這些算法，以最大限度地減少采樣與下一個(gè)PWM命令之間的間隔。此外，片上還有多達8通道的集成Σ-Δ濾波器，同時(shí)，在同一條通道上還具有平行范圍比較器。片上比較器子系統和PWM區間功能可以在50ns內調用至安全的PWM狀態(tài)(例如關(guān)閉)。Delfino MCU在為觸發(fā)區間事件而生成片上條件時(shí)非常靈活。很多不同類(lèi)型的PWM保護概念可以使用這些片上資源實(shí)現，并且因此也就無(wú)需將電路放置在外部的FPGA中。驅動(dòng)系統概覽如圖2。

　　此外，這款全新的Delfino TMS320F28379S和TMS320F28379D MCU以及DesignDRIVE位置管理器技術(shù)是Delfino MCU系列的最新成員。通過(guò)將DesignDRIVE位置管理器軟件與全新的Delfino F28379 MCU組合在一起，上述所提到的片上功能得到了擴展，用于實(shí)現與EnDat2.2和BiSS-C絕對位置傳感器的輕松、直接連接，這都是之前需要FPGA才能實(shí)現的功能。不僅如此，通過(guò)使用某些精密片上模擬電路，同樣是這些器件，它們能夠解碼解算器信號以及來(lái)自SIN/COS換能器的角度。

　　這款解決方案能夠提供寬泛的位置傳感器支持、靈活性、可擴展性和穩健耐用性，幫助開(kāi)發(fā)人員通過(guò)減少FPGA或ASIC電路板面積來(lái)降低系統成本。

　　C2000 DesignDRIVE技術(shù)為工業(yè)驅動(dòng)提供了片上解決方案，集成在COTS實(shí)時(shí)MCU內部。DesignDRIVE解決方案簡(jiǎn)化了系統、節省了電路板空間和開(kāi)發(fā)工作量，這使得開(kāi)發(fā)人員不用在業(yè)內非差別化特性方面做出沒(méi)有必要的投入。反之，開(kāi)發(fā)人員可以將注意力放在產(chǎn)品差別化以及核心競爭力方面，比如說(shuō)電機控制和運動(dòng)控制，無(wú)需搭建FPGA或編寫(xiě)那些完成非差別化任務(wù)所需的復雜代碼。

　　本文來(lái)源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第10期第31頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。