智能驅動器以及許多汽車和ISM廠商正面臨著滿足新的市場需求和不斷發展的標準要求所帶來的重重挑戰。在現代工業和汽車應用中，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。在當今工廠里，電機驅動型設備占總耗電量的三分之二，因此開發能效更高的系統勢在必行。由于在許多情況下驅動器只是大規模工藝的一個組件，因此互操作性也是一項關鍵的設計要求。而影響這種要求的關鍵因素是工業網絡協議的寬度（即現場總線）和相關器件特性，因為它們用來標準化驅動器在網絡中的表達?，F場總線（比如CAN和 Profibus）自身千差萬別，雖然都屬于現場總線，但是實際上并不具有互換性。為了降低成本和改善工業控制器之間的通信，現場總線提供商已經開發出了基于以太網的工業網絡解決方案和數種新的協議，比如EtherCAT和Profinet等。除此之外，EtherNET I/P也在近年來開始大行其道。不過，這些都是自成體系的技術，迫使制造商不得不支持所有的提供商。
賽靈思設計服務部(XDS)已經為ISM領域的一家主要廠商開發出了一款基于FPGA、支持CANopen和EtherCAT接口的電機控制平臺原型來解決這些問題。賽靈思設計服務部的工作是設計并實現一個功能齊備的模塊化系統，以便在客戶的新一代智能驅動器中重用。通過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，提供先進的電機控制算法和工業網絡支持，實現了一款高效、可擴展的設計方案。
選擇FPGA的原因
客戶現有的基于微控制器的解決方案不能提供客戶最迫切需要的：一種可擴展平臺?；赟partan-6 FPGA的智能驅動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，在降低成本的同時還能避免過時。該平臺可以進行多年的升級，以滿足最新工業網絡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，因此可以根據客戶的特定要求對單個基礎電機控制系統進行定制，從而輕松地與現有工業網絡集成。簡言之，Spartan-6 FPGA能夠滿足工業領域所有的嚴格要求。
賽靈思目標設計平臺提供了一套開箱即用的高健碩性、高集成度、業經測試的元件，對就像我們的客戶這樣的FPGA系統設計新手來說，是一個理想的起點。您可以通過向基礎平臺添加領域專用和市場專用平臺解決方案，讓最終設計在更大程度上實現自動化。這些目標參考設計演示了真實世界FPGA實現的構想，讓客戶集成精力進行最終產品差異化特性的設計與開發，從而縮短學習時間。
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)提供的工業網絡IP核。這樣不僅目標系統所有的基礎構建塊一開始就可以到位，而且我們無需定制FPGA開發板就可以進行原型開發，從而讓客戶以最低的成本驗證該新平臺的可行性。為了進一步加快產品上市進程，減少初次FPGA系統設計的風險，客戶要求我們不僅要交付原型，還要為在其新一代智能驅動器中使用FPGA提供支持。
最終，客戶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部精選的最佳實踐方式的基礎上，更快地掌握了基于FPGA的設計，而管理人員則縮短了產品交付時間，并降低了業務風險。
智能驅動控制系統原型
賽靈思設計服務部的產品組合覆蓋了整個FPGA設計開發周期，從規范創建到編碼、驗證、時序收斂和系統集成。集多年嵌入式處理器系統和軟件應用設計經驗之大成，加上集成第三方IP核的能力、優秀的項目管理實踐和全面認證的ISO9001開發流程，賽靈思設計服務部能夠在客戶的產品開發周期早期交付智能驅動控制系統原型。在此基礎上開發出的定制目標設計平臺能夠讓客戶的工程師熟知FPGA設計流程，在新一代產品中優化該技術的功能。
該智能驅動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)負責運行智能驅動器，實時連接至工業網絡。為實現該原型，我們使用兩個基于PC的PLC來處理該系統支持的兩個工業網絡標準：用于控制器區域網絡的 miControl mPLC和用于EtherCAT工業以太網現場總線系統的 TwinCAT。PLC負責生成預定義的命令信息（例如啟動和停止），通過分析收到的響應（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器的類型（CAN或EtherCAT），工業網絡或為串行總線，或為標準的100Mb以太網接口。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的雙線串行接口，或為用于EtherCAT的標準RJ45 100Base-TX以太網連接。
電機控制PCB板一般是智能驅動器中眾多PCB板之一，專門用于根據來自PLC的命令對電機進行控制。該電機控制PCB板可以讓FPGA充分發揮其靈活性。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可以用專用網絡和電機控制IP模塊和控制軟件重新編程，以滿足客戶的特定需要。采用這種方式，一塊FPGA PCB板就可以實現多塊ASIC板才能實現的功能。同時，它還提供了可以根據最新標準更新IP核的機制，實現面向未來的智能驅動器。
