降低工業(yè)應用的總體擁有成本

　　摘要：大約三分之一的嵌入式設計人員考慮在嵌入式應用中采用FPGA，他們認為在設計中使用FPGA過(guò)于昂貴。但是，從系統級了解總體擁有成本(TCO) (由產(chǎn)品生命周期中的開(kāi)發(fā)、改進(jìn)、替換和維護成本來(lái)衡量)，您會(huì )發(fā)現FPGA是分立微控制器(MCU)/數字信號處理器(DSP)/ASSP產(chǎn)品靈活的競爭方案。

　　引言

　　工業(yè)自動(dòng)化和過(guò)程控制生產(chǎn)商一直面臨持續的全球競爭和經(jīng)濟壓力，商業(yè)模式和利潤不斷受到威脅，不得不應對成本挑戰，包括：

　　● 利潤和研發(fā)投入;
　　● 產(chǎn)品及時(shí)面市壓力以適應經(jīng)濟狀況的變化;
　　● 高效使用有限的資源以更新和替換現有產(chǎn)品，或者發(fā)布新產(chǎn)品;
　　● 管理產(chǎn)品生命周期。

　　本文使用一個(gè)設計實(shí)例來(lái)幫助包括系統、硬件和軟件工程師在內的設計人員理解怎樣利用Altera Cyclone^®和MAX^® 10 FPGA來(lái)降低總體擁有成本(TCO)，它由系統生命周期內的開(kāi)發(fā)、改進(jìn)、替換和維護成本來(lái)衡量。如圖1所示，較低的TCO直接提高了毛利潤，從而減緩了當今大部分設計團隊所面臨的壓力。

　　FPGA降低了TCO

　　為闡述Altera Cyclone和MAX 10 FPGA是怎樣降低TCO的，本文使用驅動(dòng)控制應用程序(圖2)作為一個(gè)實(shí)例，用于解決用戶(hù)可能面臨的工業(yè)設計難題。MCU和DSP是目前這種運動(dòng)/驅動(dòng)控制體系結構的基礎，同時(shí)FPGA體系結構發(fā)展很快。MCU/DSP體系結構有很好的用戶(hù)基礎，其成熟的體系結構、開(kāi)發(fā)工具以及運動(dòng)控制算法主要用于單軸驅動(dòng)應用中。驅動(dòng)系統越來(lái)越復雜，驅動(dòng)控制軸數量也越來(lái)越多，產(chǎn)品功能在增加，MCU/DSP體系結構在性能上很快便不能滿(mǎn)足要求，無(wú)法靈活地應對市場(chǎng)需求的變化。隨著(zhù)系統性能的提高，設計人員只能提高M(jìn)CU/DSP頻率，優(yōu)化某一點(diǎn)的軟件算法。

　　為解決這一問(wèn)題，設計人員使用多個(gè)DSP器件，結合DSP和MCU器件，或者同時(shí)使用MCU/DSP器件以及FPGA來(lái)劃分其設計的性能和功能。雖然MCU/DSP體系結構能夠在一定程度上重新使用代碼，但是，重新使用經(jīng)過(guò)高度優(yōu)化的代碼會(huì )付出很大的勞動(dòng)，很難進(jìn)行劃分并將其應用到新器件中。

　　過(guò)渡到工業(yè)以太網(wǎng)

　　工業(yè)網(wǎng)絡(luò )過(guò)渡到基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )，通常需要將驅動(dòng)系統連接至這些工廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò )。而MCU和一些較新的數字信號處理器能夠支持(標準)具有軟件開(kāi)銷(xiāo)的以太網(wǎng)TCP/IP，這種組合會(huì )有問(wèn)題，原因如下：

　　● 大部分MCU帶寬不足，大部分數字信號處理器不能在處理工業(yè)以太網(wǎng)和現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議的同時(shí)完成驅動(dòng)控制。

　　● MCU在其PWM輸出上進(jìn)行精確運動(dòng)控制的能力有限。

　　● 很多DSP器件無(wú)法滿(mǎn)足TCP/IP堆棧要求，因為其體系結構缺少支持TCP/IP所需要的字對齊功能。

　　這些難題意味著(zhù)設計人員不得不使用更多的MCU、ASSP或者FPGA器件以連接目前的產(chǎn)品和工業(yè)網(wǎng)絡(luò )。

　　縮短產(chǎn)品面市時(shí)間

　　使用一個(gè)或者多個(gè)MCU或者DSP器件實(shí)現驅動(dòng)控制功能，考慮額外的網(wǎng)絡(luò )和安全要求，這都會(huì )將開(kāi)發(fā)時(shí)間延長(cháng)18到24個(gè)月。額外的時(shí)間意味著(zhù)提高了研發(fā)成本，有可能降低收益和利潤。當電路板上增加額外的元器件時(shí)，也會(huì )增大產(chǎn)品的BOM成本。

　　使用現有軟件

　　軟件工程師可以把他們的MCU/DSP經(jīng)驗應用到可編程嵌入式CPU上，例如，Altera的雙核ARM Cortex^®-A9 MPCore™，Nios II嵌入式處理器，ARM Cortex-M1和Freescale的ColdFire V1內核，這些都可以與Altera FPGA一起使用。

　　當今電子產(chǎn)品的功能要比10年前強大得多，而且更加靈活和復雜，包括使用處理器、操作系統和應用軟件所實(shí)現的功能。很多產(chǎn)品已經(jīng)發(fā)展到軟件設計上的投入時(shí)間要比硬件設計多出很多人工年。這表明，考慮到產(chǎn)品更新，選擇的處理器如果不支持與當今系統相同的操作系統，會(huì )需要進(jìn)行大量的軟件導出工作，導致工程在器件選擇和靈活性上受到很大限制。