如何降低工业应用的总体拥有成本

FPGA

降低工业应用的总体拥有成本

大约三分之一的嵌入式设计人员考虑在嵌入式应用中采用FPGA，只是认为在设计中使
用FPGA 过于昂贵。但是，从系统级了解总体拥有成本(TCO) ( 由产品生命周期中的开
发、改进、替换和维护成本来衡量)，您会发现Altera FPGA 是分立MCU/DSP/ASSP 产
品灵活的竞争方案。

引言

工业自动化和过程控制生产商一直面临持续的全球竞争和经济压力，商业模式和利润
不断受到威胁，不得不应对成本挑战，包括：
■ 利润和研发投入
■ 产品及时面市压力以适应经济状况的变化
■ 高效使用有限的资源以更新和替换现有产品，或者发布新产品。
■ 管理产品生命周期

本白皮书使用一个设计实例来帮助包括系统、硬件和软件工程师在内的设计人员理解
怎样利用Altera ® Cyclone ®系列FPGA 降低总体拥有成本(TCO)，它由系统生命周期的
开发、改进、替换和维护成本来衡量。如图1 所示，较低的TCO 直接提高了毛利润，
从而减缓了当今大部分设计团队所面临的压力。

图1. 有利于降低TCO 的一些构建模块

FPGA 降低了TCO

为阐述Altera Cyclone 系列FPGA 是怎样降低TCO 的，本白皮书使用驱动控制应用程
序( 图2) 作为一个实例，解决用户可能面临的工业设计难题。典型的驱动体系结构包
括运行算法的控制模块，以产生位置和速度设置点，关闭控制反馈环。控制模块向驱
动控制器发送这些设置点，将其转换为电信号( 电流或者电压)，驱动一个或者多个电
机和致动器，产生扭矩，移动反相器或者伺服驱动系统中的负载和机械组件。编码器
和霍耳效应器件等反馈传感器将电机/ 致动器的位置或者速度信息提供给运动控制器，
关闭信号环。

微控制器单元(MCU) 和数字信号处理器(DSP) 是目前这种运动/ 驱动控制体系结构的
基础，而FPGA 体系结构发展很快。MCU/DSP 体系结构有很好的用户基础，其成熟的体
系结构、开发工具以及运动控制算法主要用于单轴驱动应用中。驱动系统越来越复杂，
驱动控制轴数量也越来越多，产品功能在增加，MCU/DSP 体系结构在性能上很快便不能
满足要求，无法灵活的应对市场需求的变化。随着系统性能的提高，设计人员只能提
高MCU/DSP 频率，优化某一点的软件算法。

为解决这一问题，设计人员使用多个DSP 器件，结合DSP 和MCU 器件，或者同时使用
MCU/DSP 器件以及FPGA 来划分其设计的性能和功能。虽然MCU/DSP 体系结构能够在一
定程度上重新使用代码，但是，重新使用经过高度优化的代码会付出很大的劳动，很
难进行划分，将其应用到新器件中。因此，基于MCU 和DSP 器件的设计方法需要大量
的硬件和软件资源来划分多个器件的应用功能和性能。取决于软件的复杂度，这一方
法需要几个月甚至一年( 开发时间，t) 的时间将应用程序导入到分布式体系结构中。
过渡到工业以太网

此外，工业网络过渡到基于以太网的网络，通常需要将驱动系统连接至这些工厂网络。
而MCU 和一些较新的数字信号处理器能够支持( 标准) 具有软件开销的以太网
TCP/IP，这种组合会有问题，原因如下：
■ 大部分MCU 带宽不足，大部分数字信号处理器不能在处理工业以太网和现场总线协
议的同时完成驱动控制。
■ MCU 在其PWM 输出上进行精确运动控制的能力有限。
■ 很多DSP 器件无法满足TCP/IP 堆栈要求，因为其体系结构缺少支持TCP/IP 所需要的
字对齐功能。

这些难题意味着设计人员不得不使用更多的MCU、ASSP 或者FPGA 器件以连接目前的产
品和工业网络。设计人员还必须应对各种各样的现场总线和工业以太网协议标准，例
如：
■ DeviceNet 和EtherNet/IP
■ Profibus 和PROFINET SRT/IRT
■ CANopen 和EtherCAT
■ CANopen 和PowerLink
■ SERCOS I/II 和SERCOS III
■ CC-Link 和CC-Link IE

而更复杂的是，EtherCAT、PROFINET IRT 和SERCOS III 等工业以太网协议还需要协议
专用MAC 来满足其确定性和实时要求。大部分MCU 和数字信号处理器不支持协议专用
MAC。可以使用Cyclone 系列FPGA 重新配置MAC IP 来解决这一问题，从而不再需要不
同的MCU、ASSP 或者ASIC 来支持各种协议标准。

对于需要安全驱动应用的设计人员，功能安全问题进一步增加了设计的复杂度。必须
将应用中的安全功能与不安全部分分开，包括通信通路。使用经过T Ü V 认证的元器件
缩短最终产品认证时间，将安全、驱动控制和通信功能集成到相同的FPGA 器件中，因
此，Cyclone 系列FPGA 有助于缩短开发时间，降低开发风险。

更多降低工业应用的总体拥有成本详情，请点击： https://www.elecfans.com/company/altera/gongye/329199.html?utm_source=forumfpga&utm_medium=textlink&utm_campaign=Altera

宇空间 · 2013-12-13 18:04:02

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