為智能工業(yè)自動化開發(fā)鍛造加速引擎

萊迪思(Lattice)半導體繼2018年推出面向低功耗網絡邊緣AI的sensAI，2020年公布面向低功耗嵌入式視覺和面向網絡保護恢復可信根的mVision 1.0與Sentry 1.0，及其后續(xù)升級版本mVision 2.0和Sentry 2.0后，日前，面向智能工業(yè)系統的Automate解決方案集合也正式面世。

Automate帶來了什么？

與sensAI、mVision和Sentry解決方案的架構類似，Automate的底層硬件平臺基于Certus-NX馬達控制開發(fā)板和基于MachXO3D的硬件安全開發(fā)板，在此之上是一系列IP核(Ether-Connect、CNN處理單元、PDM數據采集器)、軟件工具(RADIANT、DIAMOND、Propel、RISC-V+硬件協處理)、參考設計與演示和定制設計服務，共同構成了完整的Automate方案。

作為低功耗通用FPGA，Certus-NX擁有行業(yè)領先的小尺寸封裝的I/O數量和高速接口——封裝尺寸小至6x6mm的同時，每平方毫米的IO密度最高為同類FPGA的兩倍；1.5 Gbps差分I/O比同類FPGA最高快70%，此外還支持5Gbps PCIe、1.25Gbps SGMII(GigE)和1066Mbps DDR3存儲器接口。得益于28nm FD-SOI工藝，與同類FPGA相比，萊迪思Nexus技術平臺的功耗可降低多達4倍，軟錯誤率(SER)降低最高100倍。

在參考設計與演示層，Automate包含了多軸馬達控制、預測性維護、實時工業(yè)網絡、硬件安全等多個方面的內容，便于快速開發(fā)常見的工業(yè)應用：

●   可擴展的馬達控制方案——加速開發(fā)實現靈活的馬達控制系統，包括用于系統監(jiān)控和控制的基于GUI的用戶界面工具。

●   預測性維護——通過監(jiān)測系統中的多個馬達，最小化停機時間。

●   嵌入式實時網絡——使用萊迪思Nexus FPGA作為中央控制器，為各種設備實現可擴展的傳感和控制系統。

●   網絡保護恢復——實現硬件可信根，實時檢測、保護基于固件的攻擊并從中恢復。

●   易于使用的軟件設計方法——Automate支持萊迪思Propel?，使用嵌入式RISC-V處理器，通過軟件和硬件協處理簡化工業(yè)自動化系統的開發(fā)。

軟件方面的更新與之前的方案類似。除了支持易于使用的萊迪思Radiant和Diamond設計工具，Automate還通過萊迪思Propel設計環(huán)境支持RISC-V軟核CPU的使用。該基于圖形用戶界面(GUI)的最新設計工具可以使用拖放的方式快速布置和配置基于RISC-V處理器的設計。最新版本的Propel設計工具支持Automate所包含的全新工業(yè)IP核(Ether-Connect、CNN處理單元和PDM數據采集器)。

除了可以通過拖拽簡化系統構建外，開發(fā)者還可以在萊迪思RISC-V CPU內核上掛載所需要的功能IP模塊，再經由可視化連線構建系統，并通過C代碼編輯器編輯可執(zhí)行的C代碼，從而簡化了開發(fā)流程。從而一舉降低了對FPGA專業(yè)背景知識的需求，開發(fā)者即使沒有相關專業(yè)背景，也能夠進行方案開發(fā)。

Automate應用實例

市場調研機構Fortune Business Insights的數據顯示，截至2027年，全球工業(yè)自動化市場規(guī)模預計將達到3261.4億美元。而Allied Market Research的報告則指出，2020-2027年，全球機器人市場規(guī)模將以13.5%的復合年均增長率快速增加。因此，Automate的應用重點將集中于馬達控制、可預測性維護、實時網絡互連、功能安全和網絡恢復保護五大領域，以滿足下一代工業(yè)自動化系統對低功耗、低延遲、精確可預測性、高穩(wěn)定性、接口靈活等關鍵特性的需求。

●   拓展多軸馬達控制方案

工業(yè)場景下通常會部署很多電動馬達。合適的控制系統能夠顯著提升這些馬達的效率和運行生命周期，但是這樣的控制系統往往要求對馬達的電壓和電流波形進行高速和精確的采樣處理。FPGA則非常適合這項任務，與微控制器相比，它們處理的馬達數量至少可以翻倍，能提供比微控制器更高的性能，同時功耗極低。

在下圖展示的Lattice FPGA可拓展多軸馬達控制方案中，FPGA負責收集馬達的反饋信息，并通過產生PWM波對馬達進行控制。由于FPGA器件響應速度快，靈活性高，具備更好的定位、精度、效率和精確控制等特點，因此不但可以支持各類型馬達，還可實現更好的閉環(huán)控制。相比MCU，Lattice FPGA可控制的馬達數量是MCU的2倍，功耗最低可達7mW，遠小于MCU的100mW。

