三大電機(jī)控制方案之FPGA篇：Actel Fusion

　　當(dāng)前電機(jī)控制的發(fā)展越來(lái)越趨于多樣化、復(fù)雜化，現(xiàn)場(chǎng)也提出越來(lái)越苛刻的性能要求。因此客戶(hù)有可能考慮自己開(kāi)發(fā)專(zhuān)用的控制芯片，FPGA的可編程性正是可以滿(mǎn)足這種需求。上期講解了三大電機(jī)控制方案之MCU篇，這期來(lái)看看FPGA。

　　對(duì)于電機(jī)控制提出的不同要求，FPGA芯片固有的可編程性和并行處理的特點(diǎn)十分適合于中高端的電機(jī)控制應(yīng)用。由于它以純硬件的方式進(jìn)行并行處理，而且不占用CPU的資源，所以可以使系統(tǒng)達(dá)到很高的性能。

　　在電機(jī)控制的市場(chǎng)上，眾多專(zhuān)注于FPGA技術(shù)的廠商接連推出了各具特色的解決方案，本系列將會(huì)為大家介紹這些廠商以及它們?cè)陔姍C(jī)控制領(lǐng)域的代表產(chǎn)品。首先，是身為FPGA三大巨頭之一的Actel 公司。

　　Actel Fusion系列器件

　　Actel Fusion系列器件是業(yè)界首款也是唯一具有模擬功能的Flash架構(gòu)的FPGA，融合了FPGA數(shù)字內(nèi)核、A/D轉(zhuǎn)換器、Flash存儲(chǔ)器、模擬的I /0、RTC等數(shù)字和模擬器件。Fusion器件內(nèi)部具有2～8 Mbit不等的用戶(hù)可用Flash存儲(chǔ)器和30通道、最高12位精度、最高600 Ks/s采樣率的A/D轉(zhuǎn)換器，片內(nèi)100 MHz的RC振蕩器與PLL(鎖相環(huán))一起共同為FPGA提供時(shí)鐘，以節(jié)省外部時(shí)鐘的開(kāi)銷(xiāo)。這些特點(diǎn)極大地提高了該系列FPGA器件的功能，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，大幅度減少了電路板面積和系統(tǒng)總成本。當(dāng)Fusion系列FPGA器件結(jié)合8051，CortexMl，ARM7等軟件MCU核時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)真正的 SoC系統(tǒng)。Actel Fusion系列器件的眾多特點(diǎn)，使其在電機(jī)控制的領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，由它延伸出來(lái)的Smartfusion 數(shù)模混合芯片，十分適合高復(fù)雜度電機(jī)控制的應(yīng)用。

　　產(chǎn)品一覽

　　Actel Fusion的特點(diǎn)

　　單芯片

　　以 Flash 為基礎(chǔ)的 FPGA 將配置信息儲(chǔ)存在片上 Flash 單元中，一旦完成編程后，配置數(shù)據(jù)就會(huì)成為 FPGA 結(jié)構(gòu)的固有部分，在系統(tǒng)上電時(shí)并無(wú)需載入外部配置數(shù)據(jù)。以 Flash 為基礎(chǔ)的 Fusion 融合 FPGA 無(wú)需額外的系統(tǒng)元件，如傳統(tǒng) SRAM FPGA 配置用的串行非揮發(fā)性?xún)?nèi)存 (EEPROM) 或以 Flash 為基礎(chǔ)的微控制器，它們都是用來(lái)在每次上電時(shí)對(duì)傳統(tǒng) SRAM FPGA 加載程序的。增加的融合功能可在電路板上省去多個(gè)附加元件，如 Flash 內(nèi)存、分立模擬 IC 、時(shí)鐘源、EEPROM ，以及實(shí)時(shí)時(shí)鐘等，從而減低系統(tǒng)成本和電路板空間需求。

　　低功率

　　Fusion 器件具有類(lèi)似于 ASIC 的功率特性，因而適用于電池供電產(chǎn)品和其它對(duì)功耗敏感的應(yīng)用。使用Fusion 器件時(shí)，并不會(huì)出現(xiàn)加電浪涌電流和大電流轉(zhuǎn)換，而這是許多 SRAM FPGA 器件所面對(duì)的問(wèn)題。Fusion 器件還具有低靜態(tài)和動(dòng)態(tài)功耗，能實(shí)現(xiàn)最多的功率節(jié)省。這些器件支持睡眠和待機(jī)模式運(yùn)作，可大幅降低功耗。Fusion 器件的另一個(gè)獨(dú)特性能是在非活動(dòng)期間于正常時(shí)鐘速度和低時(shí)鐘運(yùn)作速度之間進(jìn)行動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換，并在需要時(shí)轉(zhuǎn)為全速運(yùn)作。

