工业系统FPGA可编程平台提供设计灵活性

工业系统一般都以升级的设计方案为基础，这些设计方案在大都采用ASIC或者ASSP，有时也需要依靠更传统的电子设备如微控制器或微处理器、离散数字和模拟设备以及内存芯片等。但每一次无论是推出新品还是对产品进行升级，一旦需要新的特征、功能或者改进，设计人员都必须从零做起。

ASIC和ASSP设计方法为工业产品设计提供了固定平台，但是其成本昂贵，开发时间长，而且很难实现产品差异化。如果使用传统的离散器件，在目前整个工程设计领域都在呼吁更大的设计灵活性、产品差异化和更低设计成本的情况下，显然不具备任何设计优势。

ASIC、ASSP和传统的芯片式设计无法满足新一代工业系统的需求。新的工业应用需要可灵活定制的硬件和软件平台、性能更高的数字信号处理(DSP)、更短的产品开发周期、更低的设计成本和更快的上市速度。

FPGA曾被归类到胶合逻辑，但目前具备了和高集成功能，能提供很多设计上的优势。

基于FPGA的可编程平台给工业系统设计者们提供了快速低成本产品创新和进化的基础。FPGA的灵活性带来了一个*方法，让设计者可以创建一个硬件设计方案作为多种不同产品的基础，从而降低设计和制造成本。这一点是*可能的，因为使用FPGA的可编程平台让他们可以通过设计重编程来快速开发新的特征或功能。

设计者们还能以zui小的工程量来设计新功能或者进行设计升级，以面对不断改变的市场需求和标准。另外，即便是已在工厂车间使用的工业产品，都能借助FPGA进行升级。

另外，这样的一个平台设计策略可以实现更大的产品差异化，并可能提*。它让工业系统能携新特征更快上市，同时又在用户面前保住了品牌，并进一步降低了某个产品设计被废弃的风险。

产品废弃会给工业系统OEM产生*的硬件成本，有时甚至高达数百万美元。据估计工业系统OEM平均要花费15％－20％的工程时间来重新设计系统的功能并更新文件。

FPGA就能帮助OEM减轻这一沉重负担。FPGA设备可以适用于各种工业应用领域，包括安保系统、工业自动化、控制系统、现场测量、开关和控制装置、环境和楼宇控制、马达控制等。无论是在性能还是在价格方面，它们都能够满足这些以及其它成本敏感型工业应用的要求。FPGA能集成各种工业现场总线标准，例如Profinet, Sercos III, Cip Synch, Ethernet-PowerLink, Ethernet IP和EtherCat等，这充分显示出它给设计者带来的非凡的灵活性。这些不同的标准原本需要大量不同的适配卡，每张卡都于某个标准。而且生产这些适配卡要耗费很大的工作量，并需要很多离散元件。

在这种情况下，就可以使用一个FPGA设备来集成各种不同的现场总线标准，从而不需要开发如此多的适配卡，自然也就节省了成本。它只需要物理接收器来使电器特征和现场总线相匹配。

FPGA可以在系统生产的过程中进行编程，为某个特定的现场总线提供量身定做的电子设备。另外，FPGA也可以通过现场重编程来轻松执行某个标准的新规范。FPGA还能用于过程控制和工厂自动化。在这些工业设计中，FPGA结合IP内核，可以降低开发成本、提高设计灵活性并缩短开发周期。

像Cyclone II等FPGA，都带有一个32位的Nios II嵌入式处理器，能给工业设计者带来和灵活性，以添加应用外围设备并实现所需的内核性能。设计者可以对成本和性能作出权衡，既可以设计一个低端低成本的从系统，也可以设计一个处理器内核与速度及所需外围设备匹配的高性能的系统。

过程控制系统对制造环境进行监控，并依据用户设定的限制对过程和制造流程进行控制。典型的过程控制系统都会使用一个像激光二极管这样的测量装置来检测工业环境中的气体或者液体成分。某种气体或液体的频率信号频率信号被发送到接收器，接收器将之转化成数字信号，接着由处理器进行鉴定。下一步，主控制器和自动化系统会利用该鉴定信息来执行系统任务。如图1，FPGA中的嵌入式处理器控制系统，而能匹配IP内核的FPGA则执行Ethernet媒体访问控制(MAC)功能、一个控制控制器局域网(CAN)的控制器接口、UART和内部集成电路总线控制器接口。