●   具備AI功能的可預測性維護

在維護馬達之類的設備時，傳統的方法有被動或主動維護。被動維護一般是機器持續(xù)運行直至出現故障，然后派遣人員診斷并解決問題；主動維護本質上是在機器損壞之前進行修復，這固然值得稱贊，但也很耗時且價格昂貴。相比之下，預測性維使用人工智能和機器學習來監(jiān)視機器的運行情況，從而掌握機器動態(tài)趨勢和異常狀況，并在機器停止工作之前為維護團隊提供 “警示”。有趣的是，僅通過監(jiān)測馬達的電壓和電流值即可實現預測性維護，無需任何其他傳感器(熱、振動、音頻傳感器等)。

因此，結合sensAI方案，Automate中也引入了具備AI功能的可預測性維護。簡單而言，就是通過波形好/壞、信號穩(wěn)定性高/低等信息，用以判斷馬達是否處于穩(wěn)定、亞穩(wěn)或是不穩(wěn)定的狀態(tài)，有助于對馬達性能的下降做出提前警示。延續(xù)馬達的使用場景是該方案的另一大特點。傳統應用中，不可預測性維護需要固定的時間進行檢測，確認沒有問題后再重新使用，但通過引入可預測性的AI功能，包括人為干預在內的宕機時間將得以大幅縮減。

●   通過Ether-Connect實現嵌入式實時感測和控制

Ether-Connect嵌入式實時感測和控制系統是最新開發(fā)的功能，通過器件和方案來縮小微秒級以下的器件間同步協作的差異，從而更好地控制多個馬達同時運作的同步性。以Ether-Connect IP為例，它可以利用器件的低功耗來達到實時網絡互連，同時用集中式主控制器來管理多個BLDC馬達。具體的支持數量，取決于整個系統的最低刷新率，目前可以實現16個控制板的串聯，甚至更長。

除了支持EtherConnect私有協議外，該方案還支持EtherCAT等其他工業(yè)標準協議，萊迪思聯合瑞薩電子及中電港推出的高性能EtherCAT伺服驅動解決方案最具代表性。此方案采用Renesas MPU+Lattice FPGA雙芯片架構，支持EtherCAT總線技術和多軸應用，具備以下三方面的核心優(yōu)勢：

優(yōu)勢一：FPGA控制電流環(huán)，高性能，高精度

在傳統方案中，由于位置環(huán)和速度控制環(huán)的算法復雜，計算緩慢且電流環(huán)控制需要實時快速更新，很難在單個處理器芯片里兼顧這兩類不同的算法。而Renesas MPU+Lattice FPGA采用的雙芯片架構，能將電流環(huán)控制放在FPGA里進行硬件加速，大幅降低延時，讓電流環(huán)更快速，提高精確度。不僅如此，FPGA還可分擔處理器的工作，進而提升整體性能。

采用FPGA硬件電流環(huán)以及EtherCAT總線架構的多軸伺服系統，實現真正意義上的多軸實時同步

優(yōu)勢二：以更優(yōu)成本實現單/多軸應用

與市面常見的SoC和DSP方案相比，FPGA在實現多軸同步控制、電流環(huán)控制、PWM控制和輸出等方面更具優(yōu)勢，能夠以最優(yōu)成本實現多軸控制。例如DSP通常只支持單軸電機系統，如果要實現雙/多軸電機系統，需要外加芯片；SoC可以實現1-6軸，但成本較高。Lattice FPGA可靈活搭配不同型號，可實現1-6軸電機控制，成本上更具優(yōu)勢；

伺服方案對比：RZ/T1+Lattice FPGA vs SoC vs DSP

優(yōu)勢三：靈活搭配不同配置

Renesas RZ/T1系列芯片兼容全系列管腳，可根據不同功能/主頻靈活選擇不同型號。

●   硬件安全參考設計

Automate主要是利用XO3D的芯片特性實現硬件級別的保護，從而在啟動前、啟動期間和正常運動時進行固件保護。同時，還能夠對固件進行驗證、監(jiān)測和保護，一旦發(fā)現固件受到攻擊，可迅速恢復至初始狀態(tài)。

MachXO3D是可實現硬件可信根的安全FPGA，使用硬件可信根和雙引導特性強化安全控制應用，新增的不可更改的嵌入式安全模塊可提供硬件可信根和預驗證加密功能，例如ECDSA、ECIES、AES、SHA、HMAC、TRNG、唯一安全ID和公鑰/私鑰生成，強化了控制功能。同時，Lattice將用戶閃存升級到了2700kbit，且提供商業(yè)級、工業(yè)級及符合AEC-Q100的汽車級產品。

結語：

Automate解決方案集合貫徹了Lattice持續(xù)打造“基于應用的解決方案棧(solution stack)”的產品布局思路，囊括了嵌入式系統設計人員加速開發(fā)工業(yè)自動化應用所需的全部資源，核心目標是通過軟件工具、工業(yè)IP核、模塊化硬件開發(fā)板和軟件可編程參考設計和演示，為工業(yè)自動化系統的設計人員提供評估、開發(fā)和部署基于FPGA的可編程工業(yè)自動化應用所需的各種工具，加速工廠自動化產品開發(fā)進程。

實際上值得注意的是，萊迪思Automate解決方案集合并不局限于傳統的工廠應用，它還廣泛適用于各種部署環(huán)境和任務，包括倉庫自動化和智能建筑監(jiān)測、管理和控制。