該電機控制板的設計無需從頭開始，賽靈思設計服務部采用目標設計平臺概念，通過把賽靈思Spartan-6 SP605評估套件、NetMot FMC板和工業網絡和電機控制IP核結合在一起，集成了客戶想要的所有元件，這樣在客戶完成新PCB板之前就交付了這款概念驗證原型。圖2顯示了如何把各個組件結合在一起，實現原型開發平臺。最終，客戶的集成工作大為簡化，無需對最終設計進行重新工程設計，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，在業經驗證的設計實現中集成了一個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發板的另一個關鍵元件是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發板。
SP605的這種特性使我們能夠使用 QDeSys NetMot FMC（www.qdesys.com）的功能來擴展這個基本平臺。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還通過添加兩個CAN接口和兩個以太網物理層接口，擴展了SP605的工業網絡連接功能。它們通過FMC接插件和PLC，通過標準接口訪問FPGA。
測試用PC機一方面用作PLC軟件的主機，另一方面通過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開發MicroBlaze嵌入式處理器系統。該嵌入式系統負責處理來自PLC的命令并相應地對電機進行控制。
圖2所示的MicroBlaze軟件應用、網絡和電機控制IP模塊代表隨接口（EtherCAT 或 CATopne）和選擇的電機類型會發生變化的設計模塊。賽靈思設計服務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化，從而保證客戶能夠在將來把相同的方法重復用于諸如Profinet更先進的工業網絡類型以及新型電機中。
實現細則
讓我們來詳細查看Spartan-6嵌入式系統的各個組成部分。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)在兩個設計版本中是完全相同的。這個定制IP核可以直接插在賽靈思嵌入式開發套件(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，并對其進行配置，使之適用于通過FMC接插件連接到FPGA的電機。XMCLIB軟件驅動程序是一套底層功能，使電機控制應用能夠訪問XMCLIB寄存器接口。
圖 3：CAN/EtherCAT嵌入式系統
圖3中文字：
另一方面，網絡IP核也是兩個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控制器區域網絡，該網絡隨同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開發的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單明了。在本案例中，我們沒有使用簡單的驅動程序來提供對網絡IP核的訪問，我們使用了Port公司提供的CANopen和EtherCAT協議棧解決方案。該解決方案提供了功能齊全的開箱即用型協議實施方案。
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時功能，并提供多任務、消息隊列和信號量等功能。
我們還意識到，應該讓應用的結構能夠適用于多種不同的網絡接口。為此，我們設計了一個接口抽象層，可以讓我們封裝通信和軟件的電機控制組件。
在這個接口的一側（圖 4），我們實現了一個網絡模塊（Port公司的CANopen或EtherCAT），用以管理系統中可用網絡IP核的通信。這些模塊可以無縫地插入我們的接口抽象層上。在這些協議棧的頂層，我們把通信和控制數據（比如 PDO、SDO和NMT狀態交易）傳輸到抽象層中，然后抽象層將數據進行轉譯并以諸如啟動/停止、以特定速率旋轉或旋轉到特定位置之類的命令提交給電機控制應用。
圖4：接口抽象層
圖4中文字：
為了為接口抽象層確定一組通用信息和命令，我們研究了工業網絡領域現有的專著，研讀了IEC 61800-7標準。對現有的現場總線技術，有幾種用于標準化與驅動設備通信的方案（比如 CANopen 使用的 CiA-402、Profinet 使用的 PROFIdrive）。IEC 68000-7標準提出了驅動器的通用表達，并計劃提供這種通用表達與現有驅動器特性之間的一組映射。
IEC 68000-7標準提出的概念為我們開發接口抽象層奠定了基礎，使我們能夠對系統的網絡組件進行封裝。我們因此可以更改系統中的網絡接口，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
這款智能驅動控制系統原型的成功交付清晰地展現了FPGA在工業以太網網絡、現場總線和電機控制領域的發展潛力。雖然要開發出功能齊全的產品還有一些工作要做，但賽靈思設計服務部已為客戶量身定制了一款目標設計平臺，并通過性能增強，打造出了一款能夠顯著降低最終工程產品的開發工作量與風險的定制解決方案。下一步賽靈思設計服務部將考慮擴展該目標設計平臺，以支持Profinet IP核和協議棧，向客戶展現賽靈思設計服務部采用的模塊方案和設計實踐的效果。
作者：Kasper Feurer
賽靈思（愛爾蘭）嵌入式系統工程師
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