利用Spartan-6設計智能驅動(dòng)控制系統

智能驅動(dòng)器以及許多汽車(chē)和ISM廠(chǎng)商正面臨著(zhù)滿(mǎn)足新的市場(chǎng)需求和不斷發(fā)展的標準要求所帶來(lái)的重重挑戰。在現代工業(yè)和汽車(chē)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(chǎng)里，電機驅動(dòng)型設備占總耗電量的三分之二，因此開(kāi)發(fā)能效更高的系統勢在必行。由于在許多情況下驅動(dòng)器只是大規模工藝的一個(gè)組件，因此互操作性也是一項關(guān)鍵的設計要求。而影響這種要求的關(guān)鍵因素是工業(yè)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的寬度（即現場(chǎng)總線(xiàn)）和相關(guān)器件特性，因為它們用來(lái)標準化驅動(dòng)器在網(wǎng)絡(luò )中的表達?，F場(chǎng)總線(xiàn)（比如CAN和 Profibus）自身千差萬(wàn)別，雖然都屬于現場(chǎng)總線(xiàn)，但是實(shí)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，現場(chǎng)總線(xiàn)提供商已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了基于以太網(wǎng)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò )解決方案和數種新的協(xié)議，比如EtherCAT和Profinet等。除此之外，EtherNET I/P也在近年來(lái)開(kāi)始大行其道。不過(guò)，這些都是自成體系的技術(shù)，迫使制造商不得不支持所有的提供商。

賽靈思設計服務(wù)部(XDS)已經(jīng)為ISM領(lǐng)域的一家主要廠(chǎng)商開(kāi)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(lái)解決這些問(wèn)題。賽靈思設計服務(wù)部的工作是設計并實(shí)現一個(gè)功能齊備的模塊化系統，以便在客戶(hù)的新一代智能驅動(dòng)器中重用。通過(guò)在模塊化系統架構中集成賽靈思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(jìn)的電機控制算法和工業(yè)網(wǎng)絡(luò )支持，實(shí)現了一款高效、可擴展的設計方案。

選擇FPGA的原因

客戶(hù)現有的基于微控制器的解決方案不能提供客戶(hù)最迫切需要的：一種可擴展平臺?；赟partan-6 FPGA的智能驅動(dòng)控制系統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(shí)還能避免過(guò)時(shí)。該平臺可以進(jìn)行多年的升級，以滿(mǎn)足最新工業(yè)網(wǎng)絡(luò )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，因此可以根據客戶(hù)的特定要求對單個(gè)基礎電機控制系統進(jìn)行定制，從而輕松地與現有工業(yè)網(wǎng)絡(luò )集成。簡(jiǎn)言之，Spartan-6 FPGA能夠滿(mǎn)足工業(yè)領(lǐng)域所有的嚴格要求。

賽靈思目標設計平臺提供了一套開(kāi)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(hù)這樣的FPGA系統設計新手來(lái)說(shuō)，是一個(gè)理想的起點(diǎn)。您可以通過(guò)向基礎平臺添加領(lǐng)域專(zhuān)用和市場(chǎng)專(zhuān)用平臺解決方案，讓最終設計在更大程度上實(shí)現自動(dòng)化。這些目標參考設計演示了真實(shí)世界FPGA實(shí)現的構想，讓客戶(hù)集成精力進(jìn)行最終產(chǎn)品差異化特性的設計與開(kāi)發(fā)，從而縮短學(xué)習時(shí)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(luò )IP核。這樣不僅目標系統所有的基礎構建塊一開(kāi)始就可以到位，而且我們無(wú)需定制FPGA開(kāi)發(fā)板就可以進(jìn)行原型開(kāi)發(fā)，從而讓客戶(hù)以最低的成本驗證該新平臺的可行性。為了進(jìn)一步加快產(chǎn)品上市進(jìn)程，減少初次FPGA系統設計的風(fēng)險，客戶(hù)要求我們不僅要交付原型，還要為在其新一代智能驅動(dòng)器中使用FPGA提供支持。