图1：FPGA式过程控制应用图

工厂自动化系统控制制造和工业环境中的生产流程。这些自动化系统不断从生产线的传感器上(一般是电荷耦合数码相机)接收数据并将之过滤，接着通过工业系统厂商的图像识别算法对数据进行处理。

图像识别模块让自动化系统可以识别生产流程中的各种状态，比如产品的缺失或者缺陷。该信息接着被传输到主系统，主系统参考该信息来加速或减慢生产线，或启动对生产线上某个部件的拒收程序。

FPGA可用来在一般的工厂自动化系统中执行各种不同的任务。Nios嵌入式处理器可作为组件控制器，减轻主控制器执行系统任务的负担。

FPGA可借助IP内核来执行10/100 Ethernet MAC和CAN，从而进一步加快设计时间。图2展示了FPGA的RAM区块中执行的缓冲功能，以及FPGA为开发一个完整的工厂自动化方案而利用IP内核来执行的FIR滤波器和UART功能。

设计者可以利用IP内核结合一个嵌入式处理器来加快设计速度，从而将更多精力集中于系统设计的其它方面。另外，各种离散器件的功能被集成到一个FPGA中，减少了板上的离散元件数量，压缩了设计成本和时间，从而极大地降低了成本。

图2：完整FPGA工厂自动化方案图

协处理器FPGA通用性很高，能用在高带宽工业DSP领域作为强大的协处理器。在这些设计中，连续输入数据样本之间逐步完成的计算会限制DSP指令带宽。在一些传统的DSP芯片中，可以通过多个处理单元来使带宽限制zui小化。

但如果要创建管道代码来利用这些处理单元，就必须对汇编语言程序进行手动编码。这类代码的维护、复用性和执行会很麻烦，而且成本很高。另外，同步执行的程度也相对较低。

一个能代替高带宽计算的更好方法就是用一个FPGA作为协处理器。这种方法将反复高速算法综合到了FPGA中。借助于一个FPGA和面向DSP应用的自动化设计软件，工程师能以传统数字信号处理器无法实现的方式优化系统性能。

利用FPGA也可以提高超声波探伤的效率。在这种应用中，传感器传出数据的速率能远高于音速，甚至可高达20 MSamples/sec。

在其它工业应用中，传感器数据率可能小得多(比如只有100 kSamples/sec)，但可能会有多个传感器。虽然这可以让有效数据率达到射频水平，但如果处理链太复杂，DSP就无法具有实现实时的带宽，而数据处理就必须离线执行。

DSP的问题在于它是串行处理，每次只能处理信号链中的一个元件。有些DSP可以同时处理少量的指令，以实现一定程度的并行。但是，使用这些DSP的成本会比非并行方法的成本高9倍。虽然在很多应用中都能使用多个DSP来实现真正的并行处理，但是其硬件成本也会迅速增加，而用于这些系统的软件也很复杂而昂贵。

另外，这个方法还需要一个实时操作系统(RTOS)或者复杂的处理器互通信方案。并且其真正并行的程度相对较低，还会耗费过多的设计时间，带来高成本，并极大减缓上市速度。而如果使用FPGA，则可以将一系列操作转化成以数个200+MHz时钟周期运行的并行结构。可以通过使过程真正并行来加速算法，这是使用FPGA的一个主要优势。

在DSP方案中，设计者除了编写管道汇编语言(如果其DSP处理器能支持)，能够提高性能的方法不多。另一个方法就是采用一个频率更高的数字信号处理器。有了FPGA，硬件和软件可以同时优化。因此，有了灵活的FPGA设计软件，设计者们就拥有了三重选择(如图3)，而从前他们只有代码优化和处理器速度两个选择。

图3：FPGA设计软件带来了新的三维优化空间

由于各种性能高的硬件处理器价格也高，设计者只剩下一个选择：代码优化。但*的工业设计人员就非常清楚，代码优化这个方法并不能屡试不爽。

从前由于产品设计时间和成本因素，或者因为传统DSP不能处理大量计算而无法设计的工业系统，现在借助于FPGA的高度灵活性都能实现了。有了FPGA，设计者还实现了硬件加速，并获得了更宽的设计空间。FPGA使并行处理程度高于DSP的并行处理，并让算法大量并行，从而实现了这样的硬件加速。