　　上電即行

　　以 Flash 為基礎(chǔ)的Fusion 器件具有上電即行 (LAPU) 特性，一旦施加正常運(yùn)作規(guī)格內(nèi)的系統(tǒng)功率，F(xiàn)usion 器件即可工作。這種上電即行特性能夠大幅簡(jiǎn)化整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并往往可以省去系統(tǒng)中復(fù)雜的可編程邏輯器件 (CPLD) 。

　　安全性

　　Fusion 器件包含了 Microsemi FlashLock? 功能，提供可重編程性和設(shè)計(jì)安全性的獨(dú)特組合，且無(wú)外部元件費(fèi)用。這些優(yōu)點(diǎn)只有通過(guò)帶非揮發(fā)性 Flash 內(nèi)存的 FPGA 才能實(shí)現(xiàn)。Fusion 器件具有基于 Flash 的 128 位安全保護(hù)機(jī)制和業(yè)界領(lǐng)先的片上 AES 解碼內(nèi)核，用于保護(hù)經(jīng)編程的 IP 和配置數(shù)據(jù)。 128 位 AES 是政府機(jī)構(gòu)認(rèn)可速度更快、安全性更高的加密算法，可以替代 DES 。目前，F(xiàn)usion 器件具有最完備的可編程邏輯安全解決方案。以 AES 加密技術(shù)為基礎(chǔ)的Fusion 器件可讓設(shè)計(jì)人員安全地完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)和 Flash 內(nèi)容的遠(yuǎn)程更新 (通過(guò)公共網(wǎng)絡(luò)如互聯(lián)網(wǎng)等)，確保具價(jià)值的 IP 不會(huì)遭受系統(tǒng)過(guò)建、復(fù)制和 IP 盜竊等問(wèn)題所侵害。雖然編寫(xiě)在Fusion 器件中的 FPGA 設(shè)計(jì)不能讀回，但可對(duì)其進(jìn)行安全的設(shè)計(jì)驗(yàn)證操作。Fusion 器件采用了許多器件設(shè)計(jì)和布局工藝技術(shù)，使到入侵攻擊難以得逞。例如，F(xiàn)usion 器件的 Flash 單元都位于 7 層金屬層之下，因而極難實(shí)現(xiàn)反向工程。

　　固件錯(cuò)誤

　　固件錯(cuò)誤是高層大氣中產(chǎn)生的高能中子撞擊 SRAM FPGA 配置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元所導(dǎo)致的錯(cuò)誤。撞擊產(chǎn)生的能量會(huì)改變 SRAM FPGA 配置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元的狀態(tài)，從而改變其邏輯、路由或 I/O ，而這種改變是無(wú)法預(yù)測(cè)和控制的。這類(lèi)錯(cuò)誤在 SRAM FPGA 中不可能避免，因而導(dǎo)致其時(shí)間延續(xù)故障 (FIT) 率值達(dá)數(shù)千。這類(lèi)錯(cuò)誤可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)失效，引起重大的技術(shù)支持和產(chǎn)品可靠性問(wèn)題。融合 FPGA 的配置元素 (即 Flash 存儲(chǔ)單元) 便不會(huì)被高能中子改變，因此具有中子引發(fā)的固件錯(cuò)誤免疫力。

　　融合技術(shù)及其優(yōu)勢(shì)

　　單芯片提供所有功能

　　直至融合技術(shù)問(wèn)世前，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員被迫采用成本高、占位空間多的分立模擬組件和可編程邏輯或混合信號(hào) ASIC 方案來(lái)執(zhí)行一般的系統(tǒng)。固定的架構(gòu)及其它技術(shù)障礙都阻止各個(gè)組件集成到一個(gè)低成本的單芯片中，以滿(mǎn)足所有設(shè)計(jì)需求。

　　外部高電壓接口

　　Fusion 器件具有真正的外部高電壓接口;擁有多達(dá) 30 個(gè)耐高壓模擬輸入，可與 -12V 到 +12V 的信號(hào)直接連接，因此無(wú)需信號(hào)預(yù)調(diào)節(jié)電路。基于融合技術(shù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADC 可以配置，并支持高達(dá) 12 位的信號(hào)采樣率，采樣速度達(dá) 600 ksps 。Fusion 器件還具備額外的功能，包括多個(gè)差分輸入電流監(jiān)控功能塊，每個(gè)均內(nèi)置放大器，能增加靈敏度和效率。Fusion 器件還集成了溫度監(jiān)控電路，只需外接二極管便可遠(yuǎn)程監(jiān)控多項(xiàng)溫度。Fusion 器件具有多達(dá) 10 個(gè)大電流驅(qū)動(dòng)輸出，最適用于 MOSFET 控制和/或脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 功能，如直接風(fēng)扇控制。