最終，客戶(hù)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(wù)部精選的最佳實(shí)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(shí)間，并降低了業(yè)務(wù)風(fēng)險。

智能驅動(dòng)控制系統原型

賽靈思設計服務(wù)部的產(chǎn)品組合覆蓋了整個(gè)FPGA設計開(kāi)發(fā)周期，從規范創(chuàng )建到編碼、驗證、時(shí)序收斂和系統集成。集多年嵌入式處理器系統和軟件應用設計經(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(shí)踐和全面認證的ISO9001開(kāi)發(fā)流程，賽靈思設計服務(wù)部能夠在客戶(hù)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期早期交付智能驅動(dòng)控制系統原型。在此基礎上開(kāi)發(fā)出的定制目標設計平臺能夠讓客戶(hù)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(shù)的功能。

該智能驅動(dòng)控制系統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)負責運行智能驅動(dòng)器，實(shí)時(shí)連接至工業(yè)網(wǎng)絡(luò )。為實(shí)現該原型，我們使用兩個(gè)基于PC的PLC來(lái)處理該系統支持的兩個(gè)工業(yè)網(wǎng)絡(luò )標準：用于控制器區域網(wǎng)絡(luò )的 miControl mPLC和用于EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)現場(chǎng)總線(xiàn)系統的 TwinCAT。PLC負責生成預定義的命令信息（例如啟動(dòng)和停止），通過(guò)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PLC 的組合以及智能驅動(dòng)器的類(lèi)型（CAN或EtherCAT），工業(yè)網(wǎng)絡(luò )或為串行總線(xiàn)，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(xiàn)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板一般是智能驅動(dòng)器中眾多PCB板之一，專(zhuān)門(mén)用于根據來(lái)自PLC的命令對電機進(jìn)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(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )和電機控制IP模塊和控制軟件重新編程，以滿(mǎn)足客戶(hù)的特定需要。采用這種方式，一塊FPGA PCB板就可以實(shí)現多塊ASIC板才能實(shí)現的功能。同時(shí)，它還提供了可以根據最新標準更新IP核的機制，實(shí)現面向未來(lái)的智能驅動(dòng)器。

該電機控制板的設計無(wú)需從頭開(kāi)始，賽靈思設計服務(wù)部采用目標設計平臺概念，通過(guò)把賽靈思Spartan-6 SP605評估套件、NetMot FMC板和工業(yè)網(wǎng)絡(luò )和電機控制IP核結合在一起，集成了客戶(hù)想要的所有元件，這樣在客戶(hù)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(gè)組件結合在一起，實(shí)現原型開(kāi)發(fā)平臺。最終，客戶(hù)的集成工作大為簡(jiǎn)化，無(wú)需對最終設計進(jìn)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(shí)現中集成了一個(gè)Spartan-6 LX45T和許多常用外設，比如DDR3 RAM、程序/比特流存儲用閃存、調試用UART以及 FPGA編程用JTAG。SP605及所有最新賽靈思開(kāi)發(fā)板的另一個(gè)關(guān)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(kāi)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(lái)擴展這個(gè)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據的模數轉換器(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(guò)添加兩個(gè)CAN接口和兩個(gè)以太網(wǎng)物理層接口，擴展了SP605的工業(yè)網(wǎng)絡(luò )連接功能。它們通過(guò)FMC接插件和PLC，通過(guò)標準接口訪(fǎng)問(wèn)FPGA。

測試用PC機一方面用作PLC軟件的主機，另一方面通過(guò)UART和JTAG接口，用作FPGA編程/調試平臺。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(kāi)發(fā)MicroBlaze嵌入式處理器系統。該嵌入式系統負責處理來(lái)自PLC的命令并相應地對電機進(jìn)行控制。

