降低工業(yè)應(yīng)用的總體擁有成本

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

　　引言

　　工業(yè)自動化和過程控制生產(chǎn)商一直面臨持續(xù)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(yīng)對成本挑戰(zhàn)，包括：

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

　　本文使用一個設(shè)計實例來幫助包括系統(tǒng)、硬件和軟件工程師在內(nèi)的設(shè)計人員理解怎樣利用Altera Cyclone^®和MAX^® 10 FPGA來降低總體擁有成本(TCO)，它由系統(tǒng)生命周期內(nèi)的開發(fā)、改進、替換和維護成本來衡量。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(shè)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(qū)動控制應(yīng)用程序(圖2)作為一個實例，用于解決用戶可能面臨的工業(yè)設(shè)計難題。MCU和DSP是目前這種運動/驅(qū)動控制體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，同時FPGA體系結(jié)構(gòu)發(fā)展很快。MCU/DSP體系結(jié)構(gòu)有很好的用戶基礎(chǔ)，其成熟的體系結(jié)構(gòu)、開發(fā)工具以及運動控制算法主要用于單軸驅(qū)動應(yīng)用中。驅(qū)動系統(tǒng)越來越復(fù)雜，驅(qū)動控制軸數(shù)量也越來越多，產(chǎn)品功能在增加，MCU/DSP體系結(jié)構(gòu)在性能上很快便不能滿足要求，無法靈活地應(yīng)對市場需求的變化。隨著系統(tǒng)性能的提高，設(shè)計人員只能提高MCU/DSP頻率，優(yōu)化某一點的軟件算法。

　　為解決這一問題，設(shè)計人員使用多個DSP器件，結(jié)合DSP和MCU器件，或者同時使用MCU/DSP器件以及FPGA來劃分其設(shè)計的性能和功能。雖然MCU/DSP體系結(jié)構(gòu)能夠在一定程度上重新使用代碼，但是，重新使用經(jīng)過高度優(yōu)化的代碼會付出很大的勞動，很難進行劃分并將其應(yīng)用到新器件中。

　　過渡到工業(yè)以太網(wǎng)

　　工業(yè)網(wǎng)絡(luò)過渡到基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)，通常需要將驅(qū)動系統(tǒng)連接至這些工廠網(wǎng)絡(luò)。而MCU和一些較新的數(shù)字信號處理器能夠支持(標準)具有軟件開銷的以太網(wǎng)TCP/IP，這種組合會有問題，原因如下：

　　● 大部分MCU帶寬不足，大部分數(shù)字信號處理器不能在處理工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線協(xié)議的同時完成驅(qū)動控制。

　　● MCU在其PWM輸出上進行精確運動控制的能力有限。

　　● 很多DSP器件無法滿足TCP/IP堆棧要求，因為其體系結(jié)構(gòu)缺少支持TCP/IP所需要的字對齊功能。

　　這些難題意味著設(shè)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)品面市時間

　　使用一個或者多個MCU或者DSP器件實現(xiàn)驅(qū)動控制功能，考慮額外的網(wǎng)絡(luò)和安全要求，這都會將開發(fā)時間延長18到24個月。額外的時間意味著提高了研發(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，也會增大產(chǎn)品的BOM成本。

　　使用現(xiàn)有軟件

　　軟件工程師可以把他們的MCU/DSP經(jīng)驗應(yīng)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(nèi)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(fù)雜，包括使用處理器、操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件所實現(xiàn)的功能。很多產(chǎn)品已經(jīng)發(fā)展到軟件設(shè)計上的投入時間要比硬件設(shè)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(tǒng)相同的操作系統(tǒng)，會需要進行大量的軟件導(dǎo)出工作，導(dǎo)致工程在器件選擇和靈活性上受到很大限制。