運(yùn)動控制和混合信號FPGA

　　隨著電子元件的性能和集成度不斷提高而價格卻不斷降低，電子控制單元的發(fā)展正一日千里。隨著各種技術(shù)和應(yīng)用大量涌現(xiàn)，從家電領(lǐng)域到工業(yè)自動化生產(chǎn)線，大家關(guān)注的重點(diǎn)還是在增加設(shè)計(jì)和提高電源效率的同時能減少設(shè)計(jì)、開發(fā)和整體的系統(tǒng)成本。

　　與此同時，運(yùn)動控制應(yīng)用的復(fù)雜程度也越來越高，已從簡單的開/關(guān)型控制向在高度集成環(huán)境中具備精確控制的可變速應(yīng)用發(fā)展。無論是交流、直流、有刷和無刷電機(jī)的各種控制電路主要由三部分構(gòu)成：人機(jī)界面、微控制器(MCU) 和控制邏輯。對于閉環(huán)運(yùn)動控制，傳感器接口是外加的一個元件(圖1)。將運(yùn)動控制邏輯納入數(shù)字領(lǐng)域可以實(shí)現(xiàn)分布式環(huán)境控制。運(yùn)動控制電子和分布網(wǎng)絡(luò)的配合可在車間實(shí)現(xiàn)多種新功能，包括遠(yuǎn)程管理；適應(yīng)不斷變化的協(xié)議；性能監(jiān)視；以及按期進(jìn)行維護(hù)。

        圖1：傳統(tǒng)運(yùn)動控制實(shí)現(xiàn)方法需要多個分立元件。這種閉環(huán)運(yùn)動控制系統(tǒng)使用一個網(wǎng)絡(luò)接口、微控制器、模擬器件、霍耳 (hall) 傳感器接口和控制邏輯。

　　舉例說，當(dāng)今汽車制造業(yè)廣泛使用由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的機(jī)械手。機(jī)械手系統(tǒng)使得分布式控制更為復(fù)雜，而不同的機(jī)械手要同時在幾個車輛上安裝不同的零件。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員主要的挑戰(zhàn)之一是要通過局域網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)各個機(jī)械手和其他自動化設(shè)備的同步。更復(fù)雜的是，遠(yuǎn)程管理功能(如監(jiān)視、數(shù)據(jù)共享和遠(yuǎn)程配置) 對復(fù)雜的中央控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)往往非常關(guān)鍵，也就是說，必需有一個有效的分布控制機(jī)制。

　　隨著半導(dǎo)體工藝和集成度的提高，現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA) 已成為許多電子運(yùn)動控制應(yīng)用的重要替代平臺。FPGA的發(fā)展迅猛，在許多應(yīng)用領(lǐng)域中替代了特定用途集成電路(ASIC)。非易失性FPGA是具成本效益的ASIC替代方案，不存在采用ASIC時涉及開發(fā)成本高和開發(fā)時間長的問題。而且，利用FPGA替代固定的邏輯，設(shè)計(jì)人員無論在設(shè)計(jì)階段還是在應(yīng)用現(xiàn)場，都可以高效、可靠地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品升級及定制功能。

　　以Flash 為基礎(chǔ)的混合信號FPGA (如Actel Fusion PSC) 能在單芯片上實(shí)現(xiàn)前所未有的集成度。因此，這類器件可替代多個分立元件，能使成本和占用板卡空間減少最少50%，同時又能維持系統(tǒng)的可靠性(圖2)。而且，混合信號器件上集成的Flash 內(nèi)存可以讓設(shè)計(jì)人員存儲設(shè)計(jì)文檔，不象那些以SRAM為基礎(chǔ)的FPGA需要另外配置PROM。此外，與其他可重編程FPGA解決方案一樣，可配置和靈活的混合信號FPGA器件可以在開發(fā)過程中甚至應(yīng)用之后，輕易進(jìn)行設(shè)計(jì)變更。

　　眾所周知，F(xiàn)PGA能通過并行處理加快數(shù)學(xué)運(yùn)算，使它成為實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制邏輯的理想選擇。FPGA能執(zhí)行更嚴(yán)格的控制環(huán)，因此提供更佳的控制和更少的波動和噪聲。設(shè)計(jì)人員還能在集成了Flash 內(nèi)存的混合信號FPGA中集成軟處理器核，從片上存儲器直接運(yùn)行，從而緊密地配合控制邏輯和中斷驅(qū)動程序的需要。由于設(shè)計(jì)中的邏輯門數(shù)量和類型及控制邏輯的功能因應(yīng)用而有所不同，即基于性能要求而定；因此，可編程邏輯往往最適合于實(shí)現(xiàn)各種用戶接口和數(shù)字控制邏輯，包括網(wǎng)絡(luò)和外設(shè)接口、脈沖寬度調(diào)制(PWM)，以及正交編碼器接口和傳感器輸入；這對當(dāng)今的運(yùn)動控制系統(tǒng)都非常重要。

　　網(wǎng)絡(luò)和外設(shè)接口

　　在運(yùn)動控制系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)和外設(shè)接口可讓用戶發(fā)出指令對邏輯電路進(jìn)行初始化、配置和控制，并且遠(yuǎn)程管理控制系統(tǒng)。根據(jù)功能和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同，每個運(yùn)動控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)和外設(shè)接口都可能會采取獨(dú)特的實(shí)現(xiàn)方式，但有一點(diǎn)共同的是，都會利用接口來提高系統(tǒng)的可訪問性。

　　目前已經(jīng)有各種各樣的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，如用于本地訪問的通用串行總線(USB)、基于RS232的串口和控制器局域網(wǎng)(CAN) 接口，以及基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的10/100以太網(wǎng)。在苛刻的環(huán)境下，如汽車制造車間，可能還需要無線網(wǎng)絡(luò)接口。這種接口可在制造車間內(nèi)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)同步、數(shù)據(jù)共享、狀態(tài)監(jiān)視和故障報警。此外，基于TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)接口則用于延長由任何距離遠(yuǎn)程訪問中央制造控制設(shè)施的能力。

        圖2：Actel Fusion PSC能在單芯片上為運(yùn)動控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)前所未有的功能集成，將可配置模擬、大容量 Flash 內(nèi)存模塊、周全的時鐘生成和管理電路，以及高性能的可編程邏輯全部集成在單芯片中。這個架構(gòu)體系可與Actel的ARM或 8051軟核和其它針對具體應(yīng)用開發(fā)的IP核 (如脈沖寬度調(diào)制器) 同用。

　　在許多情況下，工業(yè)自動化應(yīng)用都需要特殊的控制算法和裝置來完成特殊的任務(wù)。為實(shí)現(xiàn)這些標(biāo)準(zhǔn)接口無法提供的功能，需要考慮采用專門的接口。為了充分發(fā)揮某個分布控制系統(tǒng)的潛力，標(biāo)準(zhǔn)接口或?qū)ｉT的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議都必須加到板卡級中，或嵌入到可編程邏輯內(nèi)。而FPGA是將所有接口集成在一起的最佳平臺。特別是，當(dāng)今的混合信號FPGA器件具有模擬前端，能支持種類眾多的用戶輸入，以及實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制所需的電壓、電流和溫度監(jiān)視功能。