圖2所示的MicroBlaze軟件應用、網(wǎng)絡(luò )和電機控制IP模塊代表隨接口（EtherCAT 或 CATopne）和選擇的電機類(lèi)型會(huì )發(fā)生變化的設計模塊。賽靈思設計服務(wù)部面臨的主要挑戰之一是要確保這些選項之間的切換盡量簡(jiǎn)化，從而保證客戶(hù)能夠在將來(lái)把相同的方法重復用于諸如Profinet更先進(jìn)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò )類(lèi)型以及新型電機中。

實(shí)現細則

讓我們來(lái)詳細查看Spartan-6嵌入式系統的各個(gè)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(gè)設計版本中是完全相同的。這個(gè)定制IP核可以直接插在賽靈思嵌入式開(kāi)發(fā)套件(SDK)上，讓FPGA控制NetMot FMC的電機電力電子系統。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(jìn)行配置，使之適用于通過(guò)FMC接插件連接到FPGA的電機。XMCLIB軟件驅動(dòng)程序是一套底層功能，使電機控制應用能夠訪(fǎng)問(wèn)XMCLIB寄存器接口。

圖 3：CAN/EtherCAT嵌入式系統

圖3中文字：

另一方面，網(wǎng)絡(luò )IP核也是兩個(gè)系統版本的不同之處。對于CAN版設計，我們選擇標準的 LogiCORETM IP XPS控制器區域網(wǎng)絡(luò )，該網(wǎng)絡(luò )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(kāi)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(jiǎn)單明了。在本案例中，我們沒(méi)有使用簡(jiǎn)單的驅動(dòng)程序來(lái)提供對網(wǎng)絡(luò )IP核的訪(fǎng)問(wèn)，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(kāi)箱即用型協(xié)議實(shí)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處理器系統的 Micrium（www.micrium.com）μC/OS-II上運行。μC/OS-II是一種嵌入式操作系統，可增強原型系統的實(shí)時(shí)功能，并提供多任務(wù)、消息隊列和信號量等功能。

我們還意識到，應該讓?xiě)玫慕Y構能夠適用于多種不同的網(wǎng)絡(luò )接口。為此，我們設計了一個(gè)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(gè)接口的一側（圖 4），我們實(shí)現了一個(gè)網(wǎng)絡(luò )模塊（Port公司的CANopen或EtherCAT），用以管理系統中可用網(wǎng)絡(luò )IP核的通信。這些模塊可以無(wú)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據（比如 PDO、SDO和NMT狀態(tài)交易）傳輸到抽象層中，然后抽象層將數據進(jìn)行轉譯并以諸如啟動(dòng)/停止、以特定速率旋轉或旋轉到特定位置之類(lèi)的命令提交給電機控制應用。

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(luò )領(lǐng)域現有的專(zhuān)著(zhù)，研讀了IEC 61800-7標準。對現有的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，有幾種用于標準化與驅動(dòng)設備通信的方案（比如 CANopen 使用的 CiA-402、Profinet 使用的 PROFIdrive）。IEC 68000-7標準提出了驅動(dòng)器的通用表達，并計劃提供這種通用表達與現有驅動(dòng)器特性之間的一組映射。

IEC 68000-7標準提出的概念為我們開(kāi)發(fā)接口抽象層奠定了基礎，使我們能夠對系統的網(wǎng)絡(luò )組件進(jìn)行封裝。我們因此可以更改系統中的網(wǎng)絡(luò )接口，而這只需要對軟件稍加定制修改，就可以讓其與現有的電機控制應用兼容。

展望未來(lái)

這款智能驅動(dòng)控制系統原型的成功交付清晰地展現了FPGA在工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )、現場(chǎng)總線(xiàn)和電機控制領(lǐng)域的發(fā)展潛力。雖然要開(kāi)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(wù)部已為客戶(hù)量身定制了一款目標設計平臺，并通過(guò)性能增強，打造出了一款能夠顯著(zhù)降低最終工程產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)工作量與風(fēng)險的定制解決方案。下一步賽靈思設計服務(wù)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(hù)展現賽靈思設計服務(wù)部采用的模塊方案和設計實(shí)踐